Interdigitated electrode arrays (idea) impedimetric transducers for bacterial biosensing applications

Abstract

La tecnologia dels biosensors, basada en dispositius analítics que combinen un bioreceptor amb una unitat de transducció, s’ha aplicat en nombroses àrees de recerca per a la detecció de diferents analits d’interès. Els bacteris, especialment els bacteris patògens, són agents biològics importants per ser detectats en diversos camps com el diagnòstic clínic, la indústria alimentària o la qualitat de l’aigua per prevenir malalties en els éssers humans. No obstant això, els bacteris també es poden utilitzar en un ampli ventall d’aplicacions; per exemple, com a indicadors biològics per determinar la toxicitat de diversos compostos. En aquesta tesi es proposa l’ús de transductors impedimètrics basats en elèctrodes de tipus interdigitat (interdigitated electrode arrays, IDEA de les sigles en anglès) com a instrument per al desenvolupament d’aplicacions biosensores bacterianes. L’espectroscòpia electroquímica d’impedància és una tècnica àmpliament estudiada per caracteritzar biosistemes perquè permet monitoritzar els fenòmens que tenen lloc a la superfície dels elèctrodes. Aquesta tècnica no requereix marcadors en el procés de transducció i pot ser usada en un mode d’operació sense marcatge addicional; així se simplifiquen els assajos de biomonitoratge. Entre els diferents tipus de transductors impedimètrics, els elèctrodes de tipus interdigitat són realment avantatjosos en termes de miniaturització, d’obtenció d’una resposta ràpida i estable o d’increment en la relació senyal-soroll. La utilització dels dispositius IDEA com a base de transducció per a un biosensor permet reduir el temps i cost per assaig. A més a més, en aquest treball es detalla i demostra l’aplicabilitat dels IDEA tridimensionals (3D-IDEA), en els quals els dígits dels elèctrodes estan separats per barreres aïllants, que permeten millorar la sensibilitat en el registre de canvis superficials si els comparem amb els IDEA convencionals per a la detecció de bactèries. Els objectius d’aquest treball són l’elaboració i la validació d’estratègies de biodetecció, estables i reproduïbles, utilitzant IDEA i 3D-IDEA per a la identificació de bacteris com a analit d’interès o bé com a element de sensat. En el primer cas, s’ha dut a terme la detecció de bacteris o endotoxines bacterianes en mostres líquides, mentre que en el segon s’ha desenvolupat un biosensor del tipus microbià. Per tal de dur-ho a terme, els dispositius IDEA s’han (bio)funcionalitzat mitjançant diverses metodologies per desenvolupar en quatre aplicacions.

Biosensor technology, consisting of analytical devices that conjugate a bioreceptor with a transducer unit, has been applied in numerous research areas for the detection of different analytes of interest. Bacteria, especially pathogenic bacteria, are important targets to be sensed and identified in many fields, like clinical diagnosis, food industry or water safety, to prevent a great number of diseases in humans. However, bacteria can be employed in a wide range of beneficial applications, such as their use as biological indicators to determine the toxicity of various compounds. In this thesis, the use of impedimetric transducers based on interdigitated electrode arrays (IDEA) has been proposed as a tool for the development of bacterial biosensing applications. Electrochemical Impedance Spectroscopy is a widely studied technique to characterize biosystems because it allows to monitor electrical events occurring on the surface of electrodes. This technique does not require additional markers for the transduction and can be used in a label-free operation mode and hence simplifying the biosensing assays. Among different types of impedimetric transducers interdigitated electrodes arrays are really advantageous in terms of easy-miniaturization, fast establishment of the steady-state signal response and increased signal-to-noise ratio. The utilization of IDEA devices as a base of a biosensor transducer permits reducing the time and cost per assay. In addition, the applicability of three-dimensional IDEA (3D-IDEA) is described and demonstrated, in which the electrode digits are separated by insulating barriers, to improve the sensitivity for the registration of superficial parameters compared with standard IDEA for bacteria sensing. The main aim of this work is the elaboration and testing of robust and reproducible biosensing strategies using IDEA and 3D-IDEA impedance transducers with bacteria, as an analyte target or as a sensing element. In the first case, the detection of bacteria or bacterial endotoxins in liquid samples may be performed and, in the second one, novel microbial-based biosensors may be developed. To this end, IDEA devices have been (bio)functionalized using various grafting schemes for their use in four different applications.