Simple laccase-based biosensor for formetanate hydrochloride quantification in fruits

This work describes the development of an electrochemical enzymatic biosensor for quantification of the pesticide formetanate hydrochloride (FMT). It is based on a gold electrode modified with electrodeposited gold nanoparticles and laccase. The principle behind its development relies on FMT's capacity to inhibit the laccase catalytic reaction that occurs in the presence of phenolic substrates. The optimum values for the relevant experimental variables such as gold nanoparticles electrochemical deposition (at − 0.2 V for 100 s), laccase immobilization (via glutaraldehyde cross-linking), laccase concentration (12.4 mg/mL), substrate selection and concentration (5.83×10−5 M of aminophenol), pH (5.0), buffer (Britton–Robinson), and square-wave voltammetric parameters were determined. The developed biosensor was successfully applied to FMT determination in mango and grapes. The attained limit of detection was 9.5×10−8 ± 9.5×10−10 M (0.02 ± 2.6×10−4 mg/kg on a fresh fruit weight basis). Recoveries for the five tested spiking levels ranged from 95.5 ± 2.9 (grapes) to 108.6 ± 2.5% (mango). The results indicated that the proposed device presents suitable characteristics in terms of sensitivity (20.58 ± 0.49 A/μM), linearity (9.43×10−7 to 1.13×10−5 M), accuracy, repeatability (RSD of 1.4%), reproducibility (RSD of 1.8%) and stability (19 days) for testing of compliance with established maximum residue limits of FMT in fruits and vegetables.

Electrochemical immunosensor for the analysis of the breast cancer biomarker HER2 ECD

Human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) is a breast cancer biomarker that plays a major role in promoting breast cancer cell proliferation and malignant growth. The extracellular domain (ECD) of HER2 can be shed into the blood stream and its concentration is measurable in the serum fraction of blood. In this work an electrochemical immunosensor for the analysis of HER2 ECD in human serum samples was developed. To achieve this goal a screen-printed carbon electrode, modified with gold nanoparticles, was used as transducer surface. A sandwich immunoassay, using two monoclonal antibodies, was employed and the detection of the antibody–antigen interaction was performed through the analysis of an enzymatic reaction product by linear sweep voltammetry. Using the optimized experimental conditions the calibration curve (ip vs. log[HER2 ECD]) was established between 15 and 100 ng/mL and a limit of detection (LOD) of 4.4 ng/mL was achieved. These results indicate that the developed immunosensor could be a promising tool in breast cancer diagnostics, patient follow-up and monitoring of metastatic breast cancer since it allows quantification in a useful concentration range and has an LOD below the established cut-off value (15 ng/mL).

Proof of Concept of the Electrochemical Sensing of 3-Iodothyronamine (T1AM) and Thyronamine (T0AM)

Recent studies have shown that, besides the well-recognized T3 and T4 hormones, there are other relevant thyroid hormones circulating in the human body. In particular, this is the case for 3-iodothyronamine (T1AM) and thyronamine (T0AM). One of the reasons for the lack of studies showing their precise importance is the absence of analytical methodologies available. Herein, for the first time, T1AM and T0AM are electrochemically characterized. T0AM was sensed by means of a glassy carbon electrode; furthermore, T1AM was sensed both with a graphitic surface (oxidatively) as well as with mercury (reductively). For both compounds, after oxidation, it was possible to observe the reversible redox reaction concerning the benzoquinone/hydroquinone couple, thus increasing the specificity of the electroanalysis. Therefore, this work provides the basis for an ‘at-point-of-use’ electrochemical strip test for T1AM and T0AM.

The development of the N1 and N2 components in auditory oddball paradigms: a systematic review with narrative analysis and suggested normative values

Auditory event-related potentials (AERPs) are widely used in diverse fields of today’s neuroscience, concerning auditory processing, speech perception, language acquisition, neurodevelopment, attention and cognition in normal aging, gender, developmental, neurologic and psychiatric disorders. However, its transposition to clinical practice has remained minimal. Mainly due to scarce literature on normative data across age, wide spectrumof results, variety of auditory stimuli used and to different neuropsychological meanings of AERPs components between authors. One of the most prominent AERP components studied in last decades was N1, which reflects auditory detection and discrimination. Subsequently, N2 indicates attention allocation and phonological analysis. The simultaneous analysis of N1 and N2 elicited by feasible novelty experimental paradigms, such as auditory oddball, seems an objective method to assess central auditory processing. The aim of this systematic review was to bring forward normative values for auditory oddball N1 and N2 components across age. EBSCO, PubMed, Web of Knowledge and Google Scholarwere systematically searched for studies that elicited N1 and/or N2 by auditory oddball paradigm. A total of 2,764 papers were initially identified in the database, of which 19 resulted from hand search and additional references, between 1988 and 2013, last 25 years. A final total of 68 studiesmet the eligibility criteria with a total of 2,406 participants from control groups for N1 (age range 6.6–85 years; mean 34.42) and 1,507 for N2 (age range 9–85 years; mean 36.13). Polynomial regression analysis revealed thatN1latency decreases with aging at Fz and Cz,N1 amplitude at Cz decreases from childhood to adolescence and stabilizes after 30–40 years and at Fz the decrement finishes by 60 years and highly increases after this age. Regarding N2, latency did not covary with age but amplitude showed a significant decrement for both Cz and Fz. Results suggested reliable normative values for Cz and Fz electrode locations; however, changes in brain development and components topography over age should be considered in clinical practice.

