Desenvolupament de biosensors amb enzims oxidoreductases basats en transductors amperomètrics modificats químicament

Abstract

La present tesi doctoral recull l'estudi de diverses modificacions químiques de sensors amperomètrics, adreçades cap a cercar solucions per als problemes típicament implícits en el desenvolupament de biosensors basats en enzims oxidoreductases, alhora que es busca la compatibilitat d'aquestes modificacions amb les estratègies d'immobilització enzimàtica emprades.<br/>La primera part del treball inclou el desenvolupament de quimiosensors reproduïbles i estables per a la determinació del cofactor NADH, del qual depenen els enzims deshidrogenases, i del compost peròxid d'hidrogen, obtingut com a producte de les reaccions en què participen gran part dels enzims oxidases. Els quimiosensors per a la determinació de NADH s'han basat en l'ús de diferents mediadors d'oxidació-reducció, mitjançant vàries estratègies d'incorporació als sistemes de detecció amperomètrica (en solució, per adsorció sobre la superfície electròdica o en membranes de Nafió, incorporats en matrius polimèriques de compòsits de grafit-epoxi, electropolimeritzats o immobilitzats en membranes de polisulfona). Els quimiosensors basats en membranes de polisulfona han mostrat nombrosos avantatges respecte la resta de quimiosensors desenvolupats. De fet, la polisulfona es presenta en aquest estudi com a un bon material polimèric per al desenvolupament de quimiosensors amperomètrics, atès que aconsegueix evitar els problemes de passivació de la superfície electròdica implícits en la determinació del cofactor NADH, i al mateix temps permet una retenció excel·lent dels mediadors immobilitzats al seu interior, amb una absència total de pèrdues d'aquestes espècies per dissolució. D'altra banda, en relació al desenvolupament de quimiosensors per a la determinació de peròxid d'hidrogen, s'han sintetitzat gels de sílice que incorporen diferents metalls que actuen com a catalitzadors dels processos d'oxidació i reducció del peròxid d'hidrogen. Aquests gels s'han dipositat com a mescles del corresponent xerogel amb acetat de cel·lulosa i polietilenglicol, a fi d'aconseguir membranes que minimitzen les limitacions d'aquest tipus de materials (formació d'esquerdes, absorció d'aigua,...). S'han emprat diferents tècniques d'anàlisi amb l'objectiu de dur a terme estudis de caracterització dels quimiosensors basats en membranes de polisulfona i en xerogels modificats amb metalls.<br/>La segona part del treball es va dedicar al desenvolupament de biosensors basats en diversos enzims oxidoreductases, mitjançant l'ús dels quimiosensors prèviament desenvolupats. Els quimiosensors per a NADH s'han adaptat per al desenvolupament de biosensors per a lactat, basats en la incorporació de l'enzim L-lactat deshidrogenasa en matrius de gels de sílice i en membranes de polisulfona, i de biosensors per a ió amoni, basats en la incorporació de l'enzim glutamat deshidrogenasa en polímers de mediador o en membranes de polisulfona. També es va desenvolupar un biosensor bienzimàtic per a la determinació d'urea, basat en la incorporació dels enzims glutamat deshidrogenasa i ureasa en membranes de polisulfona. D'altra banda, els quimiosensors per a peròxid d'hidrogen s'han emprat per al desenvolupament de biosensors per a glucosa, basats en la incorporació de l'enzim glucosa oxidasa en gels de sílice mitjançant vàries configuracions diferents. Els biosensors desenvolupats han demostrat la capacitat de les membranes de polisulfona i dels gels de sílice per a incorporar enzims. A més, en alguns casos, com el biosensor per a ió amoni, s'han aconseguit unes característiques analítiques excel·lents (sensibilitat elevada, intervals lineals amplis, temps de resposta curts, bona reproductibilitat entre corbes de calibració successives,...).<br/>Finalment, la darrera part del treball es va basar en l'adaptació dels quimiosensors i biosensors desenvolupats, basats en una configuració cilíndrica, a una configuració plana, mitjançant processos de serigrafia, i la seva posterior implementació en sistemes de flux.

The aim of this work was the study of different chemical modifications of amperometric sensors in order to minimise the problems involved in the development of biosensors based on oxidoreductase enzymes, trying to find compatibility between the used chemical modifications and the employed enzymatic immobilisation strategies.<br/>The first part of the work was devoted to the development of reliable and stable chemosensors for the determination of NADH cofactor and hydrogen peroxide, for the further development of dehydrogenase- and oxidase-based biosensors, respectively, since dehydrogenase enzymes are NAD-dependent and most of the oxidase enzymes involve hydrogen peroxide as a reaction product. Chemosensors for the determination of NADH were based on the incorporation of different electron mediators, using several incorporation strategies into the amperometrical detection system (in solution, by adsorption onto the electrode surface or onto Nafion membranes, by incorporation inside polymeric matrices of graphite-epoxy composites, by electropolymerization or by immobilisation inside polysulfone membranes). Chemosensors based on polysulfone membranes have shown many advantages in front of the other developed chemosensors. In fact, polysulfone is presented for the first time as an adequate polymeric material for the development of amperometric chemosensors, since it avoids the fouling surface problems typically involved in the amperometric determination of NADH cofactor, while at the same time allows an excellent retention of the immobilised mediators inside the membrane, without leakage of the immobilised species into the solution. On the other hand, in relation to the development of chemosensors for the determination of hydrogen peroxide, several sol-gels have been synthesised, which incorporate different metals acting as catalysts for the oxidation and reduction processes of hydrogen peroxide. These sol-gels have been mixed with cellulose acetate and polyethyleneglycol in order to be deposited as membranes, minimising the limitations of this kind of materials (cracking, water absorption,...). Different analysis techniques have been used with the aim of characterising the final chemosensors based on polysulfone membranes and metal-modified-xerogels. <br/>The second part of the work was directed towards the development of biosensors based on different oxidoreductase enzymes, using the previously developed chemosensors. Chemosensors for NADH have been used for developing lactate biosensors, based on the incorporation of L-lactate dehydrogenase enzyme inside sol-gel matrices and polysulfone membranes, and ammonium biosensors, based on the entrapment of glutamate dehydrogenase enzyme inside electropolymerized mediators or polysulfone membranes. Furthermore, a urea bienzymatic biosensor was developed, based on the incorporation of glutamate dehydrogenase and urease enzymes inside polysulfone membranes. On the other hand, chemosensors for hydrogen peroxide have been used for developing glucose biosensors, based on the immobilisation of glucose oxidase enzyme in sol-gels using different configurations. Both strategies, based on polysulfone membranes and sol-gels, have shown the ability of these membranes to incorporate enzymes into the biosensor configuration. Additionally, some of the developed biosensors, such as the ammonium biosensor, have achieved excellent analytical characteristics (high sensitivity, wide linear ranges, fast response times, good reproducibility among successive calibration curves,...).<br/>Finally, the last part of this work was based on the application of screen-printing technology for the preparation of the developed chemosensors and biosensors with a planar configuration, and their further implementation in flow systems.