Nanobiosensors for contaminants detection in water

Abstract

Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar biosensors per al monitoratge ambiental. Primer, s'ha desenvolupat un biosensor colorimètric basat en lateral flow strips (LFS) per a la detecció i quantificació d'Escherichia coli com a indicador fecal universal. En aquest cas, nanopartícules d'or (AuNP) s'utilitzen com a transductors òptics i anticossos policlonals com a elements de bioreconeixement per capturar, marcar i indicar la presència del bacteri. Paral·lelament, s'ha desenvolupat un sistema de filtració per millorar la sensibilitat dels LFS. L'optimització del flux de la mostra a través dels diferents materials s'ha realitzat mitjançant una tècnica innovadora basada en el seguiment del flux del bacteri bioluminescent Aliivibrio fischeri, similar en grandària i forma a E. coli. Finalment, aquests LFS s'han provat amb mostres d'aigua de rius i aigües residuals, mostrant una sensibilitat similar i bona reproductibilitat i selectivitat en tots els casos.

En segon lloc, s'ha desenvolupat un biosensor de toxicitat bioluminescent per a la detecció i quantificació de pesticides en mostres d'aigua. En particular, Aliivibrio fischeri, un bacteri bioluminescent, s'ha utilitzat com a element de bioreconeixement i transductor perquè augmenta i disminueix la bioluminescència d'acord amb la concentració de compostos tòxics en les mostres d'aigua. A més, l'òxid de grafè (GO) s'ha utilitzat com un potenciador del creixement no específic per promoure el creixement bacterià i augmentar la sensibilitat del sistema al detectar parcialment la bioluminescència emesa per A. fischeri. La detecció i quantificació de la bioluminescència es va realitzar amb un telèfon mòbil que permet una avaluació de la toxicitat de l'aigua de forma portàtil, més barata, i més fàcil d'utilitzar que els estàndards en els laboratoris.

En tercer lloc, s'ha desenvolupat una plataforma portàtil basada en un telèfon mòbil per a realitzar assajos que requereixen una detecció òptica, incloent assaigs colorimètrics, fluorescents i bioluminescents. Aquesta plataforma s'ha utilitzat per dur a terme i analitzar proves ELISA estàndard basades en resultats colorimètrics per a la detecció de la immunoglobulina humana i una proteïna del coronavirus. A més, el sistema permet realitzar un seguiment de l'agregació de AuNPs en funció del color de la solució. D'altra banda, la plataforma s'ha utilitzat per detectar i quantificar quantum dots (QD) i altres indicadors fluorescents (per exemple, fluoresceïna), i per a fer proves ELISA fluorescents basades en aquests transductors. A més, la plataforma permet realitzar lectures bioluminiscents amb aplicacions com l'anàlisi de la toxicitat de l'aigua. Finalment, la plataforma és útil per al cultiu de bacteris, mesuraments de terbolesa i detecció de resistència a antibiòtics.

Esta tesis tiene como objetivo desarrollar biosensores para el monitoreo ambiental. Primero, se ha desarrollado un biosensor colorimétrico basado en lateral flow strips (LFS) para la detección y cuantificación de Escherichia coli como indicador fecal universal. En este caso, nanopartículas de oro (AuNP) se utilizan como transductores ópticos y anticuerpos policlonales como elementos de bioreconocimiento para capturar, marcar e indicar la presencia de la bacteria. Paralelamente, se ha desarrollado un sistema de filtración para mejorar la sensibilidad de las LFS. La optimización del flujo de la muestra a través de los diferentes materiales ha realizado mediante una técnica innovadora basada en el seguimiento del flujo de la bacteria bioluminiscente Aliivibrio fischeri, similar en tamaño y forma a E. coli. Finalmente, estos LFB se han probado con muestras de agua de ríos y aguas residuales, mostrando una sensibilidad similar y buena reproducibilidad y selectividad en todos los casos.

