A novel antibody-like material for breast cancer antigen CA15-3, used to track breast cancer by potentiometric transduction

This work presents the development of a low cost sensor device for the diagnosis of breast cancer in point-of-care, made with new synthetic biomimetic materials inside plasticized poly(vinyl chloride), PVC, membranes, for subsequent potentiometric detection. This concept was applied to target a conventional biomarker in breast cancer: Breast Cancer Antigen (CA15-3). The new biomimetic material was obtained by molecularly-imprinted technology. In this, a plastic antibody was obtained by polymerizing around the biomarker that acted as an obstacle to the growth of the polymeric matrix. The imprinted polymer was specifically synthetized by electropolymerization on an FTO conductive glass, by using cyclic voltammetry, including 40 cycles within -0.2 and 1.0 V. The reaction used for the polymerization included monomer (pyrrol, 5.0×10-3 mol/L) and protein (CA15-3, 100U/mL), all prepared in phosphate buffer saline (PBS), with a pH of 7.2 and 1% of ethylene glycol. The biomarker was removed from the imprinted sites by proteolytic action of proteinase K. The biomimetic material was employed in the construction of potentiometric sensors and tested with regard to its affinity and selectivity for binding CA15-3, by checking the analytical performance of the obtained electrodes. For this purpose, the biomimetic material was dispersed in plasticized PVC membranes, including or not a lipophilic ionic additive, and applied on a solid conductive support of graphite. The analytical behaviour was evaluated in buffer and in synthetic serum, with regard to linear range, limit of detection, repeatability, and reproducibility. This antibody-like material was tested in synthetic serum, and good results were obtained. The best devices were able to detect 5 times less CA15-3 than that required in clinical use. Selectivity assays were also performed, showing that the various serum components did not interfere with this biomarker. Overall, the potentiometric-based methods showed several advantages compared to other methods reported in the literature. The analytical process was simple, providing fast responses for a reduced amount of analyte, with low cost and feasible miniaturization. It also allowed the detection of a wide range of concentrations, diminishing the required efforts in previous sample pre-treating stages.

Sol-gel biomimetic material designed to target CEA cancer biomarker

1st ASPIC International Congress

A disposable glass-based immunosensor for monitoring the cancer biomarker CEA in urine

NanoPT 2014 International Conference, in Portugal, on February 12-14. Poster presentation based on topic Nanobio/Nanomedicine

Elétrodo de pasta de carbono molecularmente impresso para deteção voltamétrica de Furazolidona

A furazolidona é uma substância ativa do medicamento Giarlam que contém um espetro anti-bacteriano relativamente amplo e que é frequentemente usado para tratar certas doenças bacterianas e protozoárias no homem. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabólitos exige o desenvolvimento constante de métodos analíticos eficientes. Neste trabalho desenvolveu-se um novo sensor eletroquímico para a deteção da furazolidona, baseado num elétrodo de pasta de carbono modificado com um polímero molecularmente impresso. A procura de novos materiais que permitam uma melhor seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção é especialmente importante no desenvolvimento de métodos analíticos. Os polímeros molecularmente impressos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais frequente como ferramenta importante em química analítica. Assim, sintetizou-se um polímero com cavidades seletivas para a Furazolidona. Este polímero foi, misturado com grafite e perafina de modo a produzir uma pasta de carbono. Uma seringa de plástico foi usada como suporte da pasta de carbono. O comportamento eletroquímico do sensor foi avaliado e diversas condições de utilização foram estudadas e otimizadas. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade do pico e a concentração numa gama de concentrações entre 1 e 100 μM, um limite de deteção de 1 μM e uma precisão (repetibilidade) inferior a 7%. A aplicabilidade do sensor fabricado em amostras complexas foi avaliada pela deteção do fármaco em amostras de urina.

