Novel biosensing device for point-of-care applications with plastic antibodies grown on Au-Screen Printed Electrodes

A gold screen printed electrode (Au-SPE) was modified by merging Molecular Imprinting and Self-Assembly Monolayer techniques for fast screening cardiac biomarkers in point-of-care (POC). For this purpose, Myoglobin (Myo) was selected as target analyte and its plastic antibody imprinted over a glutaraldehyde (Glu)/cysteamine (Cys) layer on the gold-surface. The imprinting effect was produced by growing a reticulated polymer of acrylamide (AAM) and N,N′-methylenebisacrylamide (NNMBA) around the Myo template, covalently attached to the biosensing surface. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) studies were carried out in all chemical modification steps to confirm the surface changes in the Au-SPE. The analytical features of the resulting biosensor were studied by different electrochemical techniques, including EIS, square wave voltammetry (SWV) and potentiometry. The limits of detection ranged from 0.13 to 8 μg/mL. Only potentiometry assays showed limits of detection including the cut-off Myo levels. Quantitative information was also produced for Myo concentrations ≥0.2 μg/mL. The linear response of the biosensing device showed an anionic slope of ~70 mV per decade molar concentration up to 0.3 μg/mL. The interference of coexisting species was tested and good selectivity was observed. The biosensor was successfully applied to biological fluids.

Electroquímica de sustancias de interés en los sistemas agroalimentario y de sanidad animal. Desarrollo de biosensores electroquímicos. Aplicaciones analíticas.Electrochemistry of substances of interest in agroalimentary and animal health systems. Development of electrochemical biosensors. Analytical applications.

Se estudiarán los mecanismos de reacción electroquímica de las micotoxinas (metabolitos tóxicos generados por hongos) citrinina (CIT), patulina (PAT) y moniliformina (MON), de los antioxidantes naturales alfa, beta, gama y delta tocoferoles, de los flavonoides fisetina (FIS), morina (MOR), luteolina (LUT), rutina (RUT), buteina (BUT), naringenina (NAR) y miricetina (MIR) y de las hormonas esteroides estradiol (EDIOL), estrona (EONA) y estriol (ETRIOL). Por otra parte, se implementarán técnicas electroanalíticas para la detección y cuantificación de estos sustratos en muestras de matrices naturales que los contengan. Se realizará el diseño y caracterización de biosensores enzimáticos a partir de peroxidasas y/o fosfatasa alcalina para la determinación de la micotoxina CIT y de los flavonoides y, por otro, de inmunosensores para las micotoxinas ocratoxina A (OTA) y PAT y hormonas. Para el anclaje de enzimas y/o anticuerpos, se estudiarán las propiedades de electrodos modificados por monocapas autoensambladas, nanotubos de carbono y partículas magnéticas. Se usarán las técnicas de voltamperometría cíclica, de onda cuadrada y de redisolución con acumulación adsortiva, espectroscopías de impedancia electroquímica, electrólisis a potencial controlado, uv-vis e IR, microbalanza de cristal de cuarzo y microscopías de alta resolución (SEM, TEM, AFM). La importancia de este proyecto apunta a la obtención de nuevos datos electroquímicos de los sustratos indicados y conocimientos relacionados con la aplicación de electrodos modificados en la preparación de biosensores y en el desarrollo de técnicas alternativas para la determinación de los analitos mencionados precedentemente. Electrochemical reaction mechanisms of mycotoxins (toxic metabolites generated by fungi) citrinin (CIT), Patulin (PAT) and moniliformin (MON), natural antioxidants alpha, beta, gamma and delta tocopherols, flavonoids fisetin (FIS), morin (MOR), luteolin (LUT), rutin (RUT), butein (BUT), naringenin (NAR), miricetin (MIR) and steroid hormones estradiol (EDIOL), estrone (EONA) and estriole (ETRIOL) will be explored. On the other hand, electroanalytical techniques for the detection and quantification of these substrates in samples of natural matrices will be implemented. The design and characterization of enzymatic biosensors from peroxidases and/or from alkaline phosphatase for the determination of CIT and flavonoids, and also of inmunosensors for ochratoxin A (OTA) and PAT and hormones will be performed. For the anchor of enzymes and/or antibody, properties of electrodes modified by self assembled monolayers, carbon nanotubes and magnetic particles will be explored. Cyclic, square wave and adsorptive stripping voltammetries, electrochemical impedance spectroscopy, controlled potential electrolysis, uv-vis and IR, quartz crystal microbalance and high-resolution microcopies (SEM, TEM, AFM) will be used. The importance of this project is aimed at obtaining new electrochemical data for the indicated substrates and knowledge on the application of modified electrodes in preparation of biosensors and in the development of alternative techniques for the determination of the above-mentioned analytes.

