Implementación y desarrollo de biosensores amperométricos en el ámbito biomédico

Abstract

En la presente memoria de tesis doctoral se han desarrollado biosensores nanoestructurados basados en el empleo de nanopartículas magnéticas (NPMs) modificadas con polidopamina (pDA). Los procesos de síntesis, modificación y construcción de los dispositivos electroquímicos han sido evaluados convenientemente y han permitido valorar la eficiencia y la aplicabilidad de los dispositivos ensayados.

El método de síntesis de las NPMs empleado (co-precipitación química a partir de una disolución de sales de Fe3+/Fe2+ en condiciones alcalinas) ha resultado ser un método conveniente y adecuado para la síntesis de las NPMs. La simplicidad del método de síntesis y la capacidad de preparar gran cantidad de NPMs ha resultado beneficiosa para el desarrollo de esta tesis. El tamaño, estructura, comportamiento magnético y composición de fase de las NPMs ha podido ser estudiado mediante técnicas de caracterización de materiales, tales como: SEM, TEM, XPS, XRD, AFM, análisis térmico, estudio de la susceptibilidad magnética, técnicas espectroscópicas, etc.

La polimerización de la polidopamina se ha realizado introduciendo una cierta cantidad de NPMs en una disolución de dopamina en condiciones ligeramente alcalinas dando una configuración híbrida tipo core-shell (núcleo-cáscara): NPMs@pDA. La derivatización y composición de las NPMs modificadas fue estudiada mediante las técnicas instrumentales anteriormente comentadas. Se ha prestado especial atención al tiempo de polimerización que afecta al grosor de la capa polimérica y al estado de oxidación de la misma. De este modo se ha demostrado que mediante un proceso de oxidación térmica es posible incrementar cantidad de grupos reactivos (quinonas) en la superficie del polímero e incrementar la cantidad de material retenido en superficie.

Las NPM@pDA se han utilizado como sustrato de inmovilización de material biológico (enzimas y anticuerpo) y se han empleado en el desarrollo de biosensores enzimáticos amperométricos de primera y segunda generación para detectar peróxido de hidrógeno, glucosa y compuestos fenólicos. A su vez, han sido empleadas como magnetoinmunoplataformas para la determinación de Legionella neumophila.

El beneficio del empleo de superficies nanoestructuras modificadas con polidopamina ha quedado demostrado al estudiar diferentes configuraciones y los principales parámetros, cinéticos, electroquímicos, y analíticos. Los cálculos de la relación señal/ruido, sensibilidad, selectividad, intervalos de linealidad y los límites de detección y cuantificación para los compuestos estudiados han demostrado la aplicabilidad de los dispositivos ensayados.

Finalmente, se ha estudiado la respuesta de los biosensores desarrollados en condiciones próximas a las reales, prestando especial atención a los fenómenos de interferencia, y comparando los resultados con métodos estándares.

Herein dissertation nanostructured biosensors, based on poly(dopamine)-modified magnetic nanoparticles (MNPs@pDA), have been developed. Synthesis, modification and construction of biosensors have been evaluated. The efficiency and applicability of the devices were tested. Chemical co-precipitation from Fe3+/Fe2+ solution (2:1) (under alkaline conditions) has proved a convenient and suitable method for obtaining MNPs. The simplicity of the method of synthesis and the ability to prepare lots of MNPs has been beneficial to the development of this thesis. The size, structure, magnetic behavior and phase composition have been studied using different techniques such as SEM, TEM, XPS, XRD, AFM, thermal analysis, magnetic susceptibility, etc. The polymerization of poly(dopamine) was performed introducing a certain amount of MNPs in dopamine solution (in slightly alkaline conditions) giving a hybrid core-shell structure (MNPs@pDA). Derivatization and chemical composition of the modifiedMNPs were studied too. Special attention was paid at the polymerization time and its effects on the polymer thickness. The oxidation state of the polymer was evaluated too. Thus, it was shown that thermal oxidation of the film can increase the number of reactive groups (quinones) on the surface of the polymer, and increase the amount of material retained on the surface of the MNPs@pDA. Modified-nanoparticles were used as substrate for immobilizing biological material (enzyme and antibody) and have been used to develop amperometric biosensors. Hydrogen peroxide, glucose and phenolic compounds were detected using the present approach. On the other hand, magnetoinmunoplatforms were developed to detect Legionella pneumophila. The benefit of using nanostructured materials has been demonstrated. The main experimental parameters, kinetic, electrochemical and analytical properties of each biosensor were evaluated. Signal-to-noise ratio, sensitivity, selectivity, linearity ranges and limits of detection and quantification were obtained. We have studied the biosensor response under real conditions, paying special attention to interference phenomena and comparing the results with standard methods.