{"id":15131,"date":"2026-05-13T11:35:07","date_gmt":"2026-05-13T11:35:07","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/livio-oliveira-de-miranda\/"},"modified":"2026-05-13T11:35:25","modified_gmt":"2026-05-13T11:35:25","slug":"livio-oliveira-de-miranda","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/livio-oliveira-de-miranda\/","title":{"rendered":"Livio Oliveira de Miranda"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":7,"featured_media":15132,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-15131","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"A nanoparticle-on-film biosensor","samenvatting":"In dit proefschrift bestuderen we hoe systemen van nanodeeltjes-op-film kunnen worden gebruikt voor continue biosensing van enkelvoudige moleculen en voor het onderzoeken van snelle moleculaire dynamiek. Door gebruik te maken van resonante koppeling tussen gelokaliseerde oppervlaktelasmonresonanties en oppervlaktelasmonpolaritonen, versterken we de optische respons van deeltjes nabij de film en maken we gevoelige detectie van voorbijgaande moleculaire interacties mogelijk. Dit proefschrift laat zien hoe systemen van nanodeeltjes-op-film de gevoeligheid kunnen verbeteren, achtergrondsignalen kunnen onderdrukken, kunnen functioneren in complexe biologische media en toegang kunnen bieden tot snelle dynamische processen.\n\nIn hoofdstuk 1 introduceren we het gebied van biosensing, met een focus op continue moleculaire biosensoren. We bespreken de rol van biosensoren in de samenleving, defini\u00ebren fysieke en moleculaire biomarkers, en beschrijven de basiswerking van moleculaire biosensing-platforms. We maken onderscheid tussen enkelpunts- en continue biosensoren en bespreken ensemble-gebaseerde en enkelvoudige-molecuulbenaderingen. In het bijzonder benadrukken we het belang van omkeerbaarheid, temporele resolutie, reagensverbruik en werking in complexe media voor de volgende generatie continue biosensoren.\n\nIn hoofdstuk 2 onderzoeken we de fundamentele optische eigenschappen van systemen van nanodeeltjes-op-film. We beschrijven de plasmonische basis van het platform, waarbij de focus ligt op oppervlaktelasmonpolaritonen en gelokaliseerde oppervlaktelasmonresonanties. We laten zien dat resonante koppeling tussen voortplantende plasmonen in de gouden film en gelokaliseerde plasmonen in de nanodeeltjes de far-field verstrooiingsspectra sterk hervormt. Door de excitatiehoek en filmdikte te controleren, kan de optische respons worden afgestemd zonder de fysieke geometrie van het systeem te veranderen. Verder tonen we aan dat excitatie via oppervlaktelasmonpolaritonen de gevoeligheid van plasmonische linialen (nanoparticle-on-film plasmonic rulers) verbetert, wat een versterkte detectie van veranderingen in afstand op nanometerschaal mogelijk maakt.\n\nIn hoofdstuk 3 vertalen we deze optische inzichten naar een platform voor continue biosensing van enkelvoudige moleculen. We ontwikkelen een optoplasmonische nanodeeltjes-op-film-sensor gebaseerd op omkeerbare sandwich-interacties tussen gefunctionaliseerde gouden nanodeeltjes en een gefunctionaliseerde gouden film. De sensor detecteert voorbijgaande bindingsgebeurtenissen van individuele deeltjes, waarvan de frequentie afhangt van de concentratie van het doelwit. Door excitatie via oppervlaktelasmonpolaritonen te gebruiken, worden gebonden deeltjes sterk versterkt, terwijl vrij diffunderende deeltjes en achtergrondsignalen grotendeels onderdrukt blijven. We demonstreren continue, regeneratievrije detectie van enkelstrengs DNA in buffer bij sub-picomolaire concentraties en tonen de veelzijdigheid van het platform aan door de detectie van het eiwit lactoferrine. Het platform bereikt een verbeterde gevoeligheid vergeleken met eerdere plasmonische sensoren gebaseerd op deeltjesbeweging en regeneratievrije werking.\n\nIn hoofdstuk 4 breiden we de nanodeeltjes-op-film-biosensor uit voor gebruik in complexe biologische media. We introduceren een kinetische vingerafdrukstrategie die specifieke, door het doelwit gemedieerde gebeurtenissen onderscheidt van niet-specifieke interacties in onverdund serum op basis van de levensduur van hun gebonden toestand. Door verdelingen van levensduur te fitten met meerdere kinetische populaties, isoleren we de monovalente doelspecifieke bijdrage, zelfs wanneer de totale frequentie van gebeurtenissen wordt gedomineerd door een niet-specifieke achtergrond. Deze aanpak maakt continue monitoring mogelijk van nucle\u00efnezuur-doelwitten, waaronder ssDNA en miRNA, bij femtomolaire concentraties in serum. De resultaten laten zien dat het combineren van optische achtergrondonderdrukking met kinetische classificatie van gebeurtenissen biosensing van enkelvoudige moleculen in fysiologisch relevante complexe media mogelijk maakt.\n\nIn hoofdstuk 5 verkennen we het potentieel van het nanodeeltjes-op-film-platform voor het onderzoeken van snelle moleculaire dynamiek. We ontwikkelen een sandwich-bioassay die is vastgelegd met integratietijden in microseconden en tonen aan dat de plasmonische verstrooiingsrespons van systemen van nanodeeltjes-op-film kan worden gebruikt om toegang te krijgen tot dynamisch gedrag op sub-milliseconde-schaal. Dit hoofdstuk laat zien dat het platform niet alleen nuttig is voor continue biosensing, maar ook een route biedt naar optische uitlezingen die in staat zijn om snelle moleculaire processen vast te leggen.