Experimental Investigation of Surface Passivation Chemistries for Optical Nanotweezers

Resumo Técnico: Investigação Experimental de Químicas de Passivação de Superfície para Nanotweezer Ópticos

Definição do Problema
Nanotweezers, particularmente os baseados em ouro para sistemas plasmônicos e de eletro-hidrodinâmica interferométrica (IET), oferecem capacidades transformadoras para o aprisionamento, manipulação e caracterização reversíveis de entidades biológicas e sintéticas em escala nanométrica. No entanto, uma barreira crítica para sua operação robusta e reutilização é a adsorção não específica (fouling) de nanopartículas na superfície do dispositivo. Esse fouling leva à adesão irreversível de partículas, impedindo a liberação dos alvos e tornando os chips inutilizáveis após um único experimento. Embora surfactantes sejam comumente adicionados às soluções de aprisionamento para mitigar esse efeito, eles não abordam a química de superfície do próprio dispositivo e podem afetar negativamente amostras biológicas sensíveis. Além disso, as estratégias de passivação existentes muitas vezes carecem de estabilidade (por exemplo, a degradação oxidativa do polietileno glicol) ou são limitadas a faixas específicas de pH. Há uma necessidade de métodos de passivação de superfície versáteis e estáveis que possam ser adaptados a tipos específicos de partículas (por exemplo, nanopartículas de poliestireno vs. vesículas extracelulares) para permitir a classificação e caracterização livre de rótulos (label-free) de alto rendimento.

Metodologia
Os autores investigaram as propriedades antifouling de camadas de passivação de superfície sintetizadas diretamente em dispositivos IET baseados em ouro via Polimerização Radicalar por Transferência de Átomo (ATRP). O estudo focou em três principais químicas de superfície:

1. Controle Não Passivado: Dispositivos IET de ouro puro.
2. Ácido 11-Mercaptoundecanoico (MUA): Uma monocamada auto-montada (SAM) com um grupo cabeça tiol e um grupo terminal carboxila, servindo como um benchmark convencional.
3. Poli(estireno sulfonato de sódio) (PSS): Um polímero multicamada crescido via ATRP usando um iniciador baseado em tiol (11-bromo-2-metilpropanoato de 11-mercaptoundecila) sobre a superfície de ouro.
4. Poli(metacriloxietil fosforilcolina) (PMPC): Um polímero zwitterionico também crescido via ATRP, usado especificamente para estudos de vesículas extracelulares (EVs).

Os dispositivos IET apresentavam um filme de ouro com um arranjo de furos de 15 µm e um eletrodo de Óxido de Índio e Estanho (ITO), utilizando fluxo de eletro-osmosidade AC (ACEO) para aprisionar partículas. O desempenho antifouling foi avaliado usando:

• Imagem de Fluorescência: Para rastrear o aprisionamento e a liberação de esferas de poliestireno fluorescentes de 100 nm (carga negativa, potencial zeta ~ -40 mV) ao longo de 40 minutos.
• Imagem de Espalhamento Interferométrico (ISCAT): Para realizar a imagem livre de rótulos de vesículas extracelulares (EVs) para avaliar a adesão e a liberação.
• Caracterização de Superfície: Medições de ângulo de contato e espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier por Reflexão Total Atenuada (ATR-FTIR) foram usadas para confirmar a hidrofilicidade da superfície e a presença química das camadas de passivação.

Principais Contribuições

• Integração de ATRP: O artigo demonstra a aplicação bem-sucedida da ATRP para o crescimento de escovas poliméricas funcionais (PSS e PMPC) diretamente em substratos de nanotweezers baseados em ouro, fornecendo uma via versátil para interfaces antifouling universais.
• Análise Comparativa: O estudo compara sistematicamente a eficácia antifouling do PSS crescido por ATRP contra as SAMs de MUA tradicionais e o PMPC zwitterionico através de diferentes tipos de partículas.
• Engenharia de Superfície Modular: Os autores destacam a flexibilidade da abordagem ATRP, onde o grupo cabeça (tiol para ouro) e o grupo terminal (sulfonato para PSS, fosforilcolina para PMPC) podem ser selecionados independentemente para corresponder aos requisitos do substrato e às características da partícula alvo.

Resultos

• Dispositivos Não Passivados: Em dispositivos IET não passivados, as esferas de poliestireno aderiram espontaneamente à superfície dentro de 27 minutos devido a forças de Van der Waals, reduzindo significativamente a taxa de recuperação das partículas.
• Desempenho do MUA: A passivação por MUA reduziu significativamente o fouling de poliestireno (apenas quatro partículas aderiram ao campo de visão após 40 minutos) em comparação com o controle não passivado. Isso foi atribuído à alta densidade de empacotamento da SAM e à repulsão eletrostática dos grupos carboxila desprotonados em pH 7. No entanto, a análise de ângulo de contato confirmou a hidrofilicidade do MUA, e os autores observam que sua eficácia é limitada a uma faixa estreita de pH.
• Desempenho do PSS: A camada de PSS crescida por ATRP demonstrou um desempenho antifouling superior contra esferas de poliestireno em comparação ao MUA. Após 40 minutos, apenas uma partícula permaneceu aderida e, notavelmente, estava fixada a uma região do substrato exposto, e não ao filme de ouro passivado. Os autores atribuem isso às múltiplas camadas de grupos estireno sulfonato carregados negativamente, que proporcionam maior repulsão eletrostática.
• Antifouling de EV (PSS vs. PMPC): Para vesículas extracelulares, tanto o PSS quanto o PMPC zwitterionico exibiram características antifouling de alto desempenho e similares, reduzindo significativamente a adesão em comparação com os dispositivos não passivados. Os autores sugerem que a eficácia do PSS contra EVs se deve à sua natureza hidrofílica e à força repulsiva de seus grupos sulfato multilamelares, comparável ao mecanismo de camada de hidratação do PMPC zwitterionico.
• Caracterização: Espectros de FTIR confirmaram a presença de bandas características para MUA (estiramento C=O e C-H), PSS e PMPC. Medições de ângulo de contato mostraram uma queda significativa na hidrofobicidade (de ~69° para <35°) após a passivação por MUA, confirmando a formação de uma superfície hidrofílica.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a técnica ATRP oferece um método amplamente aplicável e versátil para passivar substratos de nanotweezers. Ao permitir o crescimento de escovas poliméricas multicamadas e customizadas, esta abordagem permite o ajuste preciso da hidrofilicidade superficial e da carga para atender a necessidades experimentais específicas. O estudo estabelece que o PSS é uma alternativa superior ao MUA para nanopartículas de poliestireno carregadas negativamente e desempenha de forma equivalente ao PMPC zwitterionico para vesículas extracelulares.

Os autores asseguram que esta metodologia se estende além da plataforma IET específica; com iniciadores apropriados (por exemplo, silanos para silício, fosfatos para óxido de índio e estanho), esta estratégia de passivação baseada em ATRP pode ser transferida para uma ampla gama de substratos de nanotweezers e biossensores. Esta versatilidade facilita o aprisionamento e a liberação reversíveis de diversas nanopartículas, permitindo assim a manipulação e caracterização em nanoescala robusta e de alto rendimento, sem as limitações de soluções baseadas em surfactantes ou SAMs de camada única.