En segundo lugar, se ha desarrollado un biosensor de toxicidad bioluminiscente para la detección y cuantificación de pesticidas en muestras de agua. En particular, Aliivibrio fischeri, una bacteria bioluminiscente, se ha utilizado como elemento de bioreconocimiento y transductor porque aumenta y disminuye la bioluminiscencia de acuerdo con la concentración de compuestos tóxicos en las muestras de agua. Además, el óxido de grafeno (GO) se ha utilizado como un potenciador del crecimiento no específico para promover el crecimiento bacteriano y aumentar la sensibilidad del sistema al detectar parcialmente la bioluminiscencia emitida por A. fischeri. La detección y cuantificación de la bioluminiscencia se realizó con un teléfono móvil que permite una evaluación de la toxicidad del agua de forma portátil, más barata, y más fácil de usar que los estándares en los laboratorios.

En tercer lugar, se ha desarrollado una plataforma portátil basada en un teléfono móvil para realizar ensayos que requieren una detección óptica, incluyendo ensayos colorimétricos, fluorescentes y bioluminiscentes. Esta plataforma se ha utilizado para llevar a cabo y analizar pruebas ELISA estándar basadas en resultados colorimétricos para la detección de la inmunoglobulina humana y una proteína del coronavirus. Además, el sistema permite realizar un seguimiento de la agregación de AuNPs en función del color de la solución. Por otro lado, la plataforma se ha utilizado para detectar y cuantificar quantum dots (QD) y otros indicadores fluorescentes (por ejemplo, fluoresceína), así como para realizar pruebas ELISA fluorescentes basadas en estos transductores. Además, la plataforma permite realizar lecturas bioluminiscentes con aplicaciones como el análisis de la toxicidad del agua. Finalmente, la plataforma es útil para el cultivo de bacterias, mediciones de turbidez y detección de resistencia a antibióticos.

This thesis aims to develop biosensing tools for environmental monitoring. First, a colorimetric lateral flow biosensor (LFB) has been developed for the detection and quantification of Escherichia coli as a universal fecal indicator. Gold nanoparticles (AuNPs) are used as optical transducers and polyclonal antibodies as the biorecognition elements to capture, tag and indicate the presence of the bacteria. In parallel, a filtration system has been developed to improve the sensitivity of the LFBs. The optimization of the flow properties of the different lateral flow materials has been done by an innovative technique based on the tracking of the flow of the bioluminescent bacteria Aliivibrio fischeri, similar in size and shape to E. coli. Eventually, these LFBs have been tested with river and sewage waters, showing similar sensitivity and good reproducibility and selectivity in all the cases.

Second, a bioluminescent toxicity biosensor has been developed for the detection and quantification of pesticides in water samples. In particular, Aliivibrio fischeri, a bioluminescent bacteria, has been used as the biorecognition element and the transducer because it turns up and down bioluminescence according to the concentration of toxic compounds within the water samples. Besides, graphene-oxide (GO) has been used as a non-specific growth enhancer to promote bacterial growth and increase the sensitivity of the system by partially screening the bioluminescence emitted by A. fischeri. The detection and quantification of the bioluminescence has been performed by a smartphone that allows for a cheaper, more user friendly, and portable water toxicity assessment.

Third, a smartphone-based portable platform has been developed for the performance of optical sensing, including colorimetric, fluorescent, and bioluminescent assays. This platform has been used to perform and read standard ELISA tests based on colorimetric outputs for human IgG and coronavirus detection. In addition, the system allows for tracking AuNPs aggregation based on the color output of the solution. On the other hand, the platform has been used to detect and quantify quantum dots (QDs) and other fluorescent reporters (i.e. fluorescein), as well as performing fluorescent ELISA tests based on these transducers. Next, the platform allows for bioluminescent readouts with applications in toxicity analysis. Eventually, the platform is suitable for bacteria culture, turbidity measurements, and drug screening for antibiotic resistances assessment.