Marine biotoxins in the Catalan littoral: could biosensors be integrated into monitoring programmes?

Aquest article descriu els sensors enzimàtics i immunosensors electroquímics que s’han desenvolupat als nostres grups per a la detecció de la biotoxina marina àcid okadaic (OA), i discuteix la possibilitat d’integrar-los en programes de seguiment. Els sensors enzimàtics per a OA que es presenten es basen en la inhibició de la proteïna fosfatasa (PP2A) per aquesta toxina i la mesura electroquímica de l’activitat enzimàtica mitjançant l’ús de substrats enzimàtics apropiats, electroquímicament actius després de la seva desfosforació per l’enzim. Els immunosensors electroquímics descrits en aquest article es basen en un enzimoimmunoassaig sobre fase sòlida competitiu indirecte (ciELISA), amb fosfatasa alcalina (ALP) o peroxidasa (HRP) com a marcatges, i un sistema de reciclatge enzimàtic amb diaforasa (DI). Els biosensors presentats aquí s’han aplicat a l’anàlisi de dinoflagel·lats, musclos i ostres. Les validacions preliminars amb assaigs colorimètrics i LC-MS/MS han demostrat la possibilitat d’utilitzar les bioeines desenvolupades per al cribratge preliminar de biotoxines marines en mostres de camp o de cultiu, que ofereixen informació complementària a la cromatografia. En conclusió, tot i que encara cal optimitzar alguns paràmetres experimentals, la integració dels biosensors a programes de seguiment és viable i podria proporcionar avantatges respecte a altres tècniques analítiques pel que fa al temps d’anàlisi, la simplicitat, la selectivitat, la sensibilitat, el fet de poder ser d’un sol ús i l’efectivitat de cost. This article describes the electrochemical enzyme sensors and immunosensors that have been developed by our groups for the detection of marine biotoxin okadaic acid (OA), and discusses the possibility of integrating them into monitoring programmes. The enzyme sensors for OA reported herein are based on the inhibition of immobilised protein phosphatase 2A (PP2A) by this toxin and the electrochemical measurement of the enzyme activity through the use of appropriate enzyme substrates, which are electrochemically active after dephosphorylation by the enzyme. The electrochemical immunosensors described in this article are based on a competitive indirect Enzyme- Linked ImmunoSorbent Assay (ciELISA), using alkaline phosphatase (ALP) or horseradish peroxidase (HRP) as labels, and an enzymatic recycling system with diaphorase (DI). The biosensors presented herein have been applied to the analysis of dinoflagellates, mussels and oysters. Preliminary validations with colorimetric assays and LC-MS/MS have demonstrated the possibility of using the developed biotools for the preliminary screening of marine biotoxins in field or cultured samples, offering complementary information to chromatography. In conclusion, although optimisation of some experimental parameters is still required, the integration of biosensors into monitoring programmes is viable and may provide advantages over other analytical techniques in terms of analysis time, simplicity, selectivity, sensitivity, disposability of electrodes and cost effectiveness.

Estratègies d'immbolització orientada d'anticossos per a la detecció directa en biosensors òptics: influència en la sensibilitat i especificitat

Els assajos de diagnòstic clínic i biomèdic requereixen tècniques de detecció sensibles, selectives i ràpides que permeten mesurar concentracions de substàncies directament de mostres biològiques com sang, orina o sèrum. Els dispositius biosensors compleixen en gran mesura aquests requisits i en particular, molts esforços van dirigits actualment al disseny de versions compactes de mida reduïda tipus "point of care" (POC) que permeten, per exemple, deslocalitzar les anàlisis dels hospitals i que proporcionen un seguiment del pacient més proper i eficient. Tot i així, la transferència d'aquestes tecnologies a dispositius miniaturitzats i portàtils amb aplicacions definides encara no està totalment assolida. Apart de les dificultats inherents a la integració de components electrònics, òptics, de distribució de líquids, etc. en un sistema menut i portàtil, un important repte en la miniaturització de biosensors és la biofuncionalització de la superfície sensora i la seua estabilitat una vegada s'han immobilitzat els reactius biològics. La detecció de biomarcadors proteics es duu a terme principalment mitjançant immunoassajos, basats en el reconeixement específic de la proteïna per part d'anticossos específics. En el cas de biosensors, el format directe, en el qual un anticòs s'immobilitza sobre la superfície sensora i la proteïna diana es detecta directament de la mostra, hauria de ser el format preferible. Tanmateix, és un dels menys eficients en termes d'estabilitat i sensibilitat, degut en part a la necessitat d'immobilitzar l'anticòs en una orientació adequada sense perjudicar l'afinitat per la molècula diana. En aquest treball s'ha fet un estudi comparatiu entre diferents metodologies d'immobilització d'anticossos sobre un transductor òptic i s'han desenvolupat i optimitzat diferents estratègies de bloqueig de superfície a fi d'obtindre un procediment robust, estable, aplicable a superfícies sensores de diferent naturalesa i que a més, permeta la detecció sensible i selectiva en mostres complexes.

