Design and application of nanomaterial-based lateral flow devices

Abstract

Els biosensors de fluxe lateral són dispositius basats en paper d'alta rellevància en diagnòstics "point-of-care" i monitoratge ambiental. Aquests dispositius són de baix cost, ràpids, robustos i simples de fer servir. En aquesta recerca, els dispositius de fluxe lateral són aplicats per la detecció d'ions d'urani en aigua potable amb alta sensibilitat i baix temps d'assaig. El límit de detecció obtingut amb aquest assaig ha estat 40 nM, tres vegades inferior a la quantitat màxima recomanada d'urani en aigües de consum. També, una nova estratègia per incrementar la senyal colorimètrica en les tires de fluxe lateral és reportada. Les nanofibres de cel·lulosa poden ésser introduïdes als nanoporus de la nitrocel·lulosa, matriu on les reaccions de fluxe lateral succeeixen, augmentant l'àrea on les biomolècules poden enganxar-se, incrementant així la probabilitat de retenir les partícules responsables del senyal en mostres positives. Seguint aquesta estratègia, s'ha aconseguit un increment del senyal colorimètric d'un 30%. I finalment, nanopartícules d'òxid d'iridi són reportades per primera vegada als assaigs de fluxe lateral com a senyalitzadors colorimètrics. Les propietats electroquímiques d'aquest nanomaterial permeten, a més d'una resposta òptica, la quantificació electroquímica de la mostra tal com s'ha demostrat detectant èters de difenil polibrominats aplicant nanopartícules d'òxid d'iridi en elèctrodes serigrafiats de carboni.

La recerca bibliogràfica realitzada ha esdevingut en tres publicacions: • Quesada-González, D. & Merkoçi, A. “Nanoparticle-based lateral flow biosensors”. Biosens. Bioelectron. 73, 47–63 (2015). • Quesada-González, D. & Merkoçi, A. “Mobile phone–based biosensing: an emerging ‘diagnostic and communication’ technology”. Biosens. Bioelectron. 92, 549–562 (2016). • Quesada-González, D. & Merkoçi, A. “Nanomaterial-Based Devices for Point-of-Care Diagnostic Applications”. Chem. Soc. Rev. 47, 4697–4709 (2018).

També el treball experimental ha esdevingut en 4 articles encara no publicats: • Quesada-González, D.; Jairo, G. A.; Blake, R.C., Blake, D.A. & Merkoçi, A. “Uranium (VI) detection in groundwater using a gold nanoparticle/paper-based lateral flow device”. Under revision (2018). • Quesada-González, D.; Stefani, C.; González, I.; de la Escosura-Muñiz, I.; Domingo, N.; Mutjé, P. & Merkoçi, A. “Signal enhancement on gold nanoparticle-based lateral flow tests using cellulose nanofibers”. In preparation (2018). • Quesada-González, D.; Baiocco, A.; Martos, A. A.; de la Escosura-Muñiz, A.; Palleschi, G. & Merkoçi, A. “Iridium oxide (IV) nanoparticle-based electrocatalytic detection of PBDE”. Under revision (2018). • Quesada-González, D.; Sena-Torralba, A.; Wicaksono, W. P.; de la Escosura-Muñiz, A.; Ivandini, T. A. & Merkoçi A. “Iridium oxide (IV) nanoparticle-based lateral flow immunoassay”. In preparation (2018).

Lateral flow biosensors are paper-based devices of high relevance in point-of-care diagnostics and environmental monitoring. These devices are low-cost, fast, robust and simple to use. In this research, lateral flow biosensors are applied for the detection of uranium ions in drinking water with high selectivity and low assay time. The limit of detection reached in this assay was of 40 nM, three times lower than the maximum amount of uranium recommended in consume water. Also, a novel colorimetric signal enhancement strategy on lateral flow strips is reported. Cellulose nanofibers can be introduced into nitrocellulose pores, the matrix in which lateral flow reactions occur, increasing the area where biomolecules can be attached, increasing then the probability of stopping label particles on positive samples. Following this strategy, a 30% of color signal enhancement was achieved. And last, iridium oxide nanoparticles are reported for the first time on lateral flow assays as colorimetric labels. The electrocatalytical properties of this nanomaterial allow, besides the colorimetric response, electrochemical quantification of the sample as it is demonstrated by detecting polybrominated diphenyl ethers using iridium oxide nanoparticles on screen printed carbon electrodes.

The state-of-the art studies carried out resulted in three review publications: • Quesada-González, D. & Merkoçi, A. “Nanoparticle-based lateral flow biosensors”. Biosens. Bioelectron. 73, 47–63 (2015). • Quesada-González, D. & Merkoçi, A. “Mobile phone–based biosensing: an emerging ‘diagnostic and communication’ technology”. Biosens. Bioelectron. 92, 549–562 (2016). • Quesada-González, D. & Merkoçi, A. “Nanomaterial-Based Devices for Point-of-Care Diagnostic Applications”. Chem. Soc. Rev. 47, 4697–4709 (2018).

Also the experimental work performed conducted to four full length articles not yet published: • Quesada-González, D.; Jairo, G. A.; Blake, R.C., Blake, D.A. & Merkoçi, A. “Uranium (VI) detection in groundwater using a gold nanoparticle/paper-based lateral flow device”. Under revision (2018). • Quesada-González, D.; Stefani, C.; González, I.; de la Escosura-Muñiz, I.; Domingo, N.; Mutjé, P. & Merkoçi, A. “Signal enhancement on gold nanoparticle-based lateral flow tests using cellulose nanofibers”. In preparation (2018). • Quesada-González, D.; Baiocco, A.; Martos, A. A.; de la Escosura-Muñiz, A.; Palleschi, G. & Merkoçi, A. “Iridium oxide (IV) nanoparticle-based electrocatalytic detection of PBDE”. Under revision (2018). • Quesada-González, D.; Sena-Torralba, A.; Wicaksono, W. P.; de la Escosura-Muñiz, A.; Ivandini, T. A. & Merkoçi A. “Iridium oxide (IV) nanoparticle-based lateral flow immunoassay”. In preparation (2018).