Biosensors based on vertically interrogated optofluidic sensing cells

El objetivo de la presente tesis doctoral es el desarrollo de un nuevo concepto de biosensor óptico sin marcado, basado en una combinación de técnicas de caracterización óptica de interrogación vertical y estructuras sub-micrométricas fabricadas sobre chips de silicio. Las características más importantes de dicho dispositivo son su simplicidad, tanto desde el punto de vista de medida óptica como de introducción de las muestras a medir en el área sensible, aspectos que suelen ser críticos en la mayoría de sensores encontrados en la literatura. Cada uno de los aspectos relacionados con el diseño de un biosensor, que son fundamentalmente cuatro (diseño fotónico, caracterización óptica, fabricación y fluídica/inmovilización química) son desarrollados en detalle en los capítulos correspondientes. En la primera parte de la tesis se hace una introducción al concepto de biosensor, en qué consiste, qué tipos hay y cuáles son los parámetros más comunes usados para cuantificar su comportamiento. Posteriormente se realiza un análisis del estado del arte en la materia, enfocado en particular en el área de biosensores ópticos sin marcado. Se introducen también cuáles son las reacciones bioquímicas a estudiar (inmunoensayos). En la segunda parte se describe en primer lugar cuáles son las técnicas ópticas empleadas en la caracterización: Reflectometría, Elipsometría y Espectrometría; además de los motivos que han llevado a su empleo. Posteriormente se introducen diversos diseños de las denominadas "celdas optofluídicas", que son los dispositivos en los que se va a producir la interacción bioquímica. Se presentan cuatro dispositivos diferentes, y junto con ellos, se proponen diversos métodos de cálculo teórico de la respuesta óptica esperada. Posteriormente se procede al cálculo de la sensibilidad esperada para cada una de las celdas, así como al análisis de los procesos de fabricación de cada una de ellas y su comportamiento fluídico. Una vez analizados todos los aspectos críticos del comportamiento del biosensor, se puede realizar un proceso de optimización de su diseño. Esto se realiza usando un modelo de cálculo simplificado (modelo 1.5-D) que permite la obtención de parámetros como la sensibilidad y el límite de detección de un gran número de dispositivos en un tiempo relativamente reducido. Para este proceso se escogen dos de las celdas optofluídicas propuestas. En la parte final de la tesis se muestran los resultados experimentales obtenidos. En primer lugar, se caracteriza una celda basada en agujeros sub-micrométricos como sensor de índice de refracción, usando para ello diferentes líquidos orgánicos; dichos resultados experimentales presentan una buena correlación con los cálculos teóricos previos, lo que permite validar el modelo conceptual presentado. Finalmente, se realiza un inmunoensayo químico sobre otra de las celdas propuestas (pilares nanométricos de polímero SU-8). Para ello se utiliza el inmunoensayo de albumina de suero bovino (BSA) y su anticuerpo (antiBSA). Se detalla el proceso de obtención de la celda, la funcionalización de la superficie con los bioreceptores (en este caso, BSA) y el proceso de biorreconocimiento. Este proceso permite dar una primera estimación de cuál es el límite de detección esperable para este tipo de sensores en un inmunoensayo estándar. En este caso, se alcanza un valor de 2.3 ng/mL, que es competitivo comparado con otros ensayos similares encontrados en la literatura. La principal conclusión de la tesis es que esta tipología de dispositivos puede ser usada como inmunosensor, y presenta ciertas ventajas respecto a los actualmente existentes. Estas ventajas vienen asociadas, de nuevo, a su simplicidad, tanto a la hora de medir ópticamente, como dentro del proceso de introducción de los bioanalitos en el área sensora (depositando simplemente una gota sobre la micro-nano-estructura). Los cálculos teorícos realizados en los procesos de optimización sugieren a su vez que el comportamiento del sensor, medido en magnitudes como límite de detección biológico puede ser ampliamente mejorado con una mayor compactación de pilares, alcanzandose un valor mínimo de 0.59 ng/mL). The objective of this thesis is to develop a new concept of optical label-free biosensor, based on a combination of vertical interrogation optical techniques and submicron structures fabricated over silicon chips. The most important features of this device are its simplicity, both from the point of view of optical measurement and regarding to the introduction of samples to be measured in the sensing area, which are often critical aspects in the majority of sensors found in the literature. Each of the aspects related to the design of biosensors, which are basically four (photonic design, optical characterization, fabrication and fluid / chemical immobilization) are developed in detail in the relevant chapters. The first part of the thesis consists of an introduction to the concept of biosensor: which elements consists of, existing types and the most common parameters used to quantify its behavior. Subsequently, an analysis of the state of the art in this area is presented, focusing in particular in the area of label free optical biosensors. What are also introduced to study biochemical reactions (immunoassays). The second part describes firstly the optical techniques used in the characterization: reflectometry, ellipsometry and spectrometry; in addition to the reasons that have led to their use. Subsequently several examples of the so-called "optofluidic cells" are introduced, which are the devices where the biochemical interactions