ZigBee aplicado a la transmisión de datos de sensores biomédicos

Pensado en un ámbito de tecnología médica, el propósito principal es el de realizar un seguido de medidas en diferentes partes del cuerpo para establecer unos valores máximos que nos permitan detectar cuando un paciente empieza a padecer estrés. Para ello se necesita un proceso de medición y otro de transmisión de los datos. Es aquí donde aparece el trabajo realizado en el proyecto. “ZigBee aplicado a la transmisión de datos de sensores biomédicos” está pensado para realizar la tarea de transmisión de los datos desde que el sensor realiza la medida hasta que los datos son monitorizados y almacenados. En la memoria del proyecto podremos encontrar el estudio realizado al medio de transmisión inalámbrico utilizado (ZigBee), el análisis del kit eZ430-RF2500 compatible con el medio, y finalmente la implementación del proyecto. Todo este trabajo finalizará con la recepción satisfactoria de los datos medidos por nuestro sensor biomédico (oxímetro) en el aplicativo personal programado con Visual Basic.

Microsensors químics: ISFET i MEMFET

Treball de recerca realitzat per un alumne d’ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l’any 2008. La nanobiotecnologia és una branca de la nanociència i/o nanotecnologia que previsiblement tindrà un gran creixement i impacte durant els propers anys en molts camps i especialment en el de la diagnosi i tractament de malalties. Això requereix disposar de biosensors a escala nanomètrica que siguin molt sensibles i selectius enfront d’agents químics i biològics, a fi de poder obtenir dades en temps real “in situ” a nivell cel•lular i facilitar tractaments específics i personalitzats. Un petit pas previ als nanobiosensors són els microsensors químics, que poden ser fàcilment implantats en teixits humans sense lesionar-los i proporcionar mesures freqüents o contínues del pH o de la concentració de diversos ions que són dades importants per determinar l’estat de salut d’una persona. Els sensors ISFET tenen una configuració que els permet detectar i mesurar les concentracions de ions H+, per tant mesuren el pH. Entre les seves aplicacions hi destaca la gran eficàcia en la detecció del ió H+ en petites concentracions, que, entre altres usos com els biomèdics, és de gran importància en la mesura de la qualitat dels terrenys de cultiu. Si el sensor tipus ISFET és modificat mitjançant una membrana, com es fa en el present treball, pot desenvolupar moltes aplicacions en el camp de la salut, com és el cas de la detecció de cèl•lules mortes dins el cos humà, i per tant detectar de manera precoç la necrosi.

Desarrollo de microanalizadores mediante tecnología LTCC para la monitorización de parámetros ambientales

El presente proyecto recoge el trabajo experimental realizado en el Grup de Sensors i Biosensors del departamento de Química para desarrollar un dispositivo miniaturizado válido para la determinación de ión nitrito en aguas contaminadas. Dentro de esta tarea, se han construido varios dispositivos con el objetivo de determinar el diseño que presenta mayores ventajas. Se ha continuado con los experimentos a fin de establecer las condiciones óptimas de operación; trabajo que, ha consistido en la observación de la respuesta obtenida frente a diferentes condiciones de trabajo: caudal, volumen de inyección y concentración. Posteriormente, se ha caracterizado el microsistema hallando el límite de detección y la repetitividad. Finalmente, se ha concluido la parte experimental con el análisis de muestras reales a fin de validar el microsistema construido.