\n\nHoofdstuk 6 vat de belangrijkste bevindingen van het proefschrift samen en bespreekt toekomstige mogelijkheden voor biosensing met nanodeeltjes-op-film. We reflecteren op de sterke punten en beperkingen van het platform, waaronder gevoeligheid, temporele resolutie, reagensverbruik, oppervlaktestabiliteit en werking in complexe media. Ten slotte stellen we toekomstige richtingen voor, zoals het verbeteren van de stabiliteit op lange termijn door middel van robuuste oppervlaktechemie en realtime herkalibratie, en het ontwikkelen van reagensvrije sensoren door deeltjes vast te leggen aan de gouden film. Deze richtingen zouden systemen van nanodeeltjes-op-film verder kunnen bevorderen in de richting van praktische continue biosensing en de detectie van ultrasnelle moleculaire dynamiek.","summary":"In this thesis, we study how nanoparticle-on-film systems can be used for continuous single-molecule biosensing and for probing fast molecular dynamics. By exploiting resonant coupling between localized surface plasmon resonances and surface plasmon polaritons, we enhance the optical response of particles near the film and enable sensitive detection of transient molecular interactions. This thesis demonstrates how nanoparticle-on-film systems can improve sensitivity, suppress background signals, operate in complex biological media and access fast dynamic processes.\n\nIn Chapter 1, we introduce the field of biosensing, with a focus on continuous molecular biosensors. We discuss the role of biosensors in society, define physical and molecular biomarkers, and describe the basic operation of molecular biosensing platforms. We distinguish between single-point and continuous biosensors and discuss ensemble-based and single-molecule approaches. In particular, we highlight the importance of reversibility, temporal resolution, reagent consumption and operation in complex media for next-generation continuous biosensors.\n\nIn Chapter 2, we investigate the fundamental optical properties of nanoparticle-on-film systems. We describe the plasmonic basis of the platform, focusing on surface plasmon polaritons and localized surface plasmon resonances. We show that resonant coupling between propagating plasmons in the gold film and localized plasmons in the nanoparticle strongly reshapes the far-field scattering spectrum. By controlling the excitation angle and film thickness, the optical response can be tuned without changing the physical geometry of the system. We further demonstrate that surface-plasmon-polariton-mediated excitation improves the sensitivity of nanoparticle-on-film plasmonic rulers, enabling enhanced detection of nanometer-scale distance changes.\n\nIn Chapter 3, we translate these optical insights into a continuous singlemolecule biosensing platform. We develop an optoplasmonic nanoparticle-on-film sensor based on reversible sandwich interactions between functionalized gold nanoparticles and a functionalized gold film. The sensor detects transient binding events of individual particles, whose frequency depends on the target concentration. By using surface-plasmon-polariton excitation, bound particles are strongly enhanced while freely diffusing particles and background signals remain largely suppressed. We demonstrate continuous, regeneration-free detection of single-stranded DNA in buffer at subpicomolar concentrations and show the versatility of the platform by detecting the protein lactoferrin. The platform achieves improved sensitivity compared with previous particle-motion and regeneration-free plasmonic sensors.\n\nIn Chapter 4, we extend the nanoparticle-on-film biosensor to operate in complex biological media. We introduce a kinetic fingerprinting strategy that distinguishes specific target-mediated events from non-specific interactions in undiluted serum based on their bound-state lifetimes. By fitting lifetime distributions with multiple kinetic populations, we isolate the monovalent target-specific contribution even when the total event frequency is dominated by non-specific background. This approach enables continuous monitoring of nucleic acid targets, including ssDNA and miRNA, at femtomolar concentrations in serum. The results show that combining optical background suppression with kinetic event classification allows single-molecule biosensing in physiologically relevant complex media.\n\nIn Chapter 5, we explore the potential of the nanoparticle-on-film platform for probing fast molecular dynamics. We develop a sandwich bioassay recorded with microsecond integration times and demonstrate that the plasmonic scattering response of nanoparticle-on-film systems can be used to access submillisecond dynamic behavior. This chapter shows that the platform is not only useful for continuous biosensing, but also provides a route toward optical readouts capable of capturing rapid molecular processes.\n\nChapter 6 summarizes the main findings of the thesis and discusses future opportunities for nanoparticle-on-film biosensing. We reflect on the strengths and limitations of the platform, including sensitivity, temporal resolution, reagent consumption, surface stability and operation in complex media. Finally, we propose future directions such as improving long-term stability through robust surface chemistry and real-time recalibration, and developing reagent-free sensing formats by tethering particles to the gold film. These directions could further advance nanoparticle-on-film systems toward practical continuous biosensing and the detection of ultrafast molecular dynamics.","auteur":"Livio Oliveira de Miranda","auteur_slug":"livio-oliveira-de-miranda","publicatiedatum":"17 juni 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/liviooliveirademiranda?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/2c41b185-c25c-484b-8372-0844f8e8f9bc\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"19108","isbn":"978-90-386-6715-7","doi_nummer":"","naam_universiteit":"TU Eindhoven","afbeeldingen":15133,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"TU Eindhoven","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15131","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=15131"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15131\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":15134,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15131\/revisions\/15134"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/15132"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=15131"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=15131"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}