Nano/micromaterials and motors in (bio)sensing applications

Abstract

El disseny i la caracterització de plataformes analítiques i miniaturitzades, modificades amb diferents nanomaterials (tals com nanotubs de carboni o nanocables), s’ha portat a terme per a la seva posterior aplicació en la detecció de diversos analits d’interès (com per exemple fenol, glucosa, o la captura d’oli). Cal destacar que en alguns casos les plataformes sensores s’han modificat prèviament amb entitats biològiques que aporten selectivitat i sensitivitat a l’estudi analític. Referent als processos en absència de flux (mode batch), el elèctrodes serigrafiats de capa gruixuda (screen-printed electrodes, SPE) s’han modificat amb nanotubs de carboni, demonstrant un comportament analític excepcional per a aplicacions mediambientals. La detecció de fenol, modificat amb l’enzim de Tyrosinasa, va ser caractertizat mitjançant diferents tècniques de microscòpia com SEM, TEM o microscòpia confocal (CSLM), les quals van permetre obtenir una sèrie de dades estadístiques referents a la morfologia del material, alhora que van permetre determinar la distribució de la Tyrosinasa en la matriu sensora. Es van estudiar diferents mètodes d’immobilització, a més a més de ser implementat en un sistema de d’anàlisi per injecció en flux. A més a més, els SPE modificats amb nanocables d’or i plata, donant lloc a una plataforma sensor de glucosa que treballa en absència d’enzim, mitjançant la mesura de corrent produïa per l’oxidació directa de la glucosa sobre la superfície de l’elèctrode. Els estudis es van portar a terme a partir de la implementació de tècniques de cronoimpedància. El desenvolupament de noves plataformes nanoestructurades preparades a partir de la deposició alternada de nanopartícules de Prussian Blue, prèviament modificades amb ciclodextrina, amb polyallylamine (PAH) va permetre la creació d’una estructura supramolecular microcúbica. Aquestes plataformes presenten un comportament molt interessant electroquímicament, ja que els seus pics de corrent catòdics i anòdics augmenten amb el número de bicapes, indicant que efectivament les nanopartícules estan connectades elèctricament entre les multicapes. Cal destacar també la combinació de partícules paramagnètiques en un microchip d’electroforesis. Mitjançant la combinació d’un camp magnètic extern, l’electroforesis i tècniques electroquímiques, es va aconseguir la detecció de fenol (com a indicació de la immunodetecció). En aquest cas concret la detecció de fenol es va portar a terme per a seguir la hidròlisis de la phenol phosphate portat a terme per l’enzim alkaline phosphatase (AP) (immobilitat en les partícules magnètiques). El sistema requereix molt poc volum de mostra, alhora que presenta molts avantatges per a la seva versatilitat i per ser un sistema miniaturitzat que permet la renovació del la plataforma immunoespecífica. Finalment, s’ha desenvolupat una plataforma dinàmica a partir de la implementació de motors a la nano/microescala per a aplicacions mediambientals, a partir de la creació d’una superfície exterior superhidrofòbica que interactua amb substàncies olioses capturant-les. El desenvolupament de diferents plataformes, a més a més de la posterior integració de nano/micromaterials que han millorat significativament el seu comportament a nivell analític, ha mostrat resultats excel·lents en la detecció d’analits d’interès ambiental i mediambiental, projectant-se com a un element clau en sistemes monitoritzats i altres plataformes analítiques d’interès.

The design and characterization of novel miniaturized (bio)sensing platforms and devices modified with different nanomaterials, such as carbon nanotubes or nanowires, have been achieved. These platforms and devices have been applied in the detection of various analytes (e.g. phenol, glucose, oil droplets), in some cases closely related to the previously immobilization of biological entities that confer selectivity and sensitivity to the analytical platform. Regarding batch platforms, screen-printed electrodes (SPE) modified with carbon-nanotubes has demonstrated to be a potential analytical platform for environmental purposes by being applied for phenol detection in case of being modified by tyrosinase enzyme. The characterization of modified SPE by SEM, TEM and Confocal Scanning Laser Microscopy (CSLM) has brought the necessary statistical data over the morphological properties of the nano/micromaterials treated and the distribution of tyrosinase enzyme along the sensor matrix. Several immobilization approaches have been developed and the present system has been integrated in a Flow Injection Analysis (FIA). Additionally, carbon nanotubes modified SPE with gold-silver nanowires has resulted in a non-enzymatic electrochemical glucose sensor, based on the measurement of the current response during the direct glucose oxidation on the electrode surface by chronoimpedance technique (CIT) studies. The development of novel assembled nanoplatform taking advantage of layer by layer depositions from Prussian blue (PB) - cyclodextrin (CD) nanoparticles (NPs) with polyallylamine (PAH) was designed, showing a microcubic supramolecular like organitzation. Such platforms present interesting electrochemical behaviour, as the cathodic and anodic peak currents increased with the number of bilayers, indicating that PB nanoparticles are electrically connected within multilayers. Moreover, the combination of paramagnetic particles with microchip electrophoresis, external magnetic field manipulations, and coupled to EC detection permitted the detection of phenol (as indicator for immunodetection) by using low reagent consumption, in addition to the inherent miniaturization and versatility of such miniaturized system. Phenol detection was achieved by following the hydrolysis of phenyl phosphate by alkaline phosphatase (AP) enzyme linked to the magnetic beads (MBs), which resulted in a very interesting system due to the possibility to renew the immuno-specific support. Finally, an alternative and dynamic analytical platform was developed through the implementation of artificial nano/microscale machines for environmental remediation applications based on the creation of a superhydrophobic outer surface to strongly interact and capture oily liquids has been achieved. The development of different platforms, along with the wide range of nano/micromaterials integrated on them as to improve their analytical performance, have shown good results towards the detection of analytes of interest in health and environmental issues, being envisioned future key components of monitoring systems and other analytic platforms of interest.