Dispositius nanoplasmònics basats en polaritons anti-simètrics per apliacacions biosensores i nanofotòniques

Presentem un estudi teòric comparatiu de les sensibilitats en volum dels sensors d’índex de refracció basats en polaritó de plasmó superficial (SPP) i en ressonància localitzada de plasmó superficial (LSPR). Els resultats demostren que el sensor SPP, àmpliament conegut i comercialitzat, ofereix una major sensibilitat en volum comparada amb la del sensor LSPR, estant aquest últim basat en l’ús de nanorods d’or. A més, la figura de mèrit del sensor LSPR, emprada per a analitzar la seva capacitat sensora, exhibeix una regió sensora òptima quan la longitud d’ona de ressonància es troba propera a 700 nm.

Biosensor para el diagnóstico y seguimiento de inmunodeficiencias

La infección por el Virus de Inmunodeficiencia Humano (VIH) y el Síndrome de Inmunodeficiencia adquirida (SIDA) afecta a millones de personas en todo el mundo, y constituye una amenaza a la salud y la vida de muchas otras más, sobre todo en países en vías de desarrollo. Existe un gran interés en el desarrollo de nuevas metodologías analíticas para el diagnóstico de dicha enfermedad de forma rápida, económica y fuera del ámbito del laboratorio por personal no especializado. Los biosensores son dispositivos ideales para cubrir esta demanda analítica facilitando la toma de decisiones y permitiendo un uso racional de técnicas analíticas confirmatorias más costosas. Se plantea el diseño de una estrategia magneto-ELISA con detección óptica así como un dispositivo magneto biosensor electroquímico para el diagnóstico de SIDA a través del recuento de células marcadoras de la enfermedad presentes en la sangre. Ambas estrategias se basan en la captura inmunomagnética de linfocitos T CD4+ con partículas magnéticas modificadas con anticuerpos monoclonales específicos (anti-CD3). La detección de las células capturadas se realiza con un anticuerpo primario anti-CD4 marcado con biotina (antiCD4-biotina) y con un conjugado de estreptavidina y de la enzima HRP (peroxidasa de rábano picante). La unión de esta enzima al anticuerpo primario se realiza a través del complejo biotina/estreptavidina. Se proponen dos tipos de sistemas de detección: óptico y electroquímico. Esto se logra mediante la elección adecuada del sustrato para cada sistema planteado. El dispositivo biosensor basados en un transductor electroquímico renovable y magnético acoplado a partículas magnéticas específicas para las células marcadoras de la enfermedad, consigue la simplificación metodológica y facilita la transferencia de la tecnología hacia la fabricación de un biokit diagnóstico en el ámbito clínico. La potencial aplicación de los dispositivos analíticos propuestos en este trabajo tienen un interés social elevado por su idoneidad para realizar análisis, rápidos, económicos y en el ámbito de la propia consulta médica.

Aptasensores impedimétricos para la detección de trombina

En el presente trabajo se ha desarrollado el primer aptasensor (biosensor de aptámero) en nuestro grupo de investigación, Grup de Sensors i Biosensors de la Universidad Autònoma de Barcelona. En concreto se han desarrollado dos aptasensores para la detección de la proteína trombina, uno basado en la inmovilización de aptámeros por adsorción física, y otro basado en la inmovilización de aptámeros por enlace covalente mediante la reacción EDAC-NHS. El aptasensor utiliza la afinidad específica de la cadena de DNA (aptámero) por la proteína con la que interacciona. Los cambios de carga y estéricos del complejo aptámero proteína alteran la capacidad y la resistencia de transferencia interfacial de electrones en la superficie del electrodo. El principio de detección se basa en la detección de cambios de estas propiedades de interfase del electrodo con el marcador redox [Fe(CN)6]3- / [Fe(CN)6]4-, utilizando mediciones de Espectroscopia Electroquímica de Impedancia. El aptasensor basado en adsorción física del aptámero mostró una respuesta lineal a trombina en el rango de 7.5 a 75 pM y un límite de detección de 5pM, después de optimizar todas las condiciones experimentales. Posteriormente se estudió la especificidad del sistema respecto proteínas potencialmente interferentes presentes en suero sanguíneo, obteniendo cierta interferencia por parte de fibrinógeno e inmunoglobulina G, pero no por parte de albúmina. El sensor demostró ser regenerable mediante la ruptura del complejo formado entre el aptámero y la trombina con una solución de NaCl 2.0 M, aumento de la temperatura y agitación. El segundo aptasensor, basado en enlace covalente del aptámero mostró una respuesta lineal a trombina y limite de detección mejor que el anterior sensor; de 2.5 a 100 pM y 1.5 pM respectivamente. Aunque cabe destacar que este aptasensor está siendo optimizado actualmente.