Nucleation and growth of GaN nanorods on Si (111) surfaces by plasma-assisted molecular beam epitaxy - The influence of Si- and Mg-doping

The self-assembled growth of GaN nanorods on Si (111) substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy under nitrogen-rich conditions is investigated. An amorphous silicon nitride layer is formed in the initial stage of growth that prevents the formation of a GaN wetting layer. The nucleation time was found to be strongly influenced by the substrate temperature and was more than 30 min for the applied growth conditions. The observed tapering and reduced length of silicon-doped nanorods is explained by enhanced nucleation on nonpolar facets and proves Ga-adatom diffusion on nanorod sidewalls as one contribution to the axial growth. The presence of Mg leads to an increased radial growth rate with a simultaneous decrease of the nanorod length and reduces the nucleation time for high Mg concentrations.

Coherent patterns and self-induced diffraction of electrons on a thin nonlinear layer

Electron scattering on a thin layer where the potential depends self-consistently on the wave function has been studied. When the amplitude of the incident wave exceeds a certain threshold, a soliton-shaped brightening (darkening) appears on the layer causing diffraction of the wave. Thus the spontaneously formed transverse pattern can be viewed as a self-induced nonlinear quantum screen. Attractive or repulsive nonlinearities result in different phase shifts of the wave function on the screen, which give rise to quite different diffraction patterns. Among others, the nonlinearity can cause self-focusing of the incident wave into a beam, splitting in two "beams," single or double traces with suppressed reflection or transmission, etc.

Efeitos da rugosidade superficial nas propriedades de passivação de monocamadas orgânicas automontadas

Precise surface area is needed for accurate characterization of self-assembled monolayers (SAMs) on metallic surfaces. The aim of this manuscript was to emphasize that miscalculation of surface area is the major source of errors in SAM electrochemical characterization. Limitations are discussed and recommendations given for beginners in analyses of SAM functionalized electrodes. The electrochemical measurements and examples were based on bare gold electrode immobilized with dodecanethiol. The degree of compression of the monolayer properties of formation and reproducibility of the electrochemical response depends on roughness factor, with values closer to the unit being better.

Printed platforms for paper-based analytical applications

Paper-based analytical technologies enable quantitative and rapid analysis of analytes from various application areas including healthcare, environmental monitoring and food safety. Because paper is a planar, flexible and light weight substrate, the devices can be transported and disposed easily. Diagnostic devices are especially valuable in resourcelimited environments where diagnosis as well as monitoring of therapy can be made even without electricity by using e.g. colorimetric assays. On the other hand, platforms including printed electrodes can be coupled with hand-held readers. They enable electrochemical detection with improved reliability, sensitivity and selectivity compared with colorimetric assays. In this thesis, different roll-to-roll compatible printing technologies were utilized for the fabrication of low-cost paper-based sensor platforms. The platforms intended for colorimetric assays and microfluidics were fabricated by patterning the paper substrates with hydrophobic vinyl substituted polydimethylsiloxane (PDMS) -based ink. Depending on the barrier properties of the substrate, the ink either penetrates into the paper structure creating e.g. microfluidic channel structures or remains on the surface creating a 2D analog of a microplate. The printed PDMS can be cured by a roll-ro-roll compatible infrared (IR) sintering method. The performance of these platforms was studied by printing glucose oxidase-based ink on the PDMS-free reaction areas. The subsequent application of the glucose analyte changed the colour of the white reaction area to purple with the colour density and intensity depending on the concentration of the glucose solution. Printed electrochemical cell platforms were fabricated on paper substrates with appropriate barrier properties by inkjet-printing metal nanoparticle based inks and by IR sintering them into conducting electrodes. Printed PDMS arrays were used for directing the liquid analyte onto the predetermined spots on the electrodes. Various electrochemical measurements were carried out both with the bare electrodes and electrodes functionalized with e.g. self assembled monolayers. Electrochemical glucose sensor was selected as a proof-of-concept device to demonstrate the potential of the printed electronic platforms.

