Estudio de biosensores electroquímicos basados en inmovilización enzimática

Abstract

Els biosensors electroquímics són dispositius d'anàlisi que combinen l'especificitat de les reaccions bioquímiques amb la capacitat analítica de les tècniques electroquímiques. Gràcies a aquesta combinació, és possible determinar de forma ràpida, sensible i fiable diferents analits en mostres amb matrius complexes. Per tot això, l'ús de biosensors és una alternativa als mètodes clàssics d'anàlisi per a realitzar processos de control de qualitat en diferents sectors industrials. En la present Tesi, s'han desenvolupat biosensors amperomètrics enzimàtics basats en la immobilització d’oxidases sobre una interfase electroquímica de nanotubs d'òxid de titani (IV) altament ordenats (TiO2NTAs). Per a això, s'han estudiat diferents processos d'immobilització d'enzims basats en captura polimèrica i en immobilització covalent, i s'han avaluat els paràmetres analítics dels biosensors desenvolupats. En als processos de captura polimèrica, s'ha estudiat l'ús de kappa-carragenina, 2-hidroxietilmetacrilat (HEMA) i quitosà. Aquests hidrogels s'han utilitzat per a la immobilització de l'enzim glucosa oxidasa (GOx) i s'ha observat que tant el HEMA com el quitosà generen un microentorn favorable per a la conservació de l'activitat biològica de l'enzim. banda Per a la immobilització covalent, s'ha utilitzat pentafluorofenilmetacrilat (PFM) generació amb l’objectiu de generar enllaços entre les molècules d'enzim i la superfície del transductor. Per a això, s'ha modificat la superfície de la interfase electroquímica TiO2NTAs mitjançant dues tècniques de plasma: polimerització de PFM i sembrat del mateix polímer. S'ha observat que la superfície polimeritzada de PFM (ppPFM) presenta major hidrofobicitat que la superfície en la qual s'ha realitzat el sembrat de PFM (pgPFM) i que això té influència en la conformació que adopten les molècules d'enzim. Mentre que en la superfície ppPFM predominen conformacions amb baixa activitat, en la superfície pgPFM la major part de la població de les molècules de GOx adopten conformacions amb activitat catalítica. Per aquests motius, els biosensors amb sembrat per plasma de PFM presenten major sensibilitat enfront de la presència de glucosa que els biosensors basats en la polimerització de PFM. Finalment, s'han desenvolupat biosensors amperomètrics de glucosa i de glutamat amb matrius d'immobilització polimèriques i covalents: Ti/TiO2NTAs/GOx/Quitosà, Ti/TiO2NTAs/HEMA-co-EGDA/pgPFM/GOx/Quitosà i Ti/TiO2NTAs/GmOx/Quitosà. S'han realitzat determinacions sobre mostres alimentàries emprant aquests biosensors i els resultats s'han comparat amb els obtinguts amb tècniques de referència.

