Developing Low Fouling Peptides and Zwitterionic Materials for Biomedical Applications

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2015

Novel biosensing device for point-of-care applications with plastic antibodies grown on Au-Screen Printed Electrodes

A gold screen printed electrode (Au-SPE) was modified by merging Molecular Imprinting and Self-Assembly Monolayer techniques for fast screening cardiac biomarkers in point-of-care (POC). For this purpose, Myoglobin (Myo) was selected as target analyte and its plastic antibody imprinted over a glutaraldehyde (Glu)/cysteamine (Cys) layer on the gold-surface. The imprinting effect was produced by growing a reticulated polymer of acrylamide (AAM) and N,N′-methylenebisacrylamide (NNMBA) around the Myo template, covalently attached to the biosensing surface. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) studies were carried out in all chemical modification steps to confirm the surface changes in the Au-SPE. The analytical features of the resulting biosensor were studied by different electrochemical techniques, including EIS, square wave voltammetry (SWV) and potentiometry. The limits of detection ranged from 0.13 to 8 μg/mL. Only potentiometry assays showed limits of detection including the cut-off Myo levels. Quantitative information was also produced for Myo concentrations ≥0.2 μg/mL. The linear response of the biosensing device showed an anionic slope of ~70 mV per decade molar concentration up to 0.3 μg/mL. The interference of coexisting species was tested and good selectivity was observed. The biosensor was successfully applied to biological fluids.

Propriétés des monocouches auto-assemblées du liquide ionique 1-(12-mercaptododécyl)-3-méthylimidazolium

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques.

Agrégation de tensioactifs anioniques à une interface solide-aqueux induite par l'oxydation d'une monocouche auto-assemblée de ferrocenylalkanethiolates

L'oxydoréduction des monocouches auto-assemblées («Self-assembled monolayers ou SAMs) de ferrocenyldodecanethiolates sur une surface d'or (Fc(CH2)12SAu) dans des solutions aqueuses de n-alkyle sulfate de sodium (6, 8, 10 et 12 atomes de carbone) est étudiée par spectroscopie de résonance des plasmons de surface («Surface Plasmons Resonance ou SPR) couplée avec de la voltampérométrie cyclique (VC). La technique SPR est utilisée pour suivre en temps réel l'adsorption des tensioactifs en fonction du potentiel appliqué. Elle permet de quantifier l'épaisseur et le recouvrement des molécules adsorbées pour déterminer l'organisation des tensioactifs anioniques sur la SAM. La VC est utilisée afin de caractériser l'oxydation du groupement ferrocène en présence des n-alkyle sulfate de sodium qui s'associent à la SAM grâce à l'appariement entre le ferrocénium et le groupement sulfate. Des mélanges binaires d'alkylesulfates de différentes compositions sont utilisés dans le but de déterminer l'organisation induite par une réaction d'oxydoréduction. L'effet de la longueur de la chaîne d'hydrocarbures sur la quantité de tensioactifs anioniques adsorbés ainsi que les affinités relatives d'appariement des anions alkyle sulfate aux ferrocéniums sont rapportés dans ce mémoire. Ces surfaces électrosensibles permettront la détection de molécules amphiphiles et la compréhension du comportement de mélanges binaires de tensioactifs. Ainsi, ces travaux apporteront une avancée sur la modulation électrochimique de l'organisation de matériaux sur des substrats solides basée sur l'appariement d'ions.

Neue redoxfunktionalisierte Schwefel-Tripodliganden für selbstassemblierende monomolekulare Filme auf Goldoberflächen

Für die Entwicklung selbstorganisierter Monoschichten (SAMs) auf Gold(111)-Oberflächen wurden neue, redox-funktionalisierte Schwefel-Tripodliganden synthetisiert. Um die tripodale Struktur zu realisieren, wurde Adamantan als vierbindiges Zentrum eingesetzt. Die Anbindung an die Goldoberfläche wurde durch Thioethereinheiten ermöglicht, eventuelle laterale Wechselwirkungen durch Alkylseitenketten an den Thioethereinheiten, sowie durch lineare, rigide Spacereinheiten wurden untersucht. Als redoxaktive, funktionelle Einheit wurde ein Ferrocenylrest an den Liganden eingeführt. Gebildete monomolekulare Filme der Liganden auf Gold wurden mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Nahkanten-Reflexions-Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Sum-Frequency-Generation (SFG) charakterisiert, um die Filmqualität, die Bindung ans Substrat und Orientierungsordnung im Film zu ermitteln.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Quartz crystal microbalance monitoring of density changes in mesoporous TiO2 phytate films during redox and ion exchange processes

Nanofilm deposits of TiO2 nanoparticle phytates are formed on gold electrode surfaces by 'directed assembly' methods. Alternate exposure of a 3-mercapto-propionic acid modified gold surface to (i) a TiO2 sol and (ii) an aqueous phytic acid solution (pH 3) results in layer-by-layer formation of a mesoporous film. Ru(NH3)(6)(3+) is shown to strongly adsorb/accumulate into the mesoporous structure whilst remaining electrochemically active. Scanning the electrode potential into a sufficiently negative potential range allows the Ru(NH3)(6)(3+) complex to be reduced to Ru(NH3)(6)(2+) which undergoes immediate desorption. When applied to a gold coated quartz crystal microbalance (QCM) sensor, electrochemically driven adsorption and desorption processes in the mesoporous structure become directly detectable as a frequency response, which corresponds directly to a mass or density change in the membrane. The frequency response (at least for thin films) is proportional to the thickness of the mass-responsive film, which suggests good mechanical coupling between electrode and film. Based on this observation, a method for the amplified QCM detection of small mass/density changes is proposed by conducting measurements in rigid mesoporous structures. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Investigation of the interaction between Tc85-11 protein and antibody anti-T cruzi by AFM and amperometric measurements

