Superficies nanoestructuradas para el desarrollo de biosensores electroquímicos e integración en un sistema de detección portable

Los biosensores son elementos clave en el desarrollo de sistemas de diagnóstico in-vitro y permiten la fabricación de dispositivos biomédicos miniaturizados para un diagnóstico más rápido y fiable de muchas enfermedades. Con ellos se podrán analizar rápidamente analitos presentes en la sangre, orina...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autores: Herrasti Sainz, Zorione, Rodríguez-Viejo, Javier|||0000-0002-9735-263X
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2015
País:España
Institución:Universitat Autònoma de Barcelona
Repositorio:Dipòsit Digital de Documents de la UAB
Idioma:español
OAI Identifier:oai:ddd.uab.cat:128803
Acceso en línea:https://ddd.uab.cat/record/128803
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Biosensores electroquímicos
Nanotubos de carbono (NTC)
Lab on a chip (LOC)
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Baldrich Rubio, Eva
Martínez Rodríguez, Fernando
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description Los biosensores son elementos clave en el desarrollo de sistemas de diagnóstico in-vitro y permiten la fabricación de dispositivos biomédicos miniaturizados para un diagnóstico más rápido y fiable de muchas enfermedades. Con ellos se podrán analizar rápidamente analitos presentes en la sangre, orina, tejidos o saliva y nos informarán de la concentración de determinados componentes (biomarcadores, drogas, antibióticos, virus, etc). Los biosensores también pueden ser aplicados en otros campos, como la alimentación, agricultura, monitorización de procesos industriales y control medio ambiental. Por tanto, el desarrollo de biosensores de bajo coste, pequeños, sensibles y fáciles de usar, repercutirá en el control de enfermedades, la detección de elementos contaminados y toxinas, o la mejora de la producción y control de procesos. La tecnología de los biosensores consiste en sistemas compactos de análisis, compuestos de un elemento de reconocimiento biológico (ADN, anticuerpo, etc.) que detecta un analito (glucosa, antígeno, etc.) y un elemento transductor de esa detección que permite cuantificar la cantidad de analito. En este trabajo, se han producido biosensores electroquímicos explotando, por un lado, su miniaturización e integración en dispositivos Lab on a Chip (LOC) y, por otro lado, mejorando su sensibilidad mediante el uso de micro-nanomateriales que permiten obtener microsensores electroquímicos avanzados. De este modo, se ha desarrollado un sistema de detección electroquímica (SDE) portable que se integra en un dispositivo LOC. Este SDE se compone principalmente de un potenciostato y un cartucho microfluídico que contiene un sensor integrado. El funcionamiento de este dispositivo se ha demostrado principalmente en medidas de ADN. Los resultados obtenidos muestran que la respuesta y sensibilidad del potenciostato es comparable a la que se obtiene en un sistema comercial como el Autolab PGSTAT. Además, como la superficie de sensor no requiere de una modificación previa de la sonda de ADN, el dispositivo microfluídico desarrollado puede ser utilizado para detectar cualquier otro analito de interés, como se ha demostrado en las medidas de detección de ácido úrico en solución. La mejora en la sensibilidad de las medidas electroquímicas, se ha obtenido mediante el atrapamiento magnético de nanotubos de carbono (NTC) sobre la superficie del electrodo de trabajo del sensor usando partículas magnéticas (PMs). Esto permite, por un lado, la obtención rápida y sencilla de superficies nanoestructuradas que mejoran las prestaciones del electrodo y, por otro, sensar la superficie de las PMs de manera eficiente tras la captura del analito de interés de la solución. Este procedimiento de nanoestructuración, que ha resultado aplicable tanto a electrodos serigrafiados como de capa fina, se ha aplicado con éxito a ensayos de biosensado directo de moléculas electroactivas y no electroactivas, y de marcadores y dianas enzimáticos. En el primer caso, se ha realizado la detección de dopamina, obteniéndose un límite de detección (LOD) lo suficientemente sensible para realizar la estimación de la concentración de dopamina endógena en orina. En el segundo caso, para la detección de analitos no electroactivos (como anticuerpos y detergente), se han usado marcadores no enzimáticos (nanocristales de Cd y ferroceno). Para ello se ha ensayado tanto la detección en formato de sándwich como por "sombreado superficial", un novedoso procedimiento de detección en que la captura de analito interfiere en la detección de un marcador previamente incorporado sobre las PM. Por último, se ha realizado el biosensado de marcadores enzimáticos (mieloperoxidasa). El LOD obtenido en estas medidas es suficientemente bajo para la aplicación del protocolo al estudio de muestras de suero sanguíneo. La combinación de las superficies nanoestructuradas y del SDE portable ha resultado en el desarrollo de un dispositivo LOC con electrodos nanoestructurados, para la detección sensible, rápida, portable y potencialmente automatizable de analitos.
