Development and Application of Colorimetric Assays and Electrochemical Biosensors in Seafood Safety

Abstract

L’objectiu d’aquesta tesi és contribuir al desenvolupament i l’aplicabilitat d’assaigs colorimètrics i biosensors electroquímics per a la detecció de toxines marines i amines biogèniques, facilitant el camí a la implementació de dispositius de baix cost, senzills i fiables per a la seguretat alimentària en peixos i marisc. S’han desenvolupat immunoassaigs colorimètrics per a la detecció de toxines del grup de l’àcid okadaic i tetrodotoxines utilitzant monocapes autoassemblades. Els immunoassaigs per a la detecció d’àcid okadaic s’han aplicat a l’anàlisi de mostres d’aigua de mar per a l'aplicació en programes de vigilància, mentre que els immunoassaigs per a tetrodotoxines s’han utilitzat en l’anàlisi de mostres de marisc i d’orina humana provinents d’un cas d’intoxicació per peixos globus. S’han obtingut immunoassaigs i immunosensors colorimètrics i electroquímics per a la detecció d’azaspiràcids mitjançant la immobilització de l’anticòs a través d’interaccions de bioafinitat o utilitzant partícules magnètiques com a suports d’immobilització. S’ha demostrat el seu ús com a poderoses eines de detecció per a controlar la presència d’aquestes toxines en musclos. Les partícules magnètiques també s’han utilitzat com a suports d’immobilització en el desenvolupament de biosensors electroquímiques per a amines biogèniques. En aquest cas, el que s’ha immobilitzat són enzims i els biosensors s’han aplicat a la detecció d’amines biogèniques en peix malmès. D’altra banda, també s’ha explorat l’ús de diatomees com a suports nanoestructurats naturals en el desenvolupament de biosensors. En aquest sentit, s’han immobilitzat diatomees biofuncioanlitzades en elèctrodes de manera dirigida mitjançant l’electrodeposició d’or, proporcionant plataformes i arrays de baix cost i eco-sostenibles amb aplicació potencial en biosensors. Els assaigs colorimètrics i els biosensors electroquímics proporcionen eines analítiques potents que poden ser implementades fàcilment en pràcticament totes les etapes de la seguretat alimentària, així com en molts altres àmbits.

El objetivo de esta tesis es contribuir al desarrollo y la aplicación de ensayos colorimétricos y biosensores electroquímicos para la detección de toxinas marinas y aminas biogénicas, allanando el camino hacia la implementación de dispositivos de bajo coste, sencillos y fiables para la seguridad alimentaria en pescados y mariscos. Se han desarrollado inmunoensayos colorimétricos para la detección de toxinas del grupo del ácido okadaico y tetrodotoxinas utilizando monocapas autoensambladas. Los inmunoensayos para la detección del ácido okadaico se han aplicado en muestras de agua de mar para la aplicación en programas de vigilancia, mientras que los inmunoensayos para tetrodotoxinas se han utilizado en el análisis de muestras de marisco y de orina humana provenientes de un caso de intoxicación por pez globo. Se han obtenido inmunoensayos e inmunosensores colorimétricos y electroquímicos para la detección de azaspirácidos mediante la inmovilización del anticuerpo a través de interacciones de bioafinidad o utilizando partículas magnéticas como suportes de inmovilización. Se ha demostrado su uso como poderosas herramientas de detección para controlar la presencia de estas toxinas en mejillones. Las partículas magnéticas también se han utilizado como soportes de inmovilización en el desarrollo de biosensores electroquímicos para aminas biogénicas. En este caso, lo que se ha inmovilizado han sido enzimas y los biosensores se han aplicado a la detección de aminas biogénicas en pescado deteriorado. Por otra parte, también se ha explorado el uso de diatomeas como soportes nanoestructurados naturales en el desarrollo de biosensores. En este sentido, se han inmovilizado diatomeas biofuncionalizadas en electrodos de manera dirigida mediante la electrodeposición de oro, proporcionando plataformas y arrays de bajo coste y eco-sostenibles con aplicación potencial en biosensores. Los ensayos colorimétricos y los biosensores electroquímicos proporcionan herramientas analíticas potentes que pueden ser implementadas fácilmente en prácticamente todas las etapas de la seguridad alimentaria, así como en muchos otros ámbitos.

This thesis aims to contribute to the development and applicability of colorimetric assays and electrochemical biosensors for the detection of marine toxins and biogenic amines, paving the way towards the implementation of low-cost, simple and reliable devices for seafood safety purposes. Colorimetric immunoassays for the detection of okadaic acid-group toxins and tetrodotoxins are developed using self-assembled monolayers as building blocks. The immunoassays for the detection of okadaic acid are applied to the analysis of seawater samples for monitoring purposes, while the immunoassays for tetrodotoxins are used in the analysis of shellfish samples and human urine samples derived from a puffer fish poisoning incident. Colorimetric and electrochemical immunoassays and immunosensors for the detection of azaspiracids are achieved by the immobilisation of the antibody through bioaffinity interactions on electrodes or using magnetic beads as immobilisation supports. Their use as powerful screening tools to monitor the presence of these toxins in mussels is demonstrated. Magnetic beads are also exploited as immobilisation supports in the development of electrochemical biosensors for biogenic amines. In this case, the beads are used for the immobilisation of enzymes and the enzyme biosensors are applied to the determination of biogenic amines in naturally spoiled fish. Furthermore, the use of diatoms as natural nanostructured supports in the development of biosensors is also explored, where biofunctionalised diatoms are immobilised on electrodes in an addressed way by means of gold electrodeposition, providing low-cost and eco-sustainable platforms and arrays with potential application in biosensing devices. Colorimetric assays and electrochemical biosensors provide powerful analytical tools that can be easily implemented in almost all the stages of food safety as well as in many other areas.