Collagen arrangement in hepatic granuloma in mice infected with Schistosoma mansoni: dependence on fiber radiation centers

The collagen structure of isolated and in situ liver granuloma from Swiss Webster mice infected with Schistosoma mansoni was sequentially and three-dimensionally analyzed during different times of infection (early acute, acute, transitional acute-chronic, and chronic phases) by laser scanning confocal microscopy and electron scanning variable vacuum microscopy. The initial granuloma structure is characterized by vascular collagen residues and by anchorage points (or fiber radiation centers), from where collagenous fibers are angularly shed and self-assembled. During the exudative-productive stage, the self-assembly of these fibers minimizes energy and mass through continuous tension and focal compression. The curvature or angles between collagen fibers probably depends on the fibroblastic or myofibroblastic organization of stress fibers. Gradually, the loose unstable lattice of the exudative-productive stage transforms into a highly packed and stable architecture as a result of progressive compactness. The three-dimensional architecture of granulomas provides increased tissue integrity, efficient distribution of soluble compounds and a haptotactic background to the cells.

Psychopathy and self-monitoring : additive and interactive effects on self-presentation tactics /

The purpose of this study was to determine the relative contributions of psychopathy and self-monitoring to the prediction of self-presentation tactics (behaviours that individuals use to manipulate their self-image). Psychopathy is composed of two main factors: Factor 1, which includes manipulativeness and shallow affect, and Factor 2, which includes irresponsibility and anti-social behaviours. Self-monitoring is a personality trait that distinguishes between those who adapt their behaviour to fit different social situations (high self-monitors) and those who behave as they feel regardless of social expectations (low selfmonitors). It was hypothesized that self-monitoring would moderate the relationship between psychopathy and self-presentation tactics. One hundred and forty-nine university students completed the Self-Monitoring Scale (Snyder, 1974), the Self-Report Psychopathy Scale - Version III (Paulhus et aI., in press), the Self-Presentation Tactics scale (Lee, S., et aI., 1999), the HEXACO-PI (a measure ofthe six major factors of personality; Lee, K., & Ashton, 2004), and six scenarios that were created as a supplementary measure of the selfpresentation tactics. Results of the hierarchical multiple regression analyses showed that self-monitoring did moderate the relationship between psychopathy and three of the selfpresentation tactics: apologies, disclaimers, and exemplification. Further, significant interactions were observed between Factor 1 and self-monitoring on apologies and the defensive tactics subscale, between Factor 2 and self-monitoring on self-handicapping, and between Factor 1 and Factor 2 on exemplification. Contrary to expectations, the main effect of self-monitoring was significant for the prediction of nine tactics, while psychopathy was significant for the prediction of seven tactics. This indicates that the role of these two personality traits in the explanation of self-presentation tactics tends to be additive in nature rather than interactive. In addition. Factor 2 alone did not account for a significant amount of variance in any of the tactics, while Factor 1 significantly predicted nine tactics. Results are discussed with regard to implications and possible directions for future research.

Monocouches peptidiques auto-assemblées et applications dans le domaine des biocapteurs de résonance de plasmon de surfaces

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl.

Propriétés des monocouches auto-assemblées du liquide ionique 1-(12-mercaptododécyl)-3-méthylimidazolium

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques.

Étude de l’oxydoréduction de monocouches électroactives de ferrocénylalcanethiolates par spectroscopie à résonance des plasmons de surface