BIiossensor Enzimático para avaliação da Capacidade Antioxidente

Os radicais livres formam-se naturalmente nos organismos vivos, pois a sua produção/geração está interligada com o processo de produção de energia (respiração), processos inflamatórios (fagocitose), regulação do crescimento celular, sinalização intercelular e síntese de substâncias biológicas relevantes. Estes também podem ser introduzidos por vias exógenas (poluição, radiação, tabaco, alimentação, etc). Os radicais livres têm capacidade de reagir com o material nucleico (ADN e ARN), proteínas e substâncias oxidáveis, causando danos oxidativos responsáveis pelo envelhecimento e originar doenças degenerativas, tais como, o cancro, arteriosclerose, artrite reumatoide, entre outras. De forma a combater os efeitos pejorativos provocados pelos radicais, os organismos vivos desenvolveram complexos sistemas de defesa antioxidante. Estes sistemas são constituídos por antioxidantes endógenos, produzidos pelos seres vivos, tais como enzimas ou por antioxidantes exógenos obtidos por via da alimentação (por exemplo o ácido ascórbico). Neste sentido, um antioxidante tem capacidade de eliminar ou reduzir a propagação da cadeia de geração de radicais livres. Neste trabalho foi desenvolvido um biossensor enzimático para a quantificação da capacidade antioxidante total de matrizes alimentares. A construção deste biossensor consistiu na eletroimobilização da adenina no elétrodo de pasta de carbono (EPC) ou na adsorção física da dA20 na superfície do EPC. O dano oxidativo foi induzido pelo radical hidroxilo gerado pela reação de Fenton. Nesta dissertação, foi estudada a capacidade de alguns antioxidantes em eliminar o efeito pejorativo dos radicais livres e combater a integridade das bases de adenina ou do dA20.Os antioxidantes estudados foram o ácido ascórbico e alguns ácidos fenólicos como o ácido hidroxibenzoico (ácido gálico) e ácidos hidroxicinâmicos (ácido cafeico e ácido cumárico). Estes antioxidantes têm a capacidade de neutralizar o radical hidroxilo e proteger a adenina/dA20 imobilizado na superfície do EPC. O comportamento da Lacase foi estudado na presença do ácido gálico e do ácido ascórbico. Os estudos eletroquímicos foram realizados através da voltametria de onda quadrada (VOQ), sendo que a interação entre a adenina/ou o dA20 imobilizada na superfície do EPC e os radicais livres na ausência e presença de antioxidantes foi avaliada por meio de mudanças no pico anódico produzido pela oxidação da adenina /dA20. Os resultados demonstraram que estes biossensores permitem a avaliação da capacidade antioxidante total em águas aromatizadas.

Molecularly imprinted electrochemical sensor for ochratoxin A detection in food samples

A novel electrochemical sensor for ochratoxin A (OTA) detection was fabricated through the modification of a glassy carbon electrode (GCE) with multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and a molecularly imprinted polymer (MIP). The MWCNTs dramatically promoted the sensitivity of the developed sensor, while polypyrrole (PPy) imprinted with OTA served as the selective recognition element. The imprinted PPy film was prepared by electropolymerization of pyrrole in the presence of OTA as a template molecule via cyclic voltammetry (CV). The electrochemical oxidation of OTA at the developed sensor was investigated by CV and differential pulse voltammetry (DPV). The developed MIP/MWCNT/GCE sensor showed a linear relationship, when using DPV, between peak current intensity and OTA concentration in the range between 0.050 and 1.0 μM, with limits of detection (LOD) and quantification of 0.0041 μM (1.7 μg/L) and 0.014 μM (5.7 μg/L) respectively. With the developed sensor precise results were obtained; relative standard deviations of 4.2% and 7.5% in the evaluation of the repeatability and reproducibility, respectively. The MIP/MWCNT/GCE sensor is simple to fabricate and easy to use and was successfully applied to the determination of OTA in spiked beer and wine samples, with recoveries between 84 and 104%, without the need of a sample pre-treatment step.

