Utilize este identificador para referenciar este registo: https://hdl.handle.net/1822/84719

TítuloImmuno-field-effect transistor platforms based on 2D materials for early detection of biomarkers of ischemic stroke
Autor(es)Silva, Patrícia Daniela Cabral da
Orientador(es)Alpuim, P.
Fernandes, Elisabete Ramos
Palavras-chaveAVC Isquémico
Biomarcadores
Biossensor
Materiais 2D
Transístores de Efeito de Campo
Ischemic Stroke
Biomarkers
Biosensor
2D Materials
Field-Effect Transistors
Data15-Jul-2022
Resumo(s)A deteção precoce de biomarcadores clinicamente relevantes é um dos principais desafios no diagnostico de doenças. Os avanços mais recentes na microeletrónica abriram caminho para o desenvolvimento de biossensores eletrónicos, em que é possível alcançar dispositivos de elevada sensibilidade e velocidade. Em particular, os biossensores baseados em transístores de efeito de campo têm potencial para a miniaturização e integração em processos de fabricação eletrónica, ao mesmo tempo permitindo deteção rápida, paralela e sem marcação. Este potencial pode ser explorado para desenvolver ferramentas de diagnostico mais eficazes para a avaliação de pacientes de AVC isquémico. O AVC isquémico é uma das maiores causas de morte e incapacidade no mundo e a aplicação de tratamento é condicionada pelo curto espaço de tempo em que o tratamento com o Ativador do plasminogénio tecidual pode ser aplicado. Assim sendo, o desenvolvimento de um biossensor para analise rápida do estado do paciente pode proporcionar estratificação para a aplicação terapêutica atempada, podendo aumentar o número de pacientes tratados e reduzindo o risco de transformação hemorrágica nos pacientes tratados. Com esta problemática em mente, o trabalho apresentado focou-se no desenvolvimento de transístores de efeito de campo baseados em materiais 2D para a deteção de biomarcadores relevantes para a estratificação de pacientes com AVC isquémico. Transístores de efeito de campo com grafeno como material do canal foram testados e otimizados para interação com biomoléculas. A transferência de grafeno e passivação dos contactos foi otimizada para fornecer transístores de efeito de campo compatíveis com a funcionalização de superfícies e bio reconhecimento de proteínas. A funcionalização do grafeno foi estudada, garantindo a consistência do método, a estabilidade dos anticorpos imobilizados e a redução de ligações não-especificas. Os transístores funcionalizados foram testados com proteínas standard para estudar o mecanismo de deteção. Os testes realizados com as proteínas biomarcadoras de AVC isquémico, Matrix Metallopeptidase 9 e Fibronectina celular, mostraram potencial para a deteção simultânea dos biomarcadores graças à ausência de interação cruzada entre eles. A exposição dos dispositivos à matriz biológica de interesse revelou que é possível detetar especificamente os biomarcadores em amostras de soro diluído, no entanto em amostras mais complexas algumas limitações surgem devido à ocorrência de eventos de ligação não-especifica. Além disso, a reprodutibilidade dos transístores mesmo não sendo perfeita (11% intra e 26% inter variabilidade) revela um grande potencial para a continuação do desenvolvimento desta tecnologia para a deteção rápida de biomarcadores de AVC isquémico para a estratificação de pacientes.
Early detection of clinically relevant biomarkers (proteins, DNA, or others) is nowadays considered the holy grail of diagnostics for modern medicine. The recent advancements in micro-electronics have opened the path for bioelectronics-based sensors, where devices of greatly improved sensitivity and speed of detection are achieved. In particular, biosensors based on field-effect transistors hold the potential for miniaturization and integration in electronic manufacturing processes while allowing parallel label-free sensing and fast response times. This potential can be explored to develop practical diagnostic tools for evaluating ischemic stroke patients. Acute ischemic stroke is a leading cause of death and disability worldwide, and treatment is still conditioned due to the narrow time window of intravenous thrombolysis with tissue plasminogen activator (tPA). As such, developing a biosensing tool for fast analysis of the condition of ischemic stroke patients can provide stratification for therapy application, potentially increasing the number of treated patients and reducing the risk of hemorrhagic transformation. With this in mind, the focus of this work was the development of 2D material-based field-effect transistors for the detection of biomarkers clinically relevant to the stratification of ischemic stroke patients. Field effect transistors using graphene as the channel material were tested and optimized for selective biomolecular recognition. Graphene transfer and contact passivation were optimized using clean-room processes to provide field-effect transistors compatible with surface functionalization and bio-recognition. Graphene functionalization was studied to ensure a consistent method for stable immobilization of probe antibodies and reduction of non-specific binding. The functionalized graphene field-effect transistors were tested against standard protein biomarkers to access the detection mechanism. The tests performed with stroke protein biomarkers, Matrix Metallopeptidase 9, and cellular Fibronectin showed great potential for their simultaneous detection due to the absence of cross-reactivity between these proteins. The graphene field-effect transistors exposure to the interest biological sample matrix (human serum) revealed that specific detection could be achieved in diluted serum samples. However, some limitations arise in more complex samples (raw serum) due to non-specific binding events. Moreover, although not perfect, the reproducibility of the measurements (11% intra-variability and 26% inter-variability) shows the great potential to further develop this technology for fast and label-free detection of ischemic stroke-related biomarkers patient stratification.
TipoTese de doutoramento
DescriçãoPrograma doutoral em Physics
URIhttps://hdl.handle.net/1822/84719
AcessoAcesso aberto
Aparece nas coleções:BUM - Teses de Doutoramento
CDF - CEP - Teses de Doutoramento/PhD Thesis

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