Nanobiosensors for diagnostics applications Alejandro Zamora Gálvez

157 Pages·2017·16.75 MB·English

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Nanobiosensors for
diagnostics applications

Alejandro Zamora Gálvez

PhD Thesis

PhD in Chemistry
Directors
ICREA Prof. Arben Merkoçi
Dr. Carmen C. Mayorga Martínez
Dr. Edén Morales Narváez
Chemistry Department
Science Faculty
2017

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Memòria presentada per aspirar al Grau de Doctor per Alejandro Zamora Gálvez

Alejandro Zamora Gálvez

Vist i plau

Dr. Carmen C Mayorga Martinez
ICREA Prof. Arben Merkoçi Hyka
School of Physical & Mathematical
Nanobioelectronics & Biosensors Group
Sciences, Division of Chemistry &
ICN2 Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia Biological Chemistry
Nanyang Technological University

Dr Edén Morales Narváez

Biophotonic Nanosensors
Laboratory, Photonics Department
Centro de Investigaciones en Óptica

Bellaterra, 20 de Juliol de 2017
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Agradecimientos
In this part, I’m going to explain in my mother language the acknowledgments
(Agradecimientos) for all the people that support me during this years.
Primero de todo quiero agradecer al Profesor Arben Merkoçi la oportunidad que me ha dado
de realizar tanto mis estudios de Master como de Doctorado en su grupo, por ayudarme
siempre que lo he necesitado y por guiarme en el mundo de la investigación. A Carmen
Mayorga por todo lo que me ayudo cuando yo empezaba en este mundo, siempre estando
pendiente de mí y por ser una postdoc que siempre intentaba saber cómo le va a sus alumnos
y ayudarles. A Edén Morales, darle las gracias por todo lo que me ha enseñado respecto al
mundo de los quantum dots y de la fluorescencia y por todo lo que me ha ayudado con la
escritura de los artículos. Quiero también hacer una mención a Ruslán Alvarez, que a pesar
de no ser mi director de tesis me ha aportado muchísimo tanto a nivel de trabajo como social,
ayudándome siempre con mis dudas, dándome grandes ideas en las que trabajar juntos, pero
sobre todo por ser un gran amigo con el que no puedo pasármelo mejor.
Quiero centrarme en la persona que me ha dado fuerzas siempre para continuar incluso en
los momentos más difíciles, dándome su apoyo incondicional y ser siempre mi guía, y de la
cual decir que esta tesis es en parte suya por todo lo que me ha dado siempre, y esa persona
es mi esposa Nuria. Solo puedo decirle gracias por todas las horas que has dedicado
ayudándome a corregir textos o intentando solucionar mis problemas de teoría, esta tesis no
habría sido posible sin ti a mi lado.
Agradecer también a mis padres que siempre me hayan apoyado a que siguiera estudiando y
que enriqueciera mi vida con conocimientos, dándome siempre todas las facilidades para
continuar mis estudios y a pesar de no poder ayudarme en ellos, dándome el cariño que es
más importante que cualquier otra cosa.
Quería también hablar de todos mis compañeros de trabajo, aunque ya no puedo llamarlos
compañeros porque juntos somos una familia y grandes amigos, con los que puedo decir que
he vivido de los mejores momentos de mi vida. Siempre recordare las conversaciones
absurdas durante la hora de comer, nuestras cervezas juntos, todas las noches de fiesta
donde siempre acaba pasando algo que recordamos por meses. Me gustaría acordarme de
Dani, con el cual me une una amistad de más de diez años y que hemos pasado juntos por
todas las penurias de la carrera, master y doctorado, y siempre ha sido un gran amigo con el
que se puede contar y que aguanta mis locuras. A Amadeo, una persona que esta tan loca
como yo y con la que siempre puedo contar para pasar un buen rato , a Juan por sus chistes
horribles y por hacer el grupo más divertido, a José Fran porque es una persona con la que
puedes hablar de todo tanto cosas absurdas como serias y siempre te lo pasas bien, a Anna
porque aparte de ser una persona increíble sin ella seguramente estaríamos muertos, a Pablo
y sus conversaciones profundas e interminables y de sus intentos por querer jugar siempre a
las películas conmigo, también acordarme de Ruslan, Enric, Denise, Yef, Gina, Marc, por
hacerme disfrutar las horas de trabajo, por todo lo que reímos juntos y todas fiestas que
hemos hecho y disfrutado. A gente que a pesar de ya no estar en el grupo han sido muy
importantes para mí como Irene; de la que siempre echaré de menos nuestros desayunos en
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mi mesa, de las risas y de los grandes momentos juntos, a Luiza y Jahir, dos personas a las
que admiro profesionalmente y considero dos de las mejores personas que conozco. Recordar
también a miembros antiguos del grupo que significaron algo para mí como Marisol; que
siempre me ayudo con todo y es una persona estupenda, Alex, Luis, Sandrine, Lourdes,
Natalia, Alessandra, Flavio, Thiago, Fabio, Abdellatif, Monica, Maria Luiza, Nopchulee, Hector,
Aida, Adrià, Alfredo, Carme, Erhan, Livia, Andrzej, Emma, Guilia, Recep, Esma y todos los
restantes, por todo lo que me han aportado.
Acordarme también de la gente de Química, Ana, Mª Angels, Javi, Dani, Marta, con los que
tantos años hemos pasado juntos desde que empezamos la carrera, por todas las cosas que
hemos hecho juntos que siempre hace que disfrutes más de la vida, por todas las risas, por
todas las cenas raras y cafés tomados.
Finalmente dar las gracias a los servicios técnicos del ICN como los departamentos de
Microscopia, sobre todo a Marcos y Belén, de Rayos X a Guillaume y Common Services a Javier
Saiz.

