Nanobiosensors for diagnostics applications

Abstract

Durante el desarrollo de esta tesis doctoral se explica el desarrollo de innovadoras plataformas basadas en nanomaterials con aplicaciones tanto ambientales como para el diagnóstico. La primera plataforma presentada, tiene la ventaja que confieren los polímeros molecularmente impresos (MIPs) y de las nanopartículas magnéticas para la detección de contaminantes usando técnicas electroquímicas. La segunda plataforma aquí presentada consiste en un immunoensayo de flujo lateral, donde los quantum dots (QDs) son usados como una fuente de fotoluminiscencia y el grafeno oxidado como un quencher para medidas de fluorescencia. En el capítulo 1, se presenta el tópico de la tesis y muestra el estado del arte en lo referente a nanomateriales conectados tanto a receptores biológicos como sintéticos para aplicaciones en la biodeteccion. En este capítulo se discutirá como los anticuerpos (receptores biológicos) and polímeros de impresión molecular (receptores sintéticos) pueden mejorar la sensibilidad, estabilidad y especificidad de los biosensores para un gran número de diferentes analitos y diferentes métodos transductores, yendo desde métodos ópticos a electroquímicos. En el capítulo 2 los objetivos de la tesis son explicados. En el capítulo 3 y capítulo 4, dos sensores diferentes basados en nanopartículas magnéticas decoradas con polímeros de impresión molecular (MIP) como un receptor sintético para la detección de sulfonamidas y tributyltin serán presentados. En ambos sensores, espectroscopia de impedancia electroquímica es usada como método transductor. El primer sensor (capítulo 3) se publicó en “Anal. Chem. 2016, 88, 3578−3584” y el segundo (capítulo 4) en “Electrochem. Commun. 2017, 10.1016/j.elecom.2017.07.007”. Dos MIPs fueron fabricados usando (i) pyrrole y acido metacrilico para sulfonamidas, and (ii) EGDMA and APTS para el tributyltin. Además de los métodos de fabricación como la actuación analítica incluyendo su aplicación en muestras reales serán explicados con detalle en cada capítulo En el capítulo 5, se presenta un immunoensayo de flujo lateral cuyas propiedades fotoluminescentes pueden ser modulado tras el reconocimiento de proteínas mediante las capacidades de apagamiento por fotoluminiscencia del óxido de grafeno (GO). El ensayo será utilizado para la detección de una proteína modelo en suero humano, esta es Inmunoglobulina G, con el interés de demostrar Plataforma de detección de proteínas virtualmente universal. El sistema propuesto presenta un bajo límite de detección mejorando los sistemas convencionales basados en flujo lateral con nanopartículas de oro para la detección del mismo analito en un solvente estándar. Además el sistema es capaz de alcanzar excelentes límites de detección en matrices complejas como el suero humano. Finalmente, en el capítulo 6, las conclusiones generales y futuras perspectivas serán discutidas. Se incluye también un anexo con todas las publicaciones realizadas durante el desarrollo de la tesis.

This PhD thesis describes the development of innovative nanomaterials-based platforms with interest for environment as well as other diagnostics applications. The first platform takes advantages of molecularly imprinted polymers (MIPs) and magnetic nanoparticles for electrochemical detection of contaminants. The second one consists in a lateral flow immunoassay, where quantum dots (QDs) are used as photoluminescence source and graphene oxide as quencher to perform fluorescence measurements. Chapter 1 is an introduction in the topic and shows the state of the art of nanomaterials connected to biological and non-biological receptors for bio/sensing applications. This chapter discusses how antibodies (biological receptor) and molecularly imprinted polymers (non-biological-receptors) can improve the sensitivity, stability and specificity of the bio/sensing systems for a large number of analytes and different transducer methods, ranging from optical to electrochemical techniques. In Chapter 2, the objectives of the thesis are explained. In Chapter 3 and Chapter 4, two different sensors based on magnetic nanoparticles decorated with molecularly imprinted polymer (MIP) as non-biological receptor for sulfonamide and tributyltin detection are presented. In both sensors, the electrochemical impedance spectroscopy is used as a transduction method. The first sensor (chapter 3) has a related paper in “Anal. Chem. 2016, 88, 3578−3584” and the second sensor (chapter4) is related to the paper published in “Electrochem. Commun. 2017, 10.1016/j.elecom.2017.07.007. Two MIPs are fabricated using: (i) pyrrole and methacrylic acid for sulfonamide, and (ii) EGDMA and APTS selective to tributyltin. Moreover, the fabrication methods as well as the analytical performance including their application in real samples are explained in detail in each chapter. In Chapter 5, is presented a lateral flow immunoassay whose photoluminescent properties can be modulated upon protein recognition via the photoluminescence quenching capabilities of graphene oxide (GO). The assay is intended for the detection of a model protein in human serum, that is, human immunoglobulin G, with the aim to demonstrate a virtually universal protein detection platform. The proposed system shows a low limit of detection improving the conventional lateral flow with gold nanoparticles for the detection of the same analyte in standard buffer. Also the system is able to achieve excellent limits of detection in a complex matrix such as human serum. Finally, in Chapter 6, the general conclusions and the future perspectives are discussed. In addition, annex reports all the publications resulted during the development of this PhD thesis.