This present work reports on development of an amperometric immunosensor for the diagnosis of Chagas' disease using a specific glycoprotein of the trypomastigote surface, which belongs to the Tc85-11 protein family of Trypanosoma cruzi (T cruzi). An atomically flat gold surface on a silicon substrate and gold screen-printed electrodes were functionalized with cystatrine and later activated with glutaraldehyde (GA), which was used to form covalent bonds with the purified recombinant antigen (Tc85-11). The antigen reacts with the antibody from the serum, and the affinity reaction was monitored directly using atomic force microscopy or amperometry through a secondary antibody tagged to peroxidase (HRP). Surface imaging allowed to us to differentiate the modification steps and antigen-antibody interaction allowed to distinguish the affinity reactions. In the amperometric immunosensor, peroxidase catalyses the L-2 formation in the presence of hydrogen peroxide and potassium iodide, and the reduction current intensity was measured at a given potential with screen-printed electrodes. The immunosensor was applied to sera of chagasic patients and patients having different systemic diseases. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Determinação dos parâmetros cinéticos e termodinâmicos da adsorção de L-cisteína em ouro por meio da técnica de microbalança a cristal de quartzo

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Avaliação da limpeza de CDtrodo construídos a partir de CD de ouro gravável/fita adesiva de galvanoplastia

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Tethered DNA scaffolds on optical sensor platforms for detection of hipO gene from Campylobacter jejuni

DNA biosensors have gained increased attention over traditional diagnostic methods due to their fast and responsive operation and cost-effective design. The specificity of DNA biosensors relies on single-stranded oligonucleotide probes immobilized to a transduction platform. Here, we report the development of biosensors to detect the hippuricase gene (hipO) from Campylobacter jejuni using direct covalent coupling of thiol- and biotin-labeled single-stranded DNA (ssDNA) on both surface plasmon resonance (SPR) and diffraction optics technology (DOT, dotLab) transduction platforms. This is the first known report of the dotLab to detect targeted DNA. Application of 6-mercapto-1-hexanol as a spacer thiol for SPR gold surface created a self-assembled monolayer that removed unbound ssDNA and minimized non-specific detection. The detection limit of SPR sensors was shown to be 2.5 nM DNA while dotLab sensors demonstrated a slightly decreased detection limit of 5.0 nM (0.005 μM). It was possible to reuse the SPR sensor due to the negligible changes in sensor sensitivity (∼9.7 × 10 -7 ΔRU) and minimal damage to immobilized probes following use, whereas dotLab sensors could not be reused. Results indicated feasibility of optical biosensors for rapid and sensitive detection of the hipO gene of Campylobacter jejuni using specific ssDNA as a probe. © 2011 Elsevier B.V.

Fabricação e caracterização de filmes finos de perileno: arquitetura molecular e aplicações sensoriais

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Investigação da condução elétrica em fitas duplas de dna imobilizadas em eletrodos de ouro por medidas eletroquímicas

Pós-graduação em Química - IQ

Microelectrode array in mixed alkanethiol self-assembled monolayers: Electrochemical studies

We report an efficient alternative to obtain recessed microelectrodes device on gold electrode surface, in which mixed self-assembled monolayer of long and short carbon alkanethiol chains was used for this purpose. Development of the modified electrodes included the chemical adsorption of 11-mercaptoundecanoic acid and 2-mercaptoethanol solution, as well as their mixtures, on gold surface, resulting in the final mixed self-assembled monolayer configuration. For comparison, the electrochemical performance of self-assembled monolayer of 11-mercaptoundecanoic acid. 3-mercaptopropionic acid, 4-mercapto-1-butanol and 6-mercapto-1-hexanol modified electrodes was also investigated. It was verified that, in the mixed self-assembled monolayer, the 11-mercaptoundecanoic acid acts as a barrier for electron transfer while the short alkanethiol chair is deposited in an island-like shape through which electrons can be freely transferred to ions in solution, allowing electrochemical reactions to occur. The performance of the modified electrodes toward microelectrode behavior was investigated via cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy measurements using [Fe(CN)(6)](3-/4-) redox couple as a probe. In this case, sigmoidal voltammetric responses were obtained, very similar to those observed for microelectrodes. Such behavior reinforces the proposition of electron transfer through the short alkanethiol chain layer and surface blockage by the long chain one. Electrochemical impedance results allowed calculated the mean radius value of each microelectrode disks of 3.8 mu m with about 22 mu m interval between them. The microelectrode environment provided by the mixed self-assembled monolayer can be conveniently used to provide an efficient catalytic conversion in biosensing applications. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Determinação dos parâmetros cinéticos e termodinâmicos da adsorção de L-cisteína em ouro por meio da técnica de microbalança a cristal de quartzo

This article discusses the adsorption kinetics of a L-cysteine monolayer onto a gold surface by means of information obtained through the QCM technique. The results indicate that the adsorption process is rapid and follows the Langmuir isotherm, in which adsorption and desorption are considered. From these measurements the following parameter values were obtained: k d = (4.2 ± 0.4) x 10-3 s-1, k a = 75 ± 6 M-1 s-1, Keq=(1.8 ± 0.3) x 10(4) M-1 and ΔGads = - (5.8 ± 0.2) kcal mol-1.