Los biosensores electroquímicos son dispositivos de análisis que combinan la especificidad de las reacciones bioquímicas con la capacidad analítica de las técnicas electroquímicas. Gracias a esta combinación, es posible determinar de forma rápida, sensible y fiable distintos analitos en muestras con matrices complejas. Por ello, el uso de biosensores es una alternativa a los métodos clásicos de análisis para realizar procesos de control de calidad en distintos sectores industriales. En la presente Tesis, se han desarrollado biosensores amperométricos enzimáticos basados en la inmovilización de oxidasas sobre una interfase electroquímica de nanotubos de óxido de titanio (IV) altamente ordenados (TiO2NTAs). Para ello, se han estudiado diferentes procesos de inmovilización de enzimas basados en captura polimérica y en inmovilización covalente, y se han evaluado los parámetros analíticos de los biosensores desarrollados. En los procesos de captura polimérica, se ha estudiado el uso de kappa-carragenina, 2-hidroxietilmetacrilato (HEMA) y quitosano. Estos hidrogeles se han utilizado para la inmovilización del enzima glucosa oxidasa (GOx) y se ha observado que tanto HEMA como quitosano generan un microentorno favorable para la conservación de la actividad del enzima. Para la inmovilización covalente, se ha utilizado pentafluorofenilmetacrilato (PFM) con el objetivo de generar enlaces entre las moléculas de enzima y la superficie del transductor. Para ello, se ha modificado la superficie de la interfase electroquímica TiO2NTAs mediante dos técnicas de plasma: polimerización de PFM y sembrado del mismo polímero. Se ha observado que la superficie polimerizada de PFM (ppPFM) presenta mayor hidrofobicidad que la superficie en la que se ha realizado el sembrado de PFM (pgPFM) y que ello tiene influencia en la conformación que adoptan las moléculas de enzima. Mientras que en la superficie ppPFM predominan conformaciones con baja actividad, en la superficie pgPFM la mayor parte de la población de las moléculas de GOx adoptan conformaciones con actividad catalítica. Por estos motivos, los biosensores con sembrado por plasma de PFM presentan mayor sensibilidad frente a la presencia de glucosa que los biosensores basados en la polimerización de PFM. Finalmente, se han desarrollado biosensores amperométricos de glucosa y de glutamato con matrices de inmovilización poliméricas y covalentes: Ti/TiO2NTAs/GOx/Quitosano, Ti/TiO2NTAs/HEMA-co-EGDA/pgPFM/GOx/Quitosano y Ti/TiO2NTAs/GmOx/Quitosano. Se han realizado determinaciones sobre muestras alimentarias empleando estos biosensores y los resultados se han comparado con los obtenidos con técnicas de referencia.

Electrochemical biosensors are analytical devices that combine the specificity of biochemical recognition processes with the analytical power of electrochemical techniques. Consequently, it is possible to perform rapid, sensitive and reliable determinations of different analytes present in complex samples. For this reason, the use of biosensors is an alternative to classical analytical methods to perform quality control processes in different industrial sectors. In this work, we have developed enzymatic amperometric biosensors based on the immobilization of oxidases on an electrochemical interface of highly ordered titanium dioxide nanotubes array (TiO2NTAs). Thus, processes of enzyme immobilization based on polymeric entrapment and covalent immobilization have been studied. The analytical parameters of these biosensors have been evaluated. For polymeric entrapment processes, kappa-carrageenan, 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and chitosan have been studied as immobilization matrices. These hydrogels have been used for the immobilization of the enzyme glucose oxidase (GOx) and it has been observed that both, HEMA and chitosan, generate a favorable microenvironment for the conservation of the activity of the enzyme. For covalent immobilization, pentafluorophenylmethacrylate (PFM) has been used in order to generate bonds between the enzyme molecules and the surface of the transducer. Thus, the electrochemical interface TiO2NTAs has been modified by two plasma techniques: polymerization of PFM and grafting of the same polymer. It has been observed that the polymerized surface of PFM (ppPFM) has a higher hydrophobicity than the surface in which the PFM has been grafted (pgPFM). Hydrophobicity has influence on the adopted enzyme molecules conformation. On the ppPFM surface, conformations with low activity predominate, and on the pgPFM surface most of the population of GOx molecules adopt conformations with catalytic activity. For these reasons, the biosensors with plasma grafted PFM show higher sensitivity in presence of glucose than the biosensors based on the PFM polymerization. Finally, amperometric glucose and glutamate biosensors with polymeric and covalent immobilization matrices have been developed: Ti/TiO2NTAs/GOx/Chitosan, Ti/TiO2NTAs/HEMA-co-EGDA/pgPFM/GOx/Chitosan and Ti/TiO2NTAs/GmOx/Chitosan. These biosensors have been used to determine the glucose and glutamate content in different food samples. The results have been compared with those obtained with reference techniques.