Detection of the peanut allergen Ara h 6 in foodstuffs using a voltammetric biosensing approach

A voltammetric biosensor for Ara h 6 (a peanut allergen) detection in food samples was developed. Gold nanoparticle-modified screen-printed carbon electrodes were used to develop a sandwich-type immunoassay using two-monoclonal antibodies. The antibody-antigen interaction was detected through the electrochemical detection of enzymatically deposited silver. The immunosensor presented a linear range between 1 and 100 ng/ml, as well as high precision (inter-day RSD ≤9.8 %) and accuracy (recoveries ≥96.7 %). The detection and quantification limits were 0.27 and 0.88 ng/ml, respectively. It was possible to detect small levels of Ara h 6 in complex food matrices.

MnFe2O4@CNT-N as novel electrochemical nanosensor for determination of caffeine, acetaminophen and ascorbic acid

For the first time, a glassy carbon electrode (GCE) modified with novel N-doped carbon nanotubes (CNT-N) functionalized with MnFe2O4 nanoparticles (MnFe2O4@CNT-N) has been prepared and applied for the electrochemical determination of caffeine (CF), acetaminophen (AC) and ascorbic acid (AA). The electrochemical behaviour of CF, AC and AA on the bare GCE, CNT-N/GCE and MnFe2O4@CNT-N/GCE were carefully investigated using cyclic voltammetry (CV) and square-wave voltammetry (SWV). Compared to bare GCE and CNT-N modified electrode, the MnFe2O4@CNT-N modified electrode can remarkably improve the electrocatalytic activity towards the oxidation of CF, AC and AA with an increase in the anodic peak currents of 52%, 50% and 55%, respectively. Also, the SWV anodic peaks of these molecules could be distinguished from each other at the MnFe2O4@CNT-N modified electrode with enhanced oxidation currents. The linear response ranges for the square wave voltammetric determination of CF, AC and AA were 1.0 × 10−6 to 1.1 × 10−3 mol dm−3, 1.0 × 10−6 to 1.0 × 10−3 mol dm−3 and 2.0 × 10−6 to 1.0 × 10−4 mol dm−3 with detection limit (S/N = 3) of 0.83 × 10−6, 0.83 × 10−6 and 1.8 × 10−6 mol dm−3, respectively. The sensitivity values at the MnFe2O4@CNT-N/GCE for the individual determination of AC, AA and CF and in the presence of the other molecules showed that the quantification of AA and CF show no interferences from the other molecules; however, AA and CF interfered in the determination of AC, with the latter molecule showing the strongest interference. Nevertheless, the obtained results show that MnFe2O4@CNT-N composite material acted as an efficient electrochemical sensor towards the selected biomolecules.

Molecularly imprinted sensor for voltammetric detection of norfloxacin

In this work, a norfloxacin selective modified glassy carbon electrode (GCE) based on a molecularly imprinted polymer (MIP) as electrochemical sensor was developed. A suspension of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) was deposited on the electrode surface. Subsequently, a molecularly imprinted film was prepared by electropolymerization, via cyclic voltammetry of pyrrole (PPy) in the presence of norfloxacin (NFX) as the template molecule. A control electrode (NIP) was also prepared. Scanning electron microscopy (SEM) and cyclic voltammetry in a ferrocyanide solution were performed for morphological and electrochemical characterisation, respectively. Several experimental parameters were studied and optimised. For quantification purposes the MIP/MWCNT/GCE was immersed in NFX solutions for 10 min, and the detection was performed in voltammetric cell by square wave voltammetry. The proposed sensor presented a linear behaviour, between peak current intensity and logarithmic concentration of NFX between 1 × 10−7 and 8 × 10−6 M. The obtained results presented good precision, with a repeatability of 4.3% and reproducibility of 9% and the detection limit was 4.6 × 10−8 M (S/N = 3). The developed sensor displayed good selectivity and operational lifetime, is simple to fabricate and easy to operate and was successfully applied to the analysis of NFX in urine samples.

