(BIo)analytical microsystems based on the use of nanoparticles. Microreactors for the synthesis of nanoparticles

Abstract

El desarrollo de nuevos procedimientos analíticos e instrumentación automáticos para la monitorización de parámetros (bio)químicos, tales como los que afectan a la calidad del agua, es de especial importancia debido a las graves consecuencias que puede tener el uso o consumo de un agua (bio)químicamente contaminada. Los microsistemas de análisis total o dispositivos Lab-On-a-Chip son cada vez más empleados con este propósito debido a la gran integración y automatización que ofrecen estos dispositivos, a través de la miniaturización, y a la posibilidad de realizar medidas in situ. Por otro lado, el uso de nanopartículas con fines analíticos ha demostrado mejorar la sensibilidad y límites de detección de métodos ópticos. Así, esta tesis se centra en el desarrollo de microsistemas analíticos automatizados que llevan a cabo análisis colorimétricos o fluorimétricos, basados en el uso de nanopartículas como marcadores ópticos, para la rápida detección de analitos o microorganismos de contaminación hídrica, tales como metales pesados o bacterias. Sin embargo, es necesario utilizar nanopartículas con idénticas características físicas para obtener medidas analíticas fiables. Así, la primera parte de este trabajo abarca el desarrollo de microreactores para la síntesis controlada y reproducible de nanopartículas metálicas, semiconductoras y de carbono. Se muestran un total de siete microreactores, en los que se ha realizado un estudio de los parámetros de diseño e hidrodinámicos. Además, se ha implementado un sistema de detección óptica miniaturizado para la monitorización en línea de la síntesis; y se ha desarrollado un módulo térmico que permite alcanzar y controlar temperaturas de hasta 300 ºC para aquellas reacciones que lo requieran. Es de destacar que los microsistemas trabajan de forma automática y programable, lo cual simplifica el procedimiento de síntesis y mejora la reproducibilidad de las nanopartículas obtenidas. La segunda parte del trabajo se centra en el desarrollo de microsistemas analíticos basados en la utilización de las nanopartículas sintetizadas para el análisis de algún parámetro de la calidad del agua. Se han construido y evaluado dos prototipos. El primero de ellos está diseñado para la monitorización de ión mercurio en agua. El sistema se basa en el reconocimiento selectivo del analito mediante un ionóforo (un derivado de la tiourea) unido a la superficie de nanopartículas de oro. La interacción metal-ionóforo provoca un cambio en la banda del plasmón superficial de las nanopartículas, generando una señal óptica cuantificable que se registra en línea mediante un sistema óptico integrado en la plataforma microfluídica. Una vez optimizado, el dispositivo es capaz de detectar hasta 11 ppb de mercurio(II). Finalmente, y como primera aproximación al uso de nanopartículas fluorescentes en microsistemas, se ha desarrollado un prototipo para la determinación de Escherichia coli en agua utilizando como marcador la enzima β-galactosidasa. Este cambio responde a la necesidad de mejorar el sistema óptico miniaturizado (manteniendo su portabilidad y bajo coste), debido a la baja sensibilidad observada cuando nanopartículas fluorescentes fueron usadas como marcadores. El dispositivo desarrollado lleva a cabo un ensayo tipo sándwich de oligonucleótidos, dónde se emplea como sonda diana un oligonucleótido específico del patógeno. El uso de micropartículas magnéticas como sustrato soporte del ensayo permite simplificar y mejorar las distintas etapas del análisis, mientras que el enzima usado como marcador de la sonda de reconocimiento genera un producto coloreado al añadir el sustrato, registrado mediante el sistema óptico miniaturizado implementado. Tras su optimización, es posible detectar 1 ppb de la sonda diana en 20 minutos. Los resultados presentados en este trabajo muestran el gran potencial de los microsistemas analíticos automatizados basados en el uso de nanopartículas para monitorizar la calidad del agua. Se ha demostrado también la idoneidad de los microreactores para la síntesis de nanopartículas.

Demand for new automated analytical procedures and instrumentation for the continuous monitoring of (bio)chemical parameters, such as those affecting water quality, gathers special importance due to the significant consequences that the use or the consumption of (bio)chemically contaminated water might have. µ- Total Analysis Systems or Lab-On-a-Chip devices are increasingly employed with this purpose owing to the high integration and automation of these devices that allow, through miniaturization, the possibility of performing in situ measurements. Besides, the use of nanoparticles with analytical purposes has demonstrated to improve the sensitivity and detection limits of optical methods. Within this general context, the present work is focused on the development of automated analytical microsystems to perform colorimetric or fluorimetric analyses, based on the use of nanoparticles as optical labels, for the rapid detection of water pollutants or organisms, such as heavy metals or bacteria. However, the use of nanoparticles with identical physical characteristics is a must in order to obtain reliable and reproducible analytical measures. Therefore, the first part of this work is addressed to the development of microreactors for the synthesis of metallic, semiconductor and carbon nanoparticles. Seven different ceramic microreactors are developed, in which the influence of the design (dimensions and configuration of the channels) and the hydrodynamic (flow rates and dosage volumes) parameters have been studied. Moreover, a miniaturized optical detection system has been implemented for the in-line monitoring of the synthesis; and a thermal module has been also developed to reach and accurately control temperatures up to 300 ºC for when required. It is important to highlight that all prototypes operate automatically, which simplifies the syntheses and improves the reproducibility of the obtained nanoparticles. The second part focuses on the development of analytical microsystems based on the use of the nanoparticles previously synthesized for water quality analysis. Two different prototypes have been constructed and tested. The first described allows the monitoring of mercuric ion in water. The system is based on the selective recognition of the analyte by an ionophore (a thiourea derivative), attached onto gold nanoparticles surface. The metal-ionophore interaction generates a change on the surface plasmon resonance band of the nanoparticles, resulting in a quantifiable optical signal, which is in-line registered by a miniaturized optical detection system integrated in the microfluidic platform. Once optimized, the device is capable to automatically detect up to 11 ppb of mercuric ion. Finally, and as a first approximation to the use of fluorescent nanoparticles within microsystems, a prototype for the determination of Escherichia coli in water has been developed, which uses the β-galactosidase enzyme as label. This change responds to the necessity of improving the miniaturized optical system (while maintaining its portability and low cost) due to the low sensitivity observed when fluorescent nanoparticles were used as labels, which at the moment is not feasible. An oligonucleotide sandwich assay is performed in the microfluidic system based on the use of a specific oligonucleotide of the pathogen as target. On the other hand, magnetic beads are employed as substrate support of the assay, which allow simplifying and improving the different steps of the procedure, while the enzyme used as probe label generates a coloured product (o-nitrophenol) with the addition of the substrate, which is registered through the miniaturized optical system implemented. Once optimized, the device can detect up to 1 ppb of the target oligonucleotide in only 20 minutes. The presented results demonstrate the great potential of automated analytical microsystems based on the use of nanoparticles for the monitoring of water quality. Similarly, the suitability of microreactors for the synthesis of nanoparticles has been well proved.