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Por tanto, el desarrollo de biosensores de bajo coste, pequeños, sensibles y fáciles de usar, repercutirá en el control de enfermedades, la detección de elementos contaminados y toxinas, o la mejora de la producción y control de procesos. La tecnología de los biosensores consiste en sistemas compactos de análisis, compuestos de un elemento de reconocimiento biológico (ADN, anticuerpo, etc.) que detecta un analito (glucosa, antígeno, etc.) y un elemento transductor de esa detección que permite cuantificar la cantidad de analito. En este trabajo, se han producido biosensores electroquímicos explotando, por un lado, su miniaturización e integración en dispositivos Lab on a Chip (LOC) y, por otro lado, mejorando su sensibilidad mediante el uso de micro-nanomateriales que permiten obtener microsensores electroquímicos avanzados. De este modo, se ha desarrollado un sistema de detección electroquímica (SDE) portable que se integra en un dispositivo LOC. Este SDE se compone principalmente de un potenciostato y un cartucho microfluídico que contiene un sensor integrado. El funcionamiento de este dispositivo se ha demostrado principalmente en medidas de ADN. Los resultados obtenidos muestran que la respuesta y sensibilidad del potenciostato es comparable a la que se obtiene en un sistema comercial como el Autolab PGSTAT. Además, como la superficie de sensor no requiere de una modificación previa de la sonda de ADN, el dispositivo microfluídico desarrollado puede ser utilizado para detectar cualquier otro analito de interés, como se ha demostrado en las medidas de detección de ácido úrico en solución. La mejora en la sensibilidad de las medidas electroquímicas, se ha obtenido mediante el atrapamiento magnético de nanotubos de carbono (NTC) sobre la superficie del electrodo de trabajo del sensor usando partículas magnéticas (PMs). Esto permite, por un lado, la obtención rápida y sencilla de superficies nanoestructuradas que mejoran las prestaciones del electrodo y, por otro, sensar la superficie de las PMs de manera eficiente tras la captura del analito de interés de la solución. Este procedimiento de nanoestructuración, que ha resultado aplicable tanto a electrodos serigrafiados como de capa fina, se ha aplicado con éxito a ensayos de biosensado directo de moléculas electroactivas y no electroactivas, y de marcadores y dianas enzimáticos. En el primer caso, se ha realizado la detección de dopamina, obteniéndose un límite de detección (LOD) lo suficientemente sensible para realizar la estimación de la concentración de dopamina endógena en orina. En el segundo caso, para la detección de analitos no electroactivos (como anticuerpos y detergente), se han usado marcadores no enzimáticos (nanocristales de Cd y ferroceno). Para ello se ha ensayado tanto la detección en formato de sándwich como por "sombreado superficial", un novedoso procedimiento de detección en que la captura de analito interfiere en la detección de un marcador previamente incorporado sobre las PM. Por último, se ha realizado el biosensado de marcadores enzimáticos (mieloperoxidasa). El LOD obtenido en estas medidas es suficientemente bajo para la aplicación del protocolo al estudio de muestras de suero sanguíneo. La combinación de las superficies nanoestructuradas y del SDE portable ha resultado en el desarrollo de un dispositivo LOC con electrodos nanoestructurados, para la detección sensible, rápida, portable y potencialmente automatizable de analitos.Biosensors are key elements in the development of in-vitro diagnostic systems and they permit the fabrication of miniaturized biomedical devices which enable a faster and more reliable diagnostic of various diseases. These will facilitate a fast analysis of analytes present in blood, urine, membranes or saliva and will report the concentration of certain components (biomarkers, drugs, antibiotics, viruses, etc.). Biosensors can also be applied in other fields such as, food, agriculture, monitoring of industrial processes and environmental control. Therefore, the development of low cost, small, sensitive and easy to use biosensors will facilitate