Construção de Biossensores de ADN para a Avaliação da Capacidade Antioxidante

Mestrado em Engenharia da Computação e Instrumentação Médica

Sensor electroquímico seletivo para a Norfloxacina

A Norfloxacina (NFX) é um antibiótico antibacteriano indicado para combater bactérias Gram-negativas e amplamente utilizado para o tratamento de infeções no trato respiratório e urinário. Com a necessidade de realizar estudos clínicos e farmacológicos esenvolveram-se métodos de análise rápida e sensitiva para a determinação da Norfloxacina. Neste trabalho foi desenvolvido um novo sensor eletroquímico sensível e seletivo para a deteção da NFX. O sensor foi construído a partir de modificações efetuadas num elétrodo de carbono vítreo. Inicialmente o elétrodo foi modificado com a deposição de uma suspensão de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) de modo a aumentar a sensibilidade de resposta analítica. De seguida um filme polímerico molecularmente impresso (MIP) foi preparado por eletrodeposição, a partir de uma solução contendo pirrol (monómero funcional) e NFX (template). Um elétrodo de controlo não impresso foi também preparado (NIP). Estudouse e caraterizou-se a resposta eletroquímica do sensor para a oxidação da NFX por voltametria de onda quadrada. Foram optimizados diversos parâmetros experimentais, tais como, condições ótimas de polimerização, condições de incubação e condições de extração. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade da corrente do pico e o logaritmo da concentração de NFX na gama entre 0,1 e 8μM. Os resultados obtidos apresentam boa precisão, com repetibilidade inferior a 6% e reprodutibilidade inferior a 9%. Foi calculado a partir da curva de calibração um limite de deteção de 0,2 μM O método desenvolvido é seletivo, rápido e de fácil manuseamento. O sensor molecularmente impresso foi aplicado com sucesso na deteção da NFX em amostras de urina real e água.

One-step preparation of optically transparent Ni-Fe oxide film electrocatalyst for oxygen evolution reaction

Optically transparent cocatalyst film materials is very desirable for improved photoelectrochemical (PEC)oxygen evolution reaction (OER) over light harvesting photoelectrodes which require the exciting light to irradiate through the cocatalyst side, i.e., front-side illumination. In view of the reaction overpotential at electrode/electrolyte interface, the OER electrocatalysts have been extensively used as cocatalysts for PEC water oxidation on photoanode. In this work, the feasibility of a one-step fabrication of the transparent thin film catalyst for efficient electrochemical OER is investigated. The Ni-Fe bimetal oxide films, 200 nm in thickness, are used for study. Using a reactive magnetron co-sputtering technique, transparent(> 50% in wavelength range 500-2000 nm) Ni-Fe oxide films with high electrocatalytic activities were successfully prepared at room temperature. Upon optimization, the as-prepared bimetal oxide film with atomic ratio of Fe/Ni = 3:7 demonstrates the lowest overpotential for the OER in aqueous KOH solution, as low as 329 mV at current density of 2 mA cm 2, which is 135 and 108 mV lower than that of as-sputtered FeOx and NiOx thin films, respectively. It appears that this fabrication strategy is very promising to deposit optically transparent cocatalyst films on photoabsorbers for efficient PEC water splitting.

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNOS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de agentes oxidantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos agentes oxidantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por agentes oxidantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três agentes oxidantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como agentes oxidantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se utilizou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (871 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L). Na presença de HClO, o valor de CAT mais elevado pertence a uma amostra de sumo (513 mg AAE/L) mas, o valor de CAT da amostra de sumo natural é muito mais baixa do que o esperado (17 mg AAE/L). Foram estudados outros antioxidantes para além do AA (ácido cumárico, ácido gálico e ácido cafeico), e constatou-se que cada um deles promove proteção ao dA20-EPC na presença de cada um dos diferentes contaminantes (H2O2, NO• e HClO).

