Study of surface chemistry strategies to enhance the electrochemical detection of proteins and DNA markers

Autor/a

Acero Sánchez, Josep Lluís

Director/a

O'Sullivan, Ciara Kathleen

Fecha de defensa

2017-02-03

Páginas

143 p.



Departamento/Instituto

Universitat Rovira i Virgili. Departament d'Enginyeria Química

Resumen

Els biosensors son dispositius analítics basats en la interacció específica entre un element biològic sensor i la seva molècula diana juntament amb un transductor per al processament de la senyal. Aquests dispositius tenen moltes aplicacions pràctiques en diferents camps d’investigació, des del diagnòstic mèdic a l’anàlisi mediambiental, i amb un gran potencial per a la seva comercialització. Tot i les grans expectatives, únicament hi ha uns pocs exemples de biosensors comercials, sent el mercat dominat principalment pels sensors de glucosa per gent amb diabetis, amb aproximadament un 85 % del mercat mundial. Aquesta lenta penetració al mercat es pot atribuir als elevats costos de desenvolupament i producció, i també a barreres tecnològiques com la sensibilitat, reproduïbilitat, efectes de la matriu en mostres reals, estabilitat i qualitat. En aquest treball, es presenta una fàcil estratègia per reduir els costos de fabricació mitjançant la simplificació a una sola etapa del mètode d’immobilització a la superfície de proteïnes receptores. Aquesta estratègia s’ha basat amb la introducció química de grups disulfurs a l’estructura de les proteïnes, i fou aplicada tant a anticossos com antígens per a la detecció òptica i electroquímica de proteïnes relacionades amb accidents cerebrovasculars isquèmics i amb la malaltia celíaca respectivament. Diverses avantatges potencials, com la miniaturització, integració, anàlisi multiplexat, així com també la utilització de chips d’un sol ús, haurien de ser explotades per a què els biosensors impactin en el mercat i migrin de sofisticats laboratoris als punts d’atenció. Treballant en aquesta direcció, també es presenta un procediment per a l’amplificació i detecció multiplexada de set marcadors genètics del càncer de mama amb una sensibilitat d’una única cèl•lula tumoral utilitzant un array d’elèctrodes de baixa densitat fabricats en plaques de circuit imprès de baix cost. Aquesta metodologia proporciona una nova estratègia per a la determinació del perfil genètic de cèl•lules tumorals mitjançant un procés integrat d’amplificació i detecció.


Los biosensores son dispositivos analíticos basados en la interacción específica entre un elemento biológico sensor y su molécula diana en combinación con un transductor para el procesamiento de la señal. Estos dispositivos tienen muchas aplicaciones prácticas en diferentes campos de investigación, desde el diagnóstico médico a análisis medioambientales, y con un gran potencial para su comercialización. Sin embargo, a pesar de las grandes expectativas, solo hay unos pocos ejemplos de biosensores comerciales, siendo el mercado dominado principalmente por los sensores de glucosa para gente con diabetes, con aproximadamente un 85 % del mercado mundial. Esta lenta penetración en el mercado se puede atribuir a los elevados costes de desarrollo y producción, y a algunas barreras tecnológicas como la sensibilidad, reproducibilidad, efectos de la matriz en muestras reales, estabilidad y calidad. En este trabajo, se presenta una fácil estrategia para reducir los costes de fabricación mediante la simplificación a una sola etapa del método inmovilización en la superficie de proteínas receptoras. Esta estrategia se basó en la introducción química de grupos disulfuros en la estructura de la proteína y fue aplicada tanto a anticuerpos como antígenos para la detección óptica y electroquímica de proteínas relacionadas con accidentes cerebrovasculares isquémicos y la enfermedad celíaca respectivamente. Varias ventajas potenciales, como la miniaturización, integración, análisis multiplexados, así como también el uso de chips desechables, deberían ser explotadas para que los biosensores impactaran en el mercado y migraran de sofisticados laboratorios a los puntos de atención. Trabajando en esta dirección, también se presenta un procedimiento para la amplificación y detección multiplexada de siete marcadores genéticos de cáncer de mama con una sensibilidad de una única célula tumoral usando un array de electrodos de baja densidad fabricados en placas de circuito impreso de bajo coste. Esta metodología proporciona una nueva estrategia para la determinación del perfil genético de células tumorales mediante un proceso integrado de amplificación y detección.


Biosensors are analytical devices based on the specific interaction between a biological sensing element and its target molecule in combination with a transducer for signal processing. They have shown many practical applications to several research fields, from medical diagnostics to environmental analysis, and have great potential for commercialization. However, despite of the great expectations, there are just few examples of commercial biosensors, being the market mainly driven by the glucose sensors for people with diabetes with approximately 85 % of the world market. This slow penetration into the market could be attributed to the elevated development and production costs and some important technological hurdles, such as sensitivity, reproducibility, matrix effects in real samples, stability and quality assurance. In this work, we report on an easy strategy to reduce the manufacturing cost by simplifying the surface immobilisation method of the receptor proteins to a single step. This approach was achieved by the chemical introduction of disulfide groups into the protein structure and was applied to both antibodies and antigens for the optical and electrochemical detection of ischemic stroke and celiac disease related proteins respectively. Several potential advantages, such as miniaturisation, integration, multiplexing analysis, as well as the use of low cost disposable chips, should be exploited for the biosensors to impact on the market and migrate from sophisticated laboratories to the point-of-care. Working on that direction, we also report on a procedure for the multiplex amplification and detection of seven genetic markers for breast cancer with a single tumour cell sensitivity using a low-density electrode microarray manufactured on standard low-cost printed circuit board (PCB) substrates. This approach provides a novel strategy for the genetic profiling of tumour cells via integrated “amplification-to-detection”.

Palabras clave

Biosensors; Química de la superfície; Detecció electroquímica; Biosensores; Detección electroquímica; Biosensors; Surface chemistry; Electrochemical detection

Materias

543 - Química analítica; 577 - Bioquímica. Biología molecular. Biofísica

Área de conocimiento

Ciències

Documentos

TESI.pdf

4.235Mb

 

Derechos

ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

Este ítem aparece en la(s) siguiente(s) colección(ones)