Plastic and paper platforms for nanoparticle based immunosensors

Abstract

La tesis titulada “Plastic and paper platforms for nanoparticle based immunosensors” presentada como compendio de publicaciones, muestra avances significativos en el campo de los biosensores ópticos y electroquímicos. En la introducción (Capítulo 1) se presenta la importancia que tienen tanto los sensores inmunológicos basados en nanopartículas como los biosensores basados en plataformas de papel y nanomateriales para aplicaciones en diagnóstico. Ambas plataformas destacan por la versatilidad y facilidad de uso, bajo coste y tamaño reducido, lo que hace que sean unos dispositivos excelentes para aplicaciones en países en vías de desarrollo así como para el diagnóstico en casa por el propio paciente o en el consultorio médico. En el Capítulo 2 los objetivos de la tesis están presentados. En la primera parte del Capítulo 3, se explica cómo el tamaño de las nanopartículas de oro afecta a sus propiedades electroquímicas y, por consiguiente, a su detección. Se ha demostrado que para nanopartículas inferiores a 20 nm de diámetro, los efectos Brownianos disminuyen la velocidad de deposición de las nanopartículas en solución, lo que debe ser tenido muy en cuenta para aplicaciones en las que las nanopartículas de oro actúen como marcadores en biosensores. En la segunda parte, se trata sobre el desarrollo de un novedoso método de funcionalización de nanopartículas de oro con anticuerpos. Este método está basado en la interacción entre las cargas positivas que tienen los anticuerpos a pH inferior al de su punto isoeléctrico y las cargas negativas de la superficie de las nanopartículas de oro. Con este método es posible controlar la orientación de los anticuerpos y esto implica poder detectar una menor cantidad de analito (en este caso se uso la inmunoglobulina humana G como proteína modelo). Comparando este método con otro en donde no se controla la orientación, se ha obtenido un límite de detección un orden de magnitud mejor y se ha podido detectar la proteína modelo en una muestra real. En cuanto a la aportación en el campo de los biosensores ópticos, se ha desarrollado un sensor inmunológico basado en inmunoensayos de flujo lateral (LFIA) en papel, aplicado para la detección de inmunoglobulina G humana como se recoge en el Capítulo 4. Esta tecnología destaca por su aplicabilidad y bajo coste (similares a los populares test de embarazo). En esta tesis se han desarrollado dos modificaciones de la tecnología que, sin implicar pérdida en su simplicidad de uso y bajo coste, han aumentado los límites de detección en un orden de magnitud. Una de las modificaciones consiste en unos cambios de la geometría de las tiras que permiten la pre-concentración del complejo analito-marcador en la zona de detección. Esto implica que se puede detectar menor concentración de analito. La otra estrategia consiste en el desarrollo de un doble marcador, donde las nanopartículas de oro están acopladas a un enzima. De esta manera en el LFIA se puede obtener como señal el color rojo de las nanopartículas de oro, como se usa comúnmente, o es posible añadir el substrato del enzima para que catalice una reacción que genere un producto coloreado, que se suma al color rojo de las nanopartículas de oro, aumentando la intensidad del color y mejorando los límites de detección de analito. Ambas modificaciones permiten el uso de este tipo de sensores en una mayor variedad de campos, donde un límite de detección más bajo es necesario. Finalmente, en el Capítulo 5, se presenta también la integración de un transductor electroquímico en soporte de papel. Esta novedosa plataforma, presentada en la tesis como instrumento para la detección de nanopartículas, permite una fácil integración en sistemas ópticos como los LFIAs añadiendo la posibilidad de una cuantificación más precisa.

The thesis entitled “Plastic and paper platforms for nanoparticle based immunosensors” is presented as a compendium of publications and shows important improvements in the field of biosensors. In the Introduction (Chapter 1) the importance of immunosensors based on nanoparticles and on paper platforms is discussed. The resulting systems are versatile, easy-to-use, cheap and of small size, making them excellent devices for their use in third world countries as well as for home-diagnostics. The objectives of the thesis are presented in Chapter 2. Chapter 3 is divided into two main parts; in the first one it is explained that the size of gold nanoparticles (AuNPs) affects their electrochemical properties, and so their detection. It is shown that for AuNPs with a diameter smaller than 20 nm, the Brownian effects make the deposition of AuNPs in solution slower. This must be carefully considered for those biosensors in which the AuNPs are used as labels. In the second a new method to functionalize AuNPs with an oriented antibody is explained. The method is based on the interaction between the positive charges of the antibody, when the pH of the solution is lower than the isoelectric point, and the negative charges of the AuNP surface. In this way it is possible to control the antibody orientation so more antigen molecules can be captured. In this work the human immunoglobulin G (HIgG) was used as model protein. Comparing this method with one that does not control the orientation, an improvement of one order of magnitude in the limit of detection was achieved. Furthermore, the HIgG was detected in real human serum. Regarding the optical biosensors, the development of a lateral flow immunoassay (LFIA) that was used for the detection of HIgG is explained in Chapter 4. This technology stands out for its applicability in several fields and low cost (consider pregnancy tests strips). In this thesis two modifications of the technology are presented improving the limit of detection up to one order of magnitude, without losing the simplicity in the use and the low cost of the analysis. The first modification changes the geometry of the strip allowing the pre-concentration of the antigen-label conjugates on the test zone. In this way less concentrations of analyte are detectable. The second strategy uses as label an AuNPs-enzyme conjugate. In this way it is possible to consider as signal the red color of the AuNPs (as commonly used in the LFIA) or, adding the substrate of the enzyme, the color produced by the catalyzed reaction. The colored product adds intensity to the red of the AuNPs improving the limit of detection of the LFIA. The proposed modifications expand the applicability of this platform to fields, where better limits of detection are required. Finally, in Chapter 5, the integration of a screen printed electrode onto a paper platform is presented. This new platform, used for the detection of nanoparticles, allows an easy integration in paper-based optical sensors, such as LFIA, adding the possibility to a more precise quantification.