Desenvolvimento de um método potenciométrico para deteção de salmonella typhimurium

A Salmonella é um microrganismo responsável por grande parte das doenças alimentares, podendo por em causa a saúde pública da área contaminada. Uma deteção rápida, eficiente e altamente sensível e extremamente importante, sendo um campo em franco desenvolvimento e alvo de variados e múltiplos estudos na comunidade cientifica atual. Foi desenvolvido um método potenciométrico para a deteção de Salmonellas, com elétrodos seletivos de iões, construídos em laboratório com pontas de micropipetas, fios de prata e sensores com composição otimizada. O elétrodo indicador escolhido foi um ESI seletivo a cadmio, para redução da probabilidade de interferências no método, devido a pouca abundancia do cadmio em amostras alimentares. Elétrodos seletivos a sódio, elétrodos de Ag/AgCl de simples e de dupla juncão foram também construídos e caracterizados para serem aplicados como elétrodos de referência. Adicionalmente otimizaram-se as condições operacionais para a analise potenciométrica, nomeadamente o elétrodo de referencia utilizado, condicionamento dos elétrodos, efeito do pH e volume da solução amostra. A capacidade de realizar leituras em volumes muito pequenos com limites de deteção na ordem dos micromolares por parte dos ESI de membrana polimérica, foi integrada num ensaio com um formato nao competitivo ELISA tipo sanduiche, utilizando um anticorpo primário ligado a nanopartículas de Fe@Au, permitindo a separação dos complexos anticorpo-antigénio formados dos restantes componentes em cada etapa do ensaio, pela simples aplicação de um campo magnético. O anticorpo secundário foi marcado com nanocristais de CdS, que são bastante estáveis e é fácil a transformação em Cd2+ livre, permitindo a leitura potenciométrica. Foram testadas várias concentrações de peroxido de hidrogénio e o efeito da luz para otimizar a dissolução de CdS. O método desenvolvido permitiu traçar curvas de calibração com soluções de Salmonellas incubadas em PBS (pH 4,4) em que o limite de deteção foi de 1100 CFU/mL e de 20 CFU/mL, utilizando volumes de amostra de 10 ƒÊL e 100 ƒÊL, respetivamente para o intervalo de linearidade de 10 a 108 CFU/mL. O método foi aplicado a uma amostra de leite bovino. A taxa de recuperação media obtida foi de 93,7% } 2,8 (media } desvio padrão), tendo em conta dois ensaios de recuperação efetuados (com duas replicas cada), utilizando um volume de amostra de 100 ƒÊL e concentrações de 100 e 1000 CFU/mL de Salmonella incubada.

Imunossensores Eletroquímicos para o Diagnóstico Precoce e Descentralizado do Cancro da Mama

O cancro é uma das principais causas de morte em todo o mundo. Entre as mulheres, o cancro da mama é o mais frequente. A deteção precoce do cancro é de extrema importância na medida em que pode aumentar as possibilidades de cura dos pacientes e contribuir para a diminuição da taxa de mortalidade desta doença. Um método que tem contribuído para a deteção precoce do cancro é a análise de biomarcadores. Biomarcadores associados ao cancro da mama, como o Recetor 2 do Fator de Crescimento Epidérmico Humano (HER2) e o Antigénio Carbohidratado 15-3 (CA 15-3), podem ser detetados através de dispositivos como os biossensores. Neste trabalho foram desenvolvidos dois imunossensores eletroquímicos para a análise de HER2 e CA 15-3. Para ambos os sensores foram utilizados, como transdutores, elétrodos serigrafados de carbono. A superfície destes transdutores foi nanoestruturada com nanopartículas de ouro. Foram realizados imunoensaios não-competitivos (do tipo sandwich) em ambos os imunossensores, cuja estratégia consistiu na (i) imobilização do respetivo anticorpo de captura na superfície nanoestruturada dos elétrodos, (ii) bloqueio da superfície com caseína, (iii) incubação com uma mistura do analito (HER2 ou CA 15-3) e o respetivo anticorpo de deteção biotinilado, (iv) adição de estreptavidina conjugada com fosfatase alcalina (S-AP; a AP foi utilizada como marcador enzimático), (v) adição de uma mistura do substrato enzimático (3-indoxil fosfato) e nitrato de prata, e (vi) deteção do sinal analítico através da redissolução anódica, por voltametria de varrimento linear, da prata depositada enzimaticamente. Com as condições experimentais otimizadas, foi estabelecida a curva de calibração para a análise de HER2 em soro, entre 15 e 100 ng/mL, obtendo-se um limite de deteção de 4,4 ng/mL. Para o CA 15-3 a curva de calibração (em solução aquosa) foi estabelecida entre 15 e 250 U/mL, obtendo-se um limite de deteção de 37,5 U/mL. Tendo em conta o valor limite (cutoff value) estabelecido para o HER2 (15 ng/mL) pode-se comprovar a possível utilidade do imunossensor desenvolvido para o diagnóstico precoce e descentralizado do cancro da mama. No caso do CA 15-3 serão necessários estudos adicionais para se poder avaliar a utilidade do imunossensor para o diagnóstico do cancro da mama.