L’oxydoréduction de monocouches auto-assemblées (SAMs) de ferrocénylalcanethiolates à la surface d’or (FcRSAu) a été étudiée en temps réel par la spectroscopie de résonance de plasmons de surface couplée avec l’électrochimie (E-SPR). La sensibilité de cette technique permet de déterminer des changements d’épaisseur de couche l’ordre de quelques angström résultant d’un changement de structure de la SAM. Plusieurs études antérieures ont proposé que l’oxydation électrochimique d’une SAM de FcRSAu induit une réorientation moléculaire. L’E-SPR est utilisé pour identifier l’origine de ce changement structurel. D’abord, une calibration du réfractomètre SPR utilisé a été effectuée afin de trouver une équation de conversion du signal SPR obtenu en pixel en angle d’incidence pour que l’on puisse calculer le changement d’épaisseur de monocouche à partir du changement d’angle de résonance avec le modèle de Fresnel. Par la suite, une caractérisation approfondie des SAMs de FcCnSAu (où n = 6, 8, 12, 14) en contact avec du NaClO4 acidifié a été réalisée par électrochimie, éllipsométrie, spectroscopie infrarouge et microscopie à force atomique. Les résultats obtenus montrent que l’augmentation de la longueur des chaînes alkyles donne des SAMs de ferrocènes plus épaisses et moins désordonnées. L’analyse par l’E-SPR de ces SAMs pures montre que le changement d’épaisseur induit par l’électro-oxydation dépend linéairement du nombre de méthylènes sur la chaîne alkyle. En appliquant la déconvolution mathématique aux voltampérogrammes cycliques enregistrés pour les SAM mixtes (FcC12SAu/C11SAu) de différentes compositions, on arrive à la conclusion qu’il y a un redressement des chaînes alkyles dans les domaines des ferrocènes agrégés mais la réorientation des têtes de ferrocène dans les domaines de ferrocènes agrégés ou dispersés ne peut pas être exclue. Enfin, l’effet de l’anion électrolytique sur le changement d’épaisseur de la SAM mesuré par l’E-SPR a été étudié. L’analyse électrochimique montre que la capacité de pairage d’anions avec les ferrocéniums décroit comme suit : PF6- > ClO4- > BF4- > NO3-. Tandis que l’épaisseur de la SAM donnée par le changement d’angle de résonance suit la tendance suivante : NO3- ≥ ClO4- > PF6- ≈ BF4-. Des études plus approfondies seront nécessaire pour clarifier cette tendance observée par E-SPR.

Agrégation de tensioactifs anioniques à une interface solide-aqueux induite par l'oxydation d'une monocouche auto-assemblée de ferrocenylalkanethiolates

L'oxydoréduction des monocouches auto-assemblées («Self-assembled monolayers ou SAMs) de ferrocenyldodecanethiolates sur une surface d'or (Fc(CH2)12SAu) dans des solutions aqueuses de n-alkyle sulfate de sodium (6, 8, 10 et 12 atomes de carbone) est étudiée par spectroscopie de résonance des plasmons de surface («Surface Plasmons Resonance ou SPR) couplée avec de la voltampérométrie cyclique (VC). La technique SPR est utilisée pour suivre en temps réel l'adsorption des tensioactifs en fonction du potentiel appliqué. Elle permet de quantifier l'épaisseur et le recouvrement des molécules adsorbées pour déterminer l'organisation des tensioactifs anioniques sur la SAM. La VC est utilisée afin de caractériser l'oxydation du groupement ferrocène en présence des n-alkyle sulfate de sodium qui s'associent à la SAM grâce à l'appariement entre le ferrocénium et le groupement sulfate. Des mélanges binaires d'alkylesulfates de différentes compositions sont utilisés dans le but de déterminer l'organisation induite par une réaction d'oxydoréduction. L'effet de la longueur de la chaîne d'hydrocarbures sur la quantité de tensioactifs anioniques adsorbés ainsi que les affinités relatives d'appariement des anions alkyle sulfate aux ferrocéniums sont rapportés dans ce mémoire. Ces surfaces électrosensibles permettront la détection de molécules amphiphiles et la compréhension du comportement de mélanges binaires de tensioactifs. Ainsi, ces travaux apporteront une avancée sur la modulation électrochimique de l'organisation de matériaux sur des substrats solides basée sur l'appariement d'ions.

Investigations on the preparation of composite polysaccharide films and micro / nanoparticles for novel applications

chemical Sciences and Technology Division, National Institute for Interdisciplinary Science and Technology, CSIR

Coherent patterns and self-induced diffraction of electrons on a thin nonlinear layer

Electron scattering on a thin layer where the potential depends self-consistently on the wave function has been studied. When the amplitude of the incident wave exceeds a certain threshold, a soliton-shaped brightening (darkening) appears on the layer causing diffraction of the wave. Thus the spontaneously formed transverse pattern can be viewed as a self-induced nonlinear quantum screen. Attractive or repulsive nonlinearities result in different phase shifts of the wave function on the screen, which give rise to quite different diffraction patterns. Among others, the nonlinearity can cause self-focusing of the incident wave into a beam, splitting in two "beams," single or double traces with suppressed reflection or transmission, etc.