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Title in Portuguese: Biossensor impedimétrico baseado em nanopartículas de CoFe2O4 acopladas a Concanavalina A para detecção de E. coli
Title: Impedimetric biosensor based on CoFe2O4 nanoparticles coupled to Concanavalin A for E. coli detection
Author: Costa, Leandro Araújo da
Advisor(s): Diógenes, Izaura Cirino Nogueira
Keywords: Nanopartículas
CoFe2O4
Biossensor
Detecção de bactérias
E. coli
Issue Date: 2022
Citation: COSTA, Leandro Araújo. Biossensor impedimétrico baseado em nanopartículas de CoFe2O4 acopladas a Concanavalina A para detecção de E. coli. 2022. 72 f. Dissertação (Mestrado em Química) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2022.
Abstract in Portuguese: A detecção rápida e precisa de bactérias patogênicas em instalações de ponto de atendimento, particularmente em países em desenvolvimento é uma questão emergente na indústria alimentícia e medicinal. Nesse contexto, os biossensores eletroquímicos e impedimétricos têm surgido como uma ferramenta poderosa devido ao baixo custo, limites de detecção e sensibilidade, onde as nanopartículas (NPs) podem ser empregadas na modificação de eletrodos para aumentar a área superficial e, consequentemente, a sensibilidade. Este trabalho apresenta os resultados obtidos para um biossensor impedimétrico construído sobre uma monocamada de cisteína (Cys) sobre ouro contendo NPs de CoFe2O4 e a lectina concanavalina A (ConA) objetivando a detecção de Escherichia coli (E. coli). Previamente às etapas de modificação, as NPs de CoFe2O4 foram sintetizadas e funcionalizadas com 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) para fornecer extremidades com -NH2 (CoFe2O4@NH2). As moléculas de cisteína sobre ouro foram ativadas com N-hidroxisulfosuccinimida (NHS) e N-(3-dimetilaminopropil)-N′-etilcarbodiimida hidrocloreto (EDC) formando a superfície Au/Cys/NHS que, por sua vez, foi imersa em suspensão aquosa de NPs de CoFe2O4@NH2 produzindo o eletrodo Au/Cys/NPs. Na etapa seguinte, esse eletrodo foi imerso em solução contendo ConA formando o biossensor Au/Cys/NPs/ConA. Cada etapa de modificação foi monitorada por espectroscopia de impedância eletroquímica e voltametria cíclica em solução contendo [Fe(CN)6]3-/4-. Os valores de resistência de transferência de carga (RCT) obtidos a partir dos diagramas de Nyquist aumentaram em cada etapa variando de 50,43 para 532,56 Ω cm2 para as superfícies Au/Cys/NPs e Au/Cys/NPs/ConA, respectivamente, mostrando o bloqueio da superfície em relação às espécies redox [Fe(CN)6]3-/4- após imobilização da lectina. O efeito de bloqueio foi observado de forma ainda mais intensa em solução contendo a bactéria E. coli e apresentou dependência com a concentração desta espécie permitindo, assim, a utilização do biossensor Au/Cys/NPs/ConA para detecção de E. coli em uma faixa linear de 1,7 × 101 a 8,3 × 104 UFC/mL e com um limite de detecção (LOD) de 0,2 × 10-3 UFC/mL após apenas 15 min de contato. O baixo valor de LOD foi atribuído à combinação das propriedades nanométricas das NPs de CoFe2O4@NH2 (condutividade elétrica e a elevada área superficial) com a afinidade da lectina ConA por lipopolissacarídeos presentes nas paredes celulares da bactéria E. Coli. Comparativamente a sistemas reportados na literatura para bactérias gram-negativas, o valor de LOD determinado neste trabalho indica a produção de um biossensor impedimétrico rápido (apenas 15 min de contato) e de baixos limite de detecção e custo para detecção de E. coli.
Abstract: Rapid and accurate detection of pathogenic bacteria in point-of-care facilities, particularly in developing countries, is an emerging issue in food and medical industry. In this context, electrochemical and impedimetric biosensors have emerged as a powerful tool due to their low-cost, detection limits and sensitivity, where nanoparticles (NPs) can be used to modify electrodes to increase their surface area thus improving the sensitivity. This work presents the results obtained for a impedimetric biosensor built on a monolayer of cysteine (Cys) on gold containing NPs of CoFe2O4 and the lectin concanavalina A (ConA) aiming the detection of Escherichia coli (E. coli). Previously to the modification steps, the CoFe2O4 NPs were synthesized and functionalized with (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) to provide NH2 ends (CoFe2O4@NH2). The cysteine molecules on gold were activated with N-hydroxysuccinimide (NHS) and N-ethyl-N'-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride (EDC) producing Au/Cys/NHS that, in turn, was immersed in an aqueous solution of CoFe2O4@NH2 forming Au/Cys/NPs. In the following step, this electrode was immersed in a solution containing Con A generating Au/Cys/NPs/ConA. Each modification step was monitored by electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry in solution containing [Fe(CN)6]3-/4-. The values of charge transfer resistance (RCT) obtained from the Nyquist diagrams increased in each step varying from 50.43 to 532.56 Ω cm2 for the Au/Cys/NPs and Au/Cys/NPs/ConA, respectively, showing the surface blockage in respect to the [Fe(CN)6]3-/4- redox species after the lectin immobilization. The blockage effect was even stronger in solution containing E. coli and showed a concentration dependence on this bacterium. Such dependence allowed the use of the biosensor Au/Cys/NPs/ConA for detecting E. Coli within a linear range from 1.7 × 101 to 8.3 × 104 UFC/mL with an estimated limit of detection (LOD) of 0.2 × 10-3 UFC/mL after just 15 min of exposure. This low value of LOD was assigned to the combination of the nanometric properties of the CoFe2O4@NH2 NPs (electrical conductivity and high surface area) with the affinity of the ConA lectin for lipopolysaccharides on the cell wall of the E. coli bacteria. In comparison to other systems reported in the literature for gram-negative bacteria, the LOD value determined in this work indicates the production of an impedimetric biosensor fast (only 15 min of contact) and of low-cost and detection limit for the detection of E. coli.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/68721
metadata.dc.type: Dissertação
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