take place. Four different devices are presented, and their optical response is calculated by using various methods. Then is exposed the calculation of the expected sensitivity for each of the cells, and the analysis of their fabrication processes and fluidic behavior at the sub-micrometric range. After analyzing all the critical aspects of the biosensor, it can be performed a process of optimization of a particular design. This is done using a simplified calculation model (1.5-D model calculation) that allows obtaining parameters such as sensitivity and the detection limit of a large number of devices in a relatively reduced time. For this process are chosen two different optofluidic cells, from the four previously proposed. The final part of the thesis is the exposition of the obtained experimental results. Firstly, a cell based sub-micrometric holes is characterized as refractive index sensor using different organic fluids, and such experimental results show a good correlation with previous theoretical calculations, allowing to validate the conceptual model presented. Finally, an immunoassay is performed on another typology of cell (SU-8 polymer pillars). This immunoassay uses bovine serum albumin (BSA) and its antibody (antiBSA). The processes for obtaining the cell surface functionalization with the bioreceptors (in this case, BSA) and the biorecognition (antiBSA) are detailed. This immunoassay can give a first estimation of which are the expected limit of detection values for this typology of sensors in a standard immunoassay. In this case, it reaches a value of 2.3 ng/mL, which is competitive with other similar assays found in the literature. The main conclusion of the thesis is that this type of device can be used as immunosensor, and has certain advantages over the existing ones. These advantages are associated again with its simplicity, by the simpler coupling of light and in the process of introduction of bioanalytes into the sensing areas (by depositing a droplet over the micro-nano-structure). Theoretical calculations made in optimizing processes suggest that the sensor Limit of detection can be greatly improved with higher compacting of the lattice of pillars, reaching a minimum value of 0.59 ng/mL).

Efecto de la adición de ingredientes funcionales en el comportamiento reológico y la textura de puré de patata (Cv. Kennebec) fresco y congelado

El interés creciente en encontrar alimentos precocinados congelados que se asemejen a productos naturales, capaces de superar un procesado con el menor daño, ha generado un aumento en el estudio de nuevos productos en este campo de la investigación. Las características de cada matriz alimentaria, la composición y estructura de los ingredientes, así como el efecto de las interacciones entre ellos, modifica la textura, estructura y las propiedades físicas y sensoriales del alimento, así como su aceptación por el consumidor. En este contexto, la investigación realizada en esta tesis doctoral se ha llevado a cabo en puré de patata considerado como una matriz alimentaria semisólida y se ha centrado en analizar los efectos de la concentración y modificación de la composición en las propiedades reológicas y de textura, en las propiedades físico-químicas y estructurales, así como en los atributos sensoriales de los purés de patata cuando a estos se le añaden diferentes ingredientes funcionales como fibra de guisante, inulina, aceite de oliva, aislado de proteína de soja, ácidos grasos omega 3 y/o sus mezclas. Para ello, se han realizado cuatro estudios donde se determinan las propiedades reológicas mediante ensayos dinámicos oscilatorios y en estado estacionario, los parámetros instrumentales de textura mediante ensayos de extrusión inversa y de penetración cónica, además de los cambios estructurales a través de cromatografía iónica con detector de pulsos amperométrico, cromatografía de gases con detector de ionización de llama y microscopía electrónica de barrido. Conjuntamente, se han evaluado los atributos sensoriales de los diferentes purés generando los descriptores que mejor definen la calidad sensorial del producto, utilizando un panel de jueces entrenados y valorándose la aceptación global de los nuevos productos mediante un panel de consumidores. En un primer estudio, el puré de patata natural congelado elaborado con crioprotectores se enriqueció con fibra dietética insoluble (fibra de guisante), fibra dietética soluble (inulina) y sus mezclas. La fibra de guisante influyó significativa y negativamente en la textura del puré de patata, percibiéndose en el producto un incremento de la dureza y de la arenosidad, mientras que la inulina produjo un ablandamiento del sistema. En un segundo estudio, el puré de patata natural fresco y congelado/descongelado elaborado con y sin crioprotectores, se enriqueció con fibra dietética soluble (inulina), aceite de oliva virgen extra y sus mezclas. La adición de estos dos ingredientes generó un ablandamiento de la matriz del sistema, produciéndose, sin embargo, un efecto sinérgico entre ambos ingredientes funcionales. La inulina tuvo un efecto más significativo en la viscosidad aparente del producto, mientras que el aceite de oliva virgen extra afectó más significativamente a la pseudoplasticidad, al índice de consistencia y a la viscosidad plástica del mismo. El proceso de congelación y descongelación utilizado favoreció la reducción del tamaño de las partículas de inulina haciéndolas imperceptibles al paladar, obteniéndose productos más cremosos y con mayor aceptabilidad global que sus homólogos frescos. En un tercer estudio, el puré de patata natural fresco y congelado/descongelado elaborado con