Monolithically integrated polymeric Lab-on- (Bio)Chips with photonic/electrochemical detection

Abstract

En esta Tesis de Doctorado se han desarrollado sistemas lab-on-a-chip (LOC) funcionalizados de bajo coste para su uso como herramientas analíticas en aplicaciones medio ambientales y biomédicas. Inicialmente se exploró el potencial de LOCs fotónicos (PhLOC) previamente definidos en nuestro grupo, como sistemas en análisis. Se aplicaron sistemas microfluídicos de Reflexión Interna Múltiple (MIR) fabricados en polímeros de bajo coste, como polydimetilsiloxano (PDMS), siguiendo un procedimiento rápido de fabricación, en la detección de diferentes analitos (células e iones de metales pesados) y su funcionamiento se comparó con el de otras técnicas analíticas más convencionales. Para dotar de selectividad a los PhLOCs se desarrollaron y compararon diferentes protocolos de modificación de superficies para la inmovilización de proteínas en los materiales poliméricos utilizados para la fabricación de estos sistemas. Estos métodos mantienen inalteradas las propiedades ópticas y estructurales del material. Se utilizó la peroxidasa de rábano (HRP) como proteína modelo para estos estudios, y las superficies biofuncionalizadas resultantes se testaron mediante la medición de la actividad enzimática en la reacción de reducción de peróxido de hidrógeno en presencia del mediador redox 2,2’azino-bis (3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS), cuyo producto enzimático de color verde pudo ser detectado mediante medidas de absorbancia. Se midió la robustez del proceso de inmovilización mediante la medida de la actividad del HRP durante un periodo superior a un mes. Finalmente, se añadieron nuevos componentes fluídicos y funcionalidades a los PhLOCs previamente aplicados para mejorarsu desempeño. Estructuras microfluídicas tales como mezcladores biofuncionalizados (actuando en consecuencia como reactores) se integraron monolíticamente con el MIR, dando lugar a un PhLOC con mejores prestaciones analíticas. Estos nuevos elementos disminuyeron el tiempo de análisis y el volumen de muestra y reactivo. Con la integración de una celda electroquímica de oro en el substrato, se desarrolló un LOC con lectura de medida dual (DLOC), que permitió la transducción simultánea óptica y electroquímica e hizo el sistema desarrollado autoverificable, mejorando así su fiabilidad. Se mostró el potencial de este DLOC mediante el desarrollo de una herramienta analítica para la medida de glucosa. Se inmovilizaron glucosa oxidasa (GOx) y HRP siguiendo el protocolo desarrollado en esta Tesis y se aplicaron como receptores específicos para la detección de glucosa basada en una reacción enzimática en cascada utilizando el mediador redox ABTS. Como estudio adicional, se testó la aplicabilidad del protocolo de funcionalización en diferentes polímeros y también se llevó a cabo la inmovilización de componentes biológicos diferentes a enzimas.

In this PhD Thesis low-cost functionalized Lab-on-(bio)Chip systems (LOC) for their use as analytical tools for environmental and biomedical applications have been developed. Based on photonic LOC approaches (PhLOC) previously defined in our group, the potential of these devices in analysis was explored first. Multiple Internal Reflection (MIR) optofluidic systems made of cost-effective polymers, such as polydimethylsiloxane (PDMS), using rapid fabrication processes were applied for the detection of different analytes (cells and heavy metal ions) and their performance compared with other more conventional analytical techniques. In order to confer selectivity to the PhLOCs, different surface modification protocols for protein immobilization on the polymeric materials used in this work were developed and compared. These methods keep the optical and structural properties of the material unaltered. Horseradish peroxidase (HRP) was chosen as a model protein in these studies, and the resulting biofunctionalized surfaces tested by measuring the enzymatic activity to hydrogen peroxide in the presence of 2,2’azino-bis (3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) redox mediator, whose green colored enzymatic product could be detected by absorbance measurements. The stability of the immobilized HRP was also tested for periods longer than one month. Finally, other fluidic components and functionalities were added to the previously applied PhLOCs in order to enhance their performance. Microfluidic structures such as biofunctionalized mixers (therefore also playing the role of reactors) were monolithically integrated with a MIR, resulting in a PhLOC with enhanced analytical performance. These new elements decreased the analysis time and sample / reagent volumes. With the integration of a gold electrochemical cell in the substrate, a dual readout LOC (DLOC) was developed, which enabled simultaneous optical and electrochemical transduction and made the developed system self-verifying, thereby improving its reliability. The potential of this DLOC was shown by developing an analytical tool for measuring glucose. Glucose oxidase (GOx) and HRP were immobilized following the protocol developed in this Thesis and applied as the specific receptors for the detection of glucose based on an enzymatic cascade reaction also using ABTS redox mediator. As an additional study, the applicability of the developed functionalization protocol was tested on different polymers and the immobilization of biological components other than enzymes was also carried out.