Chitosan/AuNPs Modified Graphene Electrochemical Sensor for Label-Free Human Chorionic Gonadotropin Detection

A new immunosensor is presented for human chorionic gonadotropin (hCG), made by electrodepositing chitosan/gold-nanoparticles over graphene screen-printed electrode (SPE). The antibody was covalently bound to CS via its Fc-terminal. The assembly was controlled by electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and followed by Fourier Transformed Infrared (FTIR). The hCG-immunosensor displayed linear response against the logarithm-hCG concentration for 0.1–25 ng/mL with limit of detection of 0.016 ng/mL. High selectivity was observed in blank urine and successful detection of hCG was also achieved in spiked samples of real urine from pregnant woman. The immunosensor showed good detection capability, simplicity of fabrication, low-cost, high sensitivity and selectivity.

RuSe Electrocatalysts and Single Wall Carbon Nanohorns Supports for the Oxygen Reduction Reaction

Selenium modified ruthenium electrocatalysts supported on carbon black were synthesized using NaBH4 reduction of the metal precursor. Prepared Ru/C electrocatalysts showed high dispersion and very small averaged particle size. These Ru/C electrocatalysts were subsequently modified with Se following two procedures: (a) preformed Ru/carbon catalyst was mixed with SeO2 in xylene and reduced in H2 and (b) Ru metal precursor was mixed with SeO2 followed by reduction with NaBH4. The XRD patterns indicate that a pyrite-type structure was obtained at higher annealing temperatures, regardless of the Ru:Se molar ratio used in the preparation step. A pyrite-type structure also emerged in samples that were not calcined; however, in this case, the pyrite-type structure was only prominent for samples with higher Ru:Se ratios. The characterization of the RuSe/C electrocatalysts suggested that the Se in noncalcined samples was present mainly as an amorphous skin. Preliminary study of activity toward oxygen reduction reaction (ORR) using electrocatalysts with a Ru:Se ratio of 1:0.7 indicated that annealing after modification with Se had a detrimental effect on their activity. This result could be related to the increased particle size of crystalline RuSe2 in heat-treated samples. Higher activity of not annealed RuSe/C catalysts could also be a result of the structure containing amorphous Se skin on the Ru crystal. The electrode obtained using not calcined RuSe showed a very promising performance with a slightly lower activity and higher overpotential in comparison with a commercial Pt/C electrode. Single wall carbon nanohorns (SWNH) were considered for application as ORR electrocatalysts' supports. The characterization of SWNH was carried out regarding their tolerance toward strong catalyzed corrosion conditions. Tests indicated that SWNH have a three times higher electrochemical surface area (ESA) loss than carbon black or Pt commercial electrodes.

Graphene-based biomimetic materials targeting urine metabolite as potential cancer biomarker: Application over different conductive materials for potentiometric transduction

This work presents a novel surface Smart Polymer Antibody Material (SPAM) for Carnitine (CRT, a potential biomarker of ovarian cancer), tested for the first time as ionophore in potentiometric electrodes of unconventional configuration. The SPAM material consisted of a 3D polymeric network created by surface imprinting on graphene layers. The polymer was obtained by radical polymerization of (vinylbenzyl) trimethylammonium chloride and 4-styrenesulfonic acid (signaling the binding sites), and vinyl pivalate and ethylene glycol dimethacrylate (surroundings). Non-imprinted material (NIM) was prepared as control, by excluding the template from the procedure. These materials were then used to produce several plasticized PVC membranes, testing the relevance of including the SPAM as ionophore, and the need for a charged lipophilic additive. The membranes were casted over solid conductive supports of graphite or ITO/FTO. The effect of pH upon the potentiometric response was evaluated for different pHs (2-9) with different buffer compositions. Overall, the best performance was achieved for membranes with SPAM ionophore, having a cationic lipophilic additive and tested in HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) buffer, pH 5.1. Better slopes were achieved when the membrane was casted on conductive glass (-57.4 mV/decade), while the best detection limits were obtained for graphite-based conductive supports (3.6 × 10−5mol/L). Good selectivity was observed against BSA, ascorbic acid, glucose, creatinine and urea, tested for concentrations up to their normal physiologic levels in urine. The application of the devices to the analysis of spiked samples showed recoveries ranging from 91% (± 6.8%) to 118% (± 11.2%). Overall, the combination of the SPAM sensory material with a suitable selective membrane composition and electrode design has lead to a promising tool for point-of-care applications.

A molecularly imprinted sensor for sensitive detection of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine (8-OHdG) oxidative stress biomarker

6th Graduate Student Symposium on Molecular Imprinting

A biomimetic sensor for monitoring oxidative stress biomarker in point-of-care

1st ASPIC International Congress