New approaches on the application of nanomaterials for the development of point-of-care biosensors

Abstract

Els assajos de flux lateral (LFA) han demostrat de forma palesa durant la pandèmia de COVID-19 la seva hegemonia en el diagnòstic al "point of care" (PoC). Tanmateix, malgrat la seva posició consolidada, la millora de la seva sensibilitat i la implementació d'estratègies de detecció noves formen part de la recerca en curs. En aquest sentit, una de les tendències més populars és el desenvolupament de LFA amb lectures electroquímiques, a causa de la naturalesa més sensible de les tècniques electroquímiques. La investigació realitzada per a aquesta tesi té com a objectiu final fusionar LFA òptics amb elèctrodes basats en materials relacionats amb el grafè, aprofitant noves tècniques de fabricació. En primer lloc, s'ha desenvolupat un LFA òptic de nanopartícules d'or (AuNPs) per a la nucleoproteïna del SARS-CoV-2. Es ressalten els reptes, sovint passats per alt, generats quan no hi ha bioreceptors ben caracteritzats per a l'analit en qüestió, ja que la pandèmia tot just acabava de començar. En segon lloc, s'ha aplicat per primera vegada en biodetecció una tècnica basada en làser per a fabricar en un sol pas elèctrodes transferibles d'òxid de grafè reduït (rGO) decorats amb AuNPs. Els elèctrodes s'han funcionalitzat amb anticossos contra el biomarcador de càncer CA-19-9 i, aprofitant mesures capacitives sense marcadors electroquímics (label-free), s'ha obtingut un calibratge dins del rang clínic d'interès. Finalment, i aconseguint així l'objectiu de fusionar elements dels dos treballs anteriors, s'ha adaptat la mateixa tècnica basada en làser per transferir elèctrodes rGO sobre nitrocel·lulosa sense comprometre les seves propietats de fluídica, per tal de desenvolupar un LFA electroquímic per a cortisol aprofitant una reacció enzimàtica i així obtenir el senyal electroquímic.

Los ensayos de flujo lateral (LFA) han demostrado manifiestamente durante la pandemia de COVID-19 su hegemonía en los diagnósticos "point of care" (PoC). Sin embargo, a pesar de su consolidada posición, se sigue llevando a cabo investigación para mejorar su sensibilidad e implementar en ellos novedosas estrategias de detección. Una de las tendencias más populares a este respecto es el desarrollo de LFA con lecturas electroquímicas, debido a la naturaleza más sensible de las técnicas electroquímicas. La investigación realizada para esta tesis tiene como objetivo final fusionar LFA ópticos con electrodos basados en materiales 2D, aprovechando nuevas técnicas de fabricación. En primer lugar, se desarrolló un LFA basado en nanopartículas ópticas de oro (AuNP) para la nucleoproteína del SARS-CoV-2. Se enfatizan los desafíos, a menudo pasados por alto, que surgen cuando no hay biorreceptores bien caracterizados para el analito objetivo, ya que la pandemia recién empezaba. En segundo lugar, se aplicó por primera vez en biodetección una técnica basada en láser para fabricar en un solo paso electrodos transferibles de óxido de grafeno reducido (rGO) decorados con AuNP. Los electrodos se funcionalizaron con anticuerpos contra el biomarcador de cáncer CA-19-9 y, aprovechando mediciones capacitivas sin etiquetas electroquímicas (label-free), se obtuvo una curva de calibración dentro del rango clínico. Finalmente, y cumpliendo así el objetivo de fusionar elementos de ambos trabajos anteriores, se adaptó la misma técnica basada en láser para transferir electrodos de rGO sobre nitrocelulosa sin comprometer sus propiedades de fluídica, con el fin de desarrollar un LFA electroquímico para cortisol aprovechando una reacción enzimática y así obtener la señal electroquímica.

Lateral flow assays (LFAs) have manifestly demonstrated during the COVID-19 pandemic their hegemony in point-of-care (PoC) diagnostics. However, despite their consolidated position, improving their sensitivity and implementing novel detection strategies into them are part of ongoing research. One of the most popular trends in this regard is the development of LFAs with electrochemical readouts, due to the more sensitive nature of electrochemical techniques. The research performed for this thesis aims for a final goal of merging optical LFAs with 2D material-based electrodes, taking advantage of novel fabrication techniques. First, an optical gold nanoparticle (AuNPs)-based LFA for SARS-CoV-2's nucleoprotein was developed, emphasizing the often overlooked challenges arising when well-characterized bioreceptors for the target analyte are not available from the beginning. Second, a one-step laser-based technique to fabricate transferable reduced graphene oxide (rGO) electrodes decorated with AuNPs is applied for the first time in biosensing. The electrodes were functionalized with antibodies against cancer biomarker CA-19-9, and leveraging label-free capacitive measurements, a calibration curve within the clinical range was obtained. Finally, and thus accomplishing the goal of fusing elements of both previous works, the same laser-based technique was adapted to transfer rGO electrodes onto nitrocellulose without compromising its fluidics properties, in order to develop an electrochemical LFA for cortisol exploiting an enzymatic reaction to obtain the electrochemical signal.