the control of diseases, the detection of pollutants and toxins, or the improvement in the production and control of industrial processes. Biosensors are often defined as compact analytical systems, containing a biological recognition element (DNA, antibodies, etc.) that detects a certain analyte (glucose, antigen, etc.) and a transducer that accomplishes the translation of the binding event into a measurable signal for analyte quantification. In this work, electrochemical biosensors have been developed taking advantage of the miniaturization and integration of Lab on a Chip (LOC) devices and of the improvement in sensitivity provided by the use of micro-nanomaterials that enable the production of advanced electrochemical microsensors. Thereby, a portable electrochemical detection system (EDS), which is integrated in a LOC device, has been developed. This EDS, consist of a potentiostat and a microfluidic cartridge with a sensor included in it. Here, the operation of this EDS has been mainly demonstrated for DNA measurements. The results obtained show that the response and sensitivity of the EDS are comparable to those obtained using a commercial potentiostat. Besides, since for DNA measurements, which were performed in solution, the sensor surface is not previously modified, this cartridge could be used for the detection of other analytes of clinical interest, as it is demonstrated for uric acid detection. With respect to the improvement in sensitivity obtained in the electrochemical measurements, this has been achieved by carbon nanotube (CNT) wiring of magnetic particles (MP) on the surface of the sensor's working electrode. This enables, on the one hand, the simple and fast acquisition of nanostructured electrode surfaces of improved performance and, on the other hand, the efficient sensing of the MP surface after analyte capture and concentration from the solution. As it is shown in this work, this nanostructuration procedure is applicable to either screen printed or thin film electrodes. Furthermore, CNT wiring of the MP surface has been successfully applied to both the direct biosensing of electroactive and non electroactive molecules, and the enhanced detection of enzymatic markers and targets. In the first case, dopamine detection has been accomplished, obtaining a limit of detection (LOD) low enough to permit the estimation of endogenous dopamine concentration in urine. In the case of the detection of non electroactive analytes (such as antibodies and surfactant), non enzymatic markers have been used (Cd nanocrystals and ferrocene). For these detections, a sandwich assay and a novel detection assay format based on "surface-shadowing" have been exploited, respectively. This latter novel methodology consists in the capture of the analyte, which then interferes in subsequent CNT wiring and electrochemical detection of an electroactive marker that has been previously incorporated to the MP surface. At last, the biosensing of enzymatic targets (myeloperoxidase) has been performed. The LOD obtained in this case was lower than the numbers obtained without using CNT wiring and was appropriate for the study of human serum samples. The combination of nanostructured electrode surfaces and a portable EDS has resulted in the development of a LOC device with nanostructured electrodes, applicable to sensitive, fast, portable and potentially automatizable analyte detection.Universitat Autònoma de BarcelonaUniversitat Autònoma de Barcelona. Departament de FísicaBaldrich Rubio, EvaMartínez Rodríguez, Fernando 22015-01-0120152015-01-01Tesi doctoralhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://ddd.uab.cat/record/128803reponame:Dipòsit Digital de Documents de la UABinstname:Universitat Autònoma de BarcelonaEspañolspaopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, i la comunicació pública de l'obra, sempre que no sigui amb finalitats comercials, i sempre que es reconegui l'autoria de l'obra original. No es permet la creació d'obres derivades.https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:ddd.uab.cat:1288032026-06-06T12:50:31Z
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