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Acknowledgment for the economic and logistic support:

“Detection of PTHrP using magneto sandwich
immunoassay”

Work done by ICN group as a contribution to the project:
“Evaluation of the calcium sensing receptor as a potential new tumor suppressor
gene and therapeutic target in neuroblastoma”.

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Glossary
ELISA: enzyme linked immunosorbent assay
Fab: antigen-binding fragment
AuNPs: gold nanoparticles
MWCNT: multi walled carbon nanotubes
CNTs: carbon nanotubes
CFU: colony forming units
HPLC: high pressure liquid chromatography
ATRP: atom transfer radical polymerization
MIP: molecularly imprinted polymer
MNPs: magnetic nanoparticles
SMX: sulfamethoxazole
SEM: scanning electron microscopy
TEM: transmission electron microscopy
FT-IR: Fourier transform infrared spectroscopy
XPS: X-ray photoelectron spectroscopy
SPCE: screen printed carbon electrodes.
DMSO: dimethyl sulfoxide
MAA: methacrylic acid
PVP: polyvinylpirrolidone
Py: pyrrole
NIP: non imprinted polymer
EIS: electrochemical impedance spectroscopy
SDZ: sulfadiazine
SCT: sulfacetamine
LOD: limit of detection
LOQ: limit of quantification
TBT: tributyltin
MBT: monobutyltin
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DBT: dibutyltin
APTS: aminopropyltriethoxysilane
EGDMA: ethylene glycol dimethacrylate
IF: imprinting factor
GO: graphene oxide
IgG: immunoglobulin G
QDs: quantum dots
LFA: lateral flow immunoassay
Ab: antibody
TL: test line
CL: control line
ppb: parts per billion
PBS: phosphate buffer saline
BSA: bovine serum albumin

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TESIS OVERVIEW
This PhD thesis describes the development of innovative nanomaterials-based platforms
with interest for environment as well as other diagnostics applications. The first platform
takes advantages of molecularly imprinted polymers (MIPs) and magnetic nanoparticles for
electrochemical detection of contaminants. The second one consists in a lateral flow
immunoassay, where quantum dots (QDs) are used as photoluminescence source and
graphene oxide as quencher to perform fluorescence measurements.
Chapter 1 is an introduction in the topic and shows the state of the art of nanomaterials
connected to biological and non-biological receptors for bio/sensing applications. This
chapter discusses how antibodies (biological receptor) and molecularly imprinted polymers
(non-biological-receptors) can improve the sensitivity, stability and specificity of the
bio/sensing systems for a large number of analytes and different transducer methods, ranging
from optical to electrochemical techniques.
In Chapter 2, the objectives of the thesis are explained.
In Chapter 3 and Chapter 4, two different sensors based on magnetic nanoparticles
decorated with molecularly imprinted polymer (MIP) as non-biological receptor for
sulfonamide and tributyltin detection are presented. In both sensors, the electrochemical
impedance spectroscopy is used as a transduction method. The first sensor (chapter 3) has a
related paper in “Anal. Chem. 2016, 88, 3578−3584” and the second sensor (chapter4) is
related to the paper published in “Electrochem. Commun. 2017,
10.1016/j.elecom.2017.07.007. Two MIPs are fabricated using: (i) pyrrole and methacrylic
acid for sulfonamide, and (ii) EGDMA and APTS selective to tributyltin. Moreover, the
fabrication methods as well as the analytical performance including their application in real
samples are explained in detail in each chapter.
In Chapter 5, is presented a lateral flow immunoassay whose photoluminescent
properties can be modulated upon protein recognition via the photoluminescence quenching
capabilities of graphene oxide (GO). The assay is intended for the detection of a model protein
in human serum, that is, human immunoglobulin G, with the aim to demonstrate a virtually
universal protein detection platform. The proposed system shows a low limit of detection
improving the conventional lateral flow with gold nanoparticles for the detection of the same
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analyte in standard buffer. Also the system is able to achieve excellent limits of detection in a
complex matrix such as human serum.
Finally, in Chapter 6, the general conclusions and the future perspectives are discussed.
In addition, annex reports all the publications resulted during the development of this
PhD thesis.

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