Improved biosensing applications using lab-on-a-chip and other platforms

Abstract

Las plataformas Micro / Nanofluídicas, simples y miniaturizadas son especialmente interesantes debido a sus ventajas como la reducción de los volúmenes de muestra y reactivos, la disminución del tiempo de análisis, la posibilidad de portabilidad y la integración de técnicas analíticas convencionales. Además, es importante señalar el papel que pueden jugar los nanomateriales en términos de mejora de las propiedades electroquímicas después de ser integrados en plataformas microfluídicas, o incluso modificaciones superficiales de los transductores. Así, la combinación de la nanotecnología, la electroquímica y la microfluícia, podría proporcionar una plataforma de detección muy potente, por lo que, en esta Tesis se estudian diferentes dispositivos microfluídicos con transductores electroquímicos integrados para aplicaciones bioanalíticas. En esta Tesis se exponen también los aspectos generales y los resultados experimentales, a partir de una introducción general, la cual presenta los trabajos más recientes relacionados con el uso de nanomateriales y tecnologías lab-on-a-chip como una sinergia prometedora para una amplia gama de aplicaciones. Después se presenta la detección electroquímica de proteínas mediante el uso de puntos cuánticos como marcadores. En primera instancia, se describe un chip microfluídico híbrido compuesto por una canal de polidimetilsiloxano flexible (PDMS) y policarbonato (PC) como substrato. Este substrato a su vez tiene impreso electrodos serigrafiados integrados de carbono (SCPE). El dispositivo desarrollado combina las ventajas de los chips microfluídicos flexibles, tales como su bajo coste, la posibilidad de ser desechables y la susceptibilidad de ser producidos en masa con las ventajas de la electroquímica por su facilidad de integración y la posibilidad de ser miniaturizables. En la segunda parte, se realizó la detección electroquímica de puntos cuánticos como marcadores en un ensayo para la determinación de un biomarcador de la enfermedad de Alzheimer: Apolipoproteína E (ApoE). El inmunocomplejo se llevó a cabo mediante el uso de partículas magnéticas tosilactivadas, las que fueron a su vez utilizadas como plataforma de preconcentración de muestra dentro de un canal microfluídico. Debido a la necesidad de lograr límites inferiores de detección en inmunoensayos, en esta Tesis se han propuesto diferentes estrategias para mejorar la sensibilidad de los dispositivos. La primera de ellas es el uso de un campo magnético para inmovilizar una mayor cantidad de partículas magnéticas en una disposición controlable dentro de un canal microfluídico con el fin de obtener una zona de precocentración, donde se lleva a cabo el inmunoensayo. La segunda estrategia que se presenta en esta Tesis es el uso de un sistema de reciclaje de fabricación propia. En esta parte, el incremento de la señal de los puntos cuánticos se demuestra mediante el uso de una bomba peristáltica externa conectada a un chip microfluídico que forma un sistema cerrado. Después de esta demostración, se propuso una micro-bomba peristáltica con válvulas integradas. Todas las etapas de fabricación se optimizaron así como también se desarrolló un software para su control. Por último, el bismuto, que es un material bien conocido para aglomerar los metales pesados, fue usado para aglomerar los puntos cuánticos cuyo núcleo está formado por cadmio II, de esta forma se pudo mejorar la señal electroquímica mediante la reducción de los QDs junto con el Bismuto III. Diferentes optimizaciones fueron hechas usando canales microfluídicos. Adicionalmente, se presentan otras nueva plataforma basada en diamante dopado con boro, transductor utilizado para la determinación electroquímica de la atrazina basado en el desarrollo de un magneto-inmunoensayo. Este inmunoensayo se realizó mediante un ensayo competitivo con peroxidasa de rábano silvestre (HRP) como marcador enzimático y micropartículas magnéticas como plataforma de preconcentración. Otra plataforma propuesta es el transistor orgánico de efecto campo de doble puerta, como transductor para biosensores, desarrollado por la tecnología de inyección de tinta sobre un substrato flexible. Este tipo de transistores orgánicos tiene ventajas importantes para biosensores en términos de coste de fabricación y biocompatibilidad, así como su posibilidad de integración en microcanales. Para demostrar la aplicabilidad de este dispositivo en el campo biológico, se ha funcionalizado su capa externa con un anticuerpo de captura que detecta una proteína modelo sin ningún marcador. Se realiza la fabricación del dispositivo, teniendo en cuenta su estructura, los materiales que lo componen, sus características eléctricas y posibles aplicaciones. Por último, se exponen las conclusiones generales y futuras propuestas.

Simple and miniaturized micro / nanofluidic platforms are especially interesting due to their advantages like the reduction of sample and reagent volumes, the decrease of the analysis time, the possibility of portability and the integration of conventional analytical techniques. Furthermore it is important to point out the role that nanomaterials can play in terms of enhancing electrochemical properties after being integrated into the microfluidic platform or even in the electrode, where the detection event will be performed. Combined together, nanotechnology, electrochemistry and microfluidics could provide a really powerful biosensor platform, thus in the present Thesis different microfluidic platforms with integrated electrodes as transducers in biosensing applications were evaluated. General aspects and experimental results are exposed, starting from a General Introduction that describes various aspects related with the use of nanomaterials and lab-on-a-chip technologies as a promising synergy for a wide range of applications. The electrochemical detection of proteins (ex. Apolipoprotein-E, ApoE) by using CdS or CdSe@ZnS Quantum Dots (QDs) as labels has been one of the main objectives of this Thesis. The immunocomplex was performed by using tosylactivated magnetic beads as preconcentration platform into the same microfluidic system. Due to the need to achieve a lower limit of detection of the immunoassays, different strategies for electrochemical signal enhancing are proposed. The first one is the use of a magnetic field to immobilize magnetic beads in a controllable way into a microfluidic channel in order to obtain a stable magnetic plug where the immunoassay is performed. The second strategy is the use of a home-made recycling system. In this part, the increasing signal of QDs is demonstrated by using an external peristaltic pump connected to a microfluidic chip forming a loop system. After this demonstration, a micro-peristaltic pump with integrated valves is also proposed. All the fabrication steps have been optimized and the software for sequential control of the valves also has been developed. Finally, bismuth is used as it is a well-known material that agglomerates with heavy metals. We took advantages of this property for improving the electrochemical signal of QDs, due to the cadmium content that QDs have in their core. Optimization of the bismuth concentration has been done in order to achieve the highest signal. This detection has been performed in batch system as well as in microfluidic mode. In addition, another novel platform for electrochemical determination of a pesticide (atrazine) based on magneto-immunoassay using boron-doped diamond (BDD) electrode is presented. BDD electrode has been modified by electroreduction of potassium tetrachloroplatinate (K2PtCl4) in order to grow platinum nanoparticles (Pt-NPs) onto the electrode surface. The immunoassay was based on a direct competitive assay using horseradish peroxidase (HRP) as enzymatic label and magnetic microparticles as preconcentration platform.

A flexible organic double gate Bio-Field Effect Transistor (Bio-FET) developed by inkjet technology onto a flexible substrate is also presented. This kind of organic transducers has important advantages for biosensors in terms of fabrication cost and biocompatibility as well as their integration into microchannels. To demonstrate the applicability of this device in the biological field, its functionalization with a capture antibody, in order to detect a model protein in a label-free mode was performed. The device fabrication, its structure, materials composition optimization, electrical characteristics and other functionalities are also discussed. Finally, the general conclusions are exposed including some opinions / recommendations for further continuation of the research in the field.