Carbon nanotubes as platforms for biosensors with electrochemical and electronic transduction

Abstract

La convergència de la nanotecnologia i la biotecnologia porta al desenvolupament de nous coneixements científics i tècnics que permeten millorar el benestar humà. Dins d'aquest nou camp de la nanobiotecnologia, el camp dels (bio)sensors és el més desenvolupat i el que té el major potencial per a aplicacions a curt termini. En aquest context, els (bio)sensors basats en principis electroquímics destaquen pels seus avantatges com la simplicitat, robustesa, baix cost, capacitat de miniaturització i d’integració de dispositius. Aquests sensors són cada vegada més atractius ja que permeten un diagnòstic ràpid i simple en camps com la biotecnologia, la investigació clínica i ambiental. Històricament, el carboni ha estat un material d'elèctrode molt utilitzat i pràctic per les seves propietats desitjables per a aplicacions electroquímiques. Disponible en una gran varietat d'estructures, els elèctrodes de carboni ofereixen, en general, una bona conductivitat elèctrica, alta estabilitat tèrmica i mecànica, una àmplia finestra operable de potencial amb cinètica d'oxidació lenta i, en molts casos, activitat electrocatalítica. A més d'això, se'ls reconeix com a materials de manipulació ràpida i fàcil. Cal també elogiar la seva química de superfície rica que ha estat explotada per a influir en la reactivitat superficial. Així doncs, les diferents estructures de carboni han tingut durant molt temps un paper important en el desenvolupament d'elèctrodes sòlids. Més recentment, amb l'aparició dels nanotubs de carboni (CNTs) s'han intensificat algunes d'aquestes propietats i s’ha impulsat d'una manera sense precedent les aplicacions electroquímiques i electroanalítiques. La mida nanomètrica i la alta relació d'aspecte dels nanotubs de carboni són els trets més distintius que han contribuït a les innovadores aplicacions electroquímiques i el que permet establir les diferències pel que fa als materials de carboni. En conseqüència, l'objectiu principal d'aquest treball ha estat explotar les propietats dels nanotubs de carboni per al disseny de nanodispositius. Les destacades propietats electroquímiques han impulsat el disseny de diverses configuracions d'elèctrodes. Això, combinat amb les seves propietats químiques i versatilitat de (bio)funcionalització, ha fet que aquests materials siguin molt adequats per al desenvolupament de biosensors electroquímics. La primera part de l'estudi s'ha centrat en l'ús de nanotubs de carboni com a transductors electroquímics i la relació entre la seva estructura i reactivitat electroquímica. Es va trobar que les vores dels nanotubs de carboni juguen un paper important en la resposta electroquímica; fet que es va utilitzar per al disseny i desenvolupament de noves plataformes d'elèctrodes basats en els nanotubs. A la segona part de l'estudi, hem aprofitat la capacitat dels nanotubs de carboni per a ser adaptats en diferents disposicions geomètriques, la seva biocompatibilitat, robustesa química i la seva possibilitat de funcionalització química covalent i no covalent, per al desenvolupament de (bio)sensors. En concret, s’ha avaluat el comportament del (bio)sensor d’elèctrodes de diferents configuracions de carboni funcionalitzats amb proteïnes redox (catalasa i mioglobina). Aquestes proteïnes presenten una alta sensibilitat a l'oxigen i peròxid d'hidrogen i són capaces de catalitzar la reducció d'aquestes espècies, convertint-se com a prometedors sensors d'oxigen i peròxid. Seguint el mateix enfocament, s'han utilitzat matrius de microelectrodes basades en CNTs covalentment funcionalitzats amb sondes d'ADN específiques o amb aptàmers. La detecció d'hibridació o de la interacció específica entre els aptàmers i les proteïnes han estat controlats amb diferents tècniques electroquímiques (voltametria cíclica, cronocoulometia o impedància) en presència de marcadors d'oxidació-reducció. La tercera i última part de l'estudi se centra en explotar el caràcter semiconductor dels nanotubs de carboni amb l'ús de la configuració en transistor d'efecte de camp (Field Effect Transistor FET). El dispositiu CNT-FET ha estat optimitzat per funcionar en medi líquid mitjançant la realització de protocols de passivació. Això, juntament amb l'ús de connectors pirè bifuncionals per a la immobilització dels aptàmers, ha permès la detecció sensible electrònica de les interaccions proteïna/aptamer. A més, també hem estat capaços de seguir l’absorció de proteïnes i canvis conformacionals de les parets dels CNTs. Els resultats d'aquest treball mostren que aquests dispositius electroquímics i electrònics basats en nanotubs de carboni poden arribar a ser molt prometedors per a la detecció de biomolècules i per al seguiment de processos biològics.