crioprotectores se enriqueció con mezclas de fibra dietética soluble (inulina) y aislado de proteína de soja. Los resultados demostraron que el ciclo de congelación y descongelación realizado no afecta el grado de polimerización de la inulina. La estructura química de la inulina tampoco se vio afectada por la incorporación de la soja. El proceso de congelación/descongelación, así como la adición de concentraciones altas de inulina y bajas de aislado de proteína de soja, favorecen la disminución de la contribución de la componente viscosa en las propiedades viscoelásticas del puré de patata. La cremosidad fue el único atributo sensorial que presentó una correlación lineal significativa entre las puntuaciones otorgadas por panelistas entrenados y no entrenados. Por último, se elaboró un puré de patata natural fresco y congelado/descongelado optimizado con crioprotectores y enriquecido con la suma de ácido docosahexaenoico (DHA, C22:6 n-3) y ácido eicosapentaenoico (EPA, C20:5 n-3) y con ácido α-linolénico (ALA, C18:3 n-3) microencapsulados. El ciclo de congelación y descongelación no afectó al perfil de ácidos grasos del puré de patata. La adición de omega 3 procedente de aceites de lino y pescado microencapsulados mejora los indicadores nutricionales que definen la calidad de la grasa, obteniéndose un producto más saludable. ABSTRACT The growing interest in finding frozen precooked products that are like a natural product and capable of withstanding initial processing with minimum damage and remaining stable during preservation and reheating prior to consumption has generated an increase in studies of new products in this field of research. The characteristics of each food matrix, the composition and structure of the ingredients and the effect of interactions between them alter the texture, structure and physical and sensory properties of the food product and its acceptance by the consumer. In this context, the research conducted in this doctoral thesis was carried out on mashed potato, considered as a semi-solid food matrix, and focused on analysing the effects of concentration and modification of the composition of the mashed potato matrix on the rheological and textural properties, physicochemical and structural properties and sensory attributes of mashed potato when various functional ingredients are added to it, such as pea fibre, inulin, olive oil, soy protein isolate, omega 3 fatty acids and/or mixtures of these ingredients. Four studies were conducted for this purpose. Rheological properties were determined by oscillatory dynamic tests and stationary state tests, and instrumental texture parameters by backward extrusion and cone penetration tests. Structural changes were studied by ion chromatography with pulsed amperometric detector, gas chromatography with flame ionisation detector and scanning electron microscopy. The sensory attributes of the various mashed potato mixtures were evaluated by generating the descriptors that best defined the sensory quality of the products and using a panel of trained judges, and overall acceptance of the new products was evaluated by a panel of consumers. In the first study, frozen natural mashed potato incorporating cryoprotectants was enriched with insoluble dietary fibre (pea fibre), soluble dietary fibre (inulin) and mixtures of the two. Pea fibre had a significant negative influence on the texture of the mashed potato, producing an increase in hardness and granularity, whereas inulin produced a softening of the system. In the second study, fresh and frozen/thawed natural mashed potato prepared with and without cryoprotectants was enriched with soluble dietary fibre (inulin), extra virgin olive oil and mixtures of the two. The addition of these two ingredients generated softening of the matrix of the system, but a synergic effect between the two functional ingredients was produced. Inulin had a more significant effect on the apparent viscosity of the product, whereas extra virgin olive oil had a more significant effect on its pseudoplasticity, consistency index and plastic viscosity. The freezing and thawing process that was used contributed to a reduction in the size of the inulin particles, making them imperceptible to the palate and producing creamier products with greater overall acceptability than their fresh equivalents. In the third study, the fresh and frozen/thawed natural mashed potato incorporating cryoprotectants was enriched with mixtures of soluble dietary fibre (inulin) and soy protein isolate. The results showed that the freezing and thawing process that was performed did not affect the degree of polymerisation of the inulin. The chemical structure of the inulin was also not affected by the incorporation of soy. The freezing and thawing process and the addition of high concentrations of inulin and low concentrations of soy protein isolate favoured a decrease in the contribution of the viscous component to the viscoelastic properties of the mashed potato. Creaminess was the only sensory attribute that presented a significant linear correlation between the scores given by trained and untrained panellists. Lastly, fresh and frozen/thawed natural mashed potato optimised with cryoprotectants was prepared and enriched with the sum of docosahexaenoic acid (DHA, C22:6 n-3) and eicosapentaenoic acid (EPA, C20:5 n-3) and with α-linolenic acid (ALA, C18:3 n-3), microencapsulated. The freezing and thawing process did not affect the fatty acid profile of the mashed potato. The addition of omega 3 obtained from microencapsulated linseed and fish oils improved the nutritional indicators that define the quality of the fat, producing a healthier product.