Optical methods for ultrafast screening of microorganisms

Abstract

En aquesta tesi doctoral hem desenvolupat un mètode per la detecció i quantificació múltiple dels microorganismes més comuns que causen infeccions bacterianes amb una velocitat de detecció sense precedents a baix cost i alta sensibilitat. A més a més, fent servir fluids humans reals directament evitant així, els pretractaments tediosos de les mostres. El disseny del sistema està basat en augments d'intensitat del senyal obtingut per espectroscòpia SERS. Això s'aconsegueix utilitzant nanopartícules plasmòniques codificades i funcionalitzades amb elements de reconeixement biològics. D'aquesta manera, quan una mostra conté el patogen a identificar interactua amb els elements de reconeixement units a les nanopartícules, induint la seva acumulació en la superfície del microorganisme. Aquesta agregació de partícules a la membrana dels bacteris produeix espais molt petits entre les partícules fent que el senyal Raman s'amplifiqui en diversos ordres de magnitud respecte a les partícules soltes. Permetent així, la identificació de múltiples microorganismes a la vegada. La quantificació d'aquests, s'aconsegueix passant la mostra a través d'un dispositiu de micro-fluids amb una finestra de recol•lecció on un làser interroga i classifica els agregats a temps real. A més a més, també hem investigat els avantatges de fer servir aptàmers en lloc d'anticossos com a elements de reconeixement biològic.

Aquest nou sistema de detecció de patògens obre interessants perspectives per al diagnòstic ràpid i econòmic d'infeccions bacterianes.

En esta tesis doctoral hemos desarrollado un método para la detección y cuantificación múltiple de los microorganismos más comunes que causan infecciones bacterianas con una velocidad de detección sin precedentes a bajo coste y alta sensibilidad. Utilizando además, fluidos humanos reales directamente evitando así, pre-tratamientos tediosos de las muestras. El diseño del sistema está basado en aumentos de intensidad de la señal obtenida por espectroscopia SERS. Esto se logra utilizando nanopartículas plasmónicas codificadas y funcionalizadas con elementos de reconocimiento biológico. De esta manera, cuando una muestra que contiene el patógeno a identificar interactúa con los elementos de reconocimiento unidos a las nanopartículas, induce su acumulación en la superficie del microorganismo. Esta agregación de partículas en las membranas de las bacterias produce espaciados muy pequeños entre las partículas haciendo que la señal Raman se amplifique en varios órdenes de magnitud con respecto a las partículas sueltas. Permitiendo así la identificación de múltiples microorganismos a la vez. La cuantificación de los mismos, se logra pasando la muestra a través de un dispositivo de micro-fluidos con una ventana de recolección donde un láser interroga y clasifica los agregados en tiempo real. Además, también hemos investigado las ventajas de usar aptámeros frente a anticuerpos como elementos de reconocimiento biológico. Este nuevo sistema de detección de patógenos abre interesantes perspectivas para el diagnóstico rápido y barato de las infecciones bacterianas.

This doctoral thesis intended to develop and optimize a method for multiplex detection and quantification of the most common microorganisms causing bacterial infections. This detection approach envisions to directly use different real human fluids avoiding thus, tedious pre-treatments of the samples with an unprecedented speed, low cost, and sensitivity. The design of the system is based on variations in the SERS intensity. This is accomplished using encoded plasmonic nanoparticles functionalized with bio-recognition elements. Consequently, when a sample containing the biological target to be identified interacts with the recognition elements attached to the nanoparticle, will induce an accumulation of them at the surface of the targeted microorganism. This particle aggregation on the bacteria membranes renders a dense array of inter-particle gaps in which the Raman signal is amplified by several orders of magnitude relative to the dispersed particles, enabling a multiplexed deterministic identification of the microorganisms. Quantification is achieved by passing the sample through a microfluidic device with a collection window where a laser interrogates and classifies the bacteria–nanoparticle aggregates in real time. Additionally, a comparison between two of the most common bio-recognition elements (antibodies and aptamers) was performed. This new pathogen detection system opens exciting prospects for fast inexpensive diagnosis of bacterial infections.