The convergence of nano and biotechnology is enabling scientific and technical knowledge for improving human well being. Within this new field of nanobiotechnology, the area of (bio)sensors is the most developed and the one which has the highest potential for short-term applications. In this context, (bio) sensors based on electrochemical principles stand out due to their marked advantages in terms of simplicity, robustness, low cost, miniaturization capability and integration to devices. These sensors are becoming very attractive for rapid and simple diagnostic, in fields such as biotechnology, clinical and environmental research. Historically, carbon has been a widely used and practical electrode material due to its desirable properties for electrochemical applications. Available in a variety of structures, carbon electrodes provide, in general, good electrical conductivity, high thermal and mechanical stability, a wide operable potential window with slow oxidation kinetics and, in many cases, electrocatalytical activity. On top of that, they are recognized as versatile and easy handling materials, and also praised by their rich surface chemistry which has been exploited to influence surface reactivity. Thus, different forms of carbon have played for a long time an important role in solid electrode development. More recently, the appearance of carbon nanotubes (CNTs) has intensified some of these properties and propelled in an unprecedented way their electrochemical and electroanalytical applications. The nanometre size and high aspect ratio of the carbon nanotubes are the distinct features which have contributed more to innovative electrochemical applications and to establish the differences with respect to other carbon materials. Accordingly, the principal aim of this work has been to exploit the properties of carbon nanotubes to design novel nanodevices. The prominent electrochemical properties of carbon nanotubes have impelled the design of diverse electrode configurations. That, combined with their chemical properties and (bio)functionalization versatility have made these materials very appropriate for the development of electrochemical biosensors. The first part of the study has been focused on the use of carbon nanotubes as electrochemical transducers and the relation between their structure and their electrochemical reactivity. It was found that the edges of carbon nanotubes play an important role in the electrochemical response, which was then used for the design and development of new carbon nanotubes-based electrode platforms. In the second part of the study, we have taken advantage of the capability of CNTs for being tailored in different geometrical arrangements, from their biocompatibility, their chemical robustness and their interesting covalent/non-covalent chemical functionalization possibilities, to develop biosensor platforms. Specifically, the (bio)sensor behaviour of different carbon configurations functionalized with redox proteins (catalase and myoglobin) has been evaluated. Such proteins exhibit high sensitivity to oxygen and peroxide and are capable to catalyze the reduction of such species, which hold promise as oxygen and peroxide sensors. Then, following the same approach, we have used CNT microelectrode arrays covalently functionalized with specific DNA probes or with aptamers. The detection of hybridization events or the specific interaction between aptamers and proteins were sensitively monitored by different electrochemical techniques (cyclic voltammetry, chronocoulometry or impedance spectroscopy) in presence of redox markers. The third and last part of the study is focused on exploiting the semiconductor character of carbon nanotubes for sensor technology by using a field effect transistor configuration (FET). The CNT-FET device has been optimized for operating in liquid environment by performing passivation protocols. This, together with the use of bifunctional pyrene linkers for the immobilization of the aptamers, has allowed sensitive electronic detection of protein/aptamer interaction. Additionally, we were also able to follow up protein adsorption and protein conformational changes on the CNT walls under liquid gating. The results of this thesis work show that these electrochemical and electronic CNT devices can become highly promising for biomolecule sensing and for the monitoring of biological processes.