Nanomotors: new strategies of (bio)sensing based on motion

Nanomotors are nanoscale devices capable of converting energy into movement and forces. Among them, self-propelled nanomotors offer considerable promise for developing new and novel bioanalytical and biosensing strategies based on the direct isolation of target biomolecules or changes in their movement in the presence of target analytes. The mainachievements of this project consists on the development of receptor-functionalized nanomotors that offer direct and rapid target detection, isolation and transport from raw biological samples without preparatory and washing steps. For example, microtube engines functionalized with aptamer, antibody, lectin and enzymes receptors were used for the direct isolation of analytes of biomedical interest, including proteins and whole cells, among others. A target protein was also isolated from a complex sample by using an antigen-functionalized microengine navigating into the reservoirs of a lab-on-a-chip device. The new nanomotorbased target biomarkers detection strategy not only offers highly sensitive, rapid, simple and low cost alternative for the isolation and transport of target molecules, but also represents a new dimension of analytical information based on motion. The recognition events can be easily visualized by optical microscope (without any sophisticated analytical instrument) to reveal the target presence and concentration. The use of artificial nanomachines has shown not only to be useful for (bio)recognition and (bio)transport but also for detection of environmental contamination and remediation. In this context, micromotors modified with superhydrophobic layer demonstrated that effectively interacted, captured, transported and removed oil droplets from oil contaminated samples. Finally, a unique micromotor-based strategy for water-quality testing, that mimics live-fish water-quality testing, based on changes in the propulsion behavior of artificial biocatalytic microswimmers in the presence of aquatic pollutants was also developed. The attractive features of the new micromachine-based target isolation and signal transduction protocols developed in this project offer numerous potential applications in biomedical diagnostics, environmental monitoring, and forensic analysis.

Microinductive signal conditioning with resonant differential filters: high-sensitivity biodetection applications

Inductive-based devices integrated with Si technology for biodetection applications are characterized, using simple resonant differential filter configurations. This has allowed the corroboration of the viability of the proposed circuits, which are characterized by their very high simplicity, for microinductive signal conditioning in high-sensitivity sensor devices. The simulation of these simple circuits predicts sensitivities of the differential output voltage which can achieve values in the range of 0.1-1 V/nH, depending on the coil parameters. These very high-sensitivity values open the possibility for the experimental detection of extremely small inductance changes in the devices. For real microinductive devices, both series resistance and parasitic capacitive components contribute to the decrease of the differential circuit sensitivity. Nevertheless, measurements performed using micro-coils fabricated with relatively high series resistance and coupling parasitic effects have allowed detection of changes in the range of 2 nH. which are compatible with biodetection applications with estimated detection limits below the picomolarity range.

Laser-induced forward transfer of liquids: Study of the droplet ejection process

Laser-induced forward transfer (LIFT) is a laser direct-write technique that offers the possibility of printing patterns with a high spatial resolution from a wide range of materials in a solid or liquid state, such as conductors, dielectrics, and biomolecules in solution. This versatility has made LIFT a very promising alternative to lithography-based processes for the rapid prototyping of biomolecule microarrays. Here, we study the transfer process through the LIFT of droplets of a solution suitable for microarray preparation. The laser pulse energy and beam size were systematically varied, and the effect on the transferred droplets was evaluated. Controlled transfers in which the deposited droplets displayed optimal features could be obtained by varying these parameters. In addition, the transferred droplet volume displayed a linear dependence on the laser pulse energy. This dependence allowed determining a threshold energy density value, independent of the laser focusing conditions, which acted as necessary conditions for the transfer to occur. The corresponding sufficient condition was given by a different total energy threshold for each laser beam dimension. The threshold energy density was found to be the dimensional parameter that determined the amount of the transferred liquid per laser pulse, and there was no substantial loss of material due to liquid vaporization during the transfer.

Overview of molecular interactions using Biacore

Surface Plasmon Resonance (SPR) technology is a powerful tool for studying a wide range of different putative interactions. This kind of optical biosensors allow to obtain (in real time and without labelling)quantitative and qualitative information about the kinetics of the surfacebindingprocess. The most critical points to keep in mind when using the technique are presented, as well as practical examples of applications.