Investigating molecular interactions in BSA-based biohybrid nanofibers by spectroscopic methods

Two types of nanofibrous membranes are developed and tested as sensing platforms for analytes of relevance in biochemical processes. Specifically, both a biohybrid membrane of poly(vinylalcohol) (PVA) and Bovine Serum Albumin (BSA) is obtained by electrospinning and a poly(vinylalcohol) (PVA)/polyethyleneimine (PEI) blend is electrospun as sensing substrates for the detection of a common bio-target, the tryptophan (Trp). PVA/BSA and PVA/PEI membranes are analyzed and compared for determining the best candidate for this application. Electrospinning parameters are optimized to find the best conditions to obtain thin defect-free nanofibers (diameter equal to 144 ± 28 nm for PVA/BSA and 471 ± 60 nm for PVA/PEI). Both these electrospun membranes are crosslinked to make them water-resistant and suitable for sensing in aqueous environment. The best crosslinking method, which consists in immersion of fibers into an acetone solution of glutaraldehyde (GA) and hydrochloric acid (HCl), is determined by FTIR spectroscopy. Fibers are then decorated with a fluorescent probe, which is here designed and synthesized, consisting in a catching unit (Biotin, Bio) and a fluorescent tag (Rhodamine B; RhB) covalently linked. Decoration of the mat occurs by spontaneous absorption in solution, and it is studied by Raman, UV-vis, and Fluorescence spectroscopy. Membranes of PVA/BSA absorb RhB-Bio molecules more effectively than PVA/PEI, and the interaction is almost stable also rinsing in water. For this reason, PVA/BSA/RhB-Bio membranes are selected as the best system for bio-sensing application, which is tested to detect tryptophan at different concentrations. A linear relationship between quenching of fluorescence (given by interaction between fluorophore, RhB, and Trp) and the concentration of this bio-target is observed, well matching the Stern-Volmer equation.

Due tipologie di membrane nanofibrose sono state sviluppate e valutate come possibili piattaforme per il sensing di analiti di rilevanza in alcuni processi biochimici. In particolare, sia una membrana bioibrida di alcol polivinilico (PVA) e sieroalbumina bovina (BSA) sia una miscela di alcol polivinilico (PVA)/polietileneimina (PEI) sono state elettrofilate a dare una membrana nanofibrosa utilizzabile per il rilevamento di un bio-target, il triptofano (Trp). Le membrane di PVA/BSA e di PVA/PEI sono state analizzate e confrontate per determinare il miglior candidato per questa applicazione. I parametri dell’electrospinning sono stati ottimizzati con l’intento di ottenere delle nanofibre sottili e senza difetti (diametro di 144 ± 28 nm per fibre di PVA/BSA e 471 ± 60 nm per quelle di PVA/PEI). Entrambe le membrane sono state reticolate per renderle insolubili in acqua rendendole adatte all’utilizzo in ambienti acquosi, che sono il mezzo biologico standard. Attraverso la spettroscopia infrarossa si è determinato il miglior processo di reticolazione: esso consiste nell’immersione delle fibre in una soluzione di acetone contenente glutaraldeide (GA) e acido cloridrico (HCl). Le fibre sono poi state funzionalizzate con una sonda fluorescente, una molecola appositamente progettata e sintetizzata, la quale consiste in una unità di catching (Biotina, Bio) e in un indicatore fluorescente (Rodamina B, RhB) chimicamente legati fra loro. La funzionalizzazione superficiale delle membrane, che avviene spontaneamente in soluzione per adsorbimento, è stata studiata utilizzando le spettroscopie Raman, UV-vis e di fluorescenza. Le membrane di PVA/BSA, rispetto a quelle di PVA/PEI, adsorbono un maggior numero di molecole di RhB-Bio e in modo più efficace. Inoltre, questa interazione è stabile anche quando le membrane sono lavate in acqua. Per queste ragioni, le membrane di PVA/BSA/RhB-Bio sono state scelte come miglior sistema per applicazioni di bio-sensing e sono state testate per rilevare il triptofano a concentrazioni differenti. Si è osservata una relazione lineare tra la riduzione della fluorescenza (dovuta ad una interazione tra il fluoroforo, RhB, e il Trp) e la concentrazione di questo bio-target, che segue bene l’andamento previsto dall’equazione di Stern-Volmer.