Voltammetric analysis of mancozeb and its degradation product ethylenethiourea

The purpose of this work was to develop a reliable alternative method for the determination of the dithiocarbamate pesticide mancozeb (MCZ) in formulations. Furthermore, a method for the analysis of MCZ's major degradation product, ethylenethiourea (ETU), was also proposed. Cyclic voltammetry was used to characterize the electrochemical behavior of MCZ and ETU, and square-wave adsorptive stripping voltammetry (SWAdSV) was employed for MCZ quantification in commercial formulations. It was found that both MCZ and ETU are irreversibly reduced (− 0.6 V and − 0.5 V vs Ag/AgCl, respectively) at the surface of a glassy carbon electrode in a mainly diffusion-controlled process, presenting maximum peak current intensities at pH 7.0 (in phosphate buffered saline electrolyte). Several parameters of the SWAdSV technique were optimized and linear relationships between concentration and peak current intensity were established between 10–90 μmol L− 1 and 10–110 μmol L− 1 for MCZ and ETU, respectively. The limits of detection were 7.0 μmol L− 1 for MCZ and 7.8 μmol L− 1 for ETU. The optimized method for MCZ was successfully applied to the quantification of this pesticide in two commercial formulations. The developed procedures provided accurate and precise results and could be interesting alternatives to the established methods for quality control of the studied products, as well as for analysis of MCZ and ETU in environmental samples.

Electrochemical sensor for simultaneous determination of herbicide MCPA and its metabolite 4-chloro-2-methylphenol. Application to photodegradation environmental monitoring

The development and application of a polyaniline/carbon nanotube (CNT) cyclodextrin matrix (PANI-β-CD/MWCNT)-based electrochemical sensor for the quantitative determination of the herbicide 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid (MCPA) and its main transformation product 4-chloro-2-methylphenol in natural waters are described. A simple cyclic voltammetry-based electrochemical methodology, in phosphate buffer solution at pH 6.0, was used to develop a method to determine both MCPA and 4-chloro-2-methylphenol, without any previous extraction or derivatization steps. A linear concentration range (10 to 50 μmol L−1) and detection limits of 1.1 and 1.9 μmol L−1, respectively, were achieved using optimized cyclic voltammetric parameters. The proposed method was successfully applied to the determination of MCPA and 4-chloro-2-methylphenol in natural water samples with satisfactory recoveries (94 to 107 %) and in good agreement with the results obtained by an established high-performance liquid chromatography technique, no significant differences being found between the methods. Interferences from ionic species and other herbicides used for broad-leaf weed control were shown to be small. The newly developed methodology was also successfully applied to MCPA photodegradation environmental studies.

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNS 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 contaminantes 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 contaminantes 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 contaminantes (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 contaminantes 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 contaminantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se usou 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 (526 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L).

Electrochemical characterization of Dps, a DNA-protecting protein

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Estudo electroquímico de compostos naturais e semicondutores com possível utilização em células foto voltaicas

As células foto voltaicas orgânicas ou células de Gräetzel (depois do seu descobridor) são aparelhos para a colecta de energia solar que utilizam um semicondutor inorgânico e uma molécula orgânica. Dita molécula orgânica é capaz de excitar-se na presença de radiação electromagnética e ceder esta energia através da doação de electrões a este semicondutor. Embora estas estruturas e o seu processo de fabrico sejam relativamente pouco onerosas, o aproveitamento da energia solar é ainda muito baixo. Para além desta deficiência, os corantes sintéticos sofrem de “bleaching” ou então são reduzidos ou oxidados facilmente quando não conseguem transferir a energia que foi absorvida ou quando é difícil voltar ao estado original por dificuldades no completamento de circulação de electrões. Neste trabalho pretende-se então estudar o comportamento de moléculas e misturas complexas de moléculas com capacidade para serem excitadas pela luz solar. Como a dita xcitação promove a transferência de um electrão, este processo será seguido pela técnica de Voltametria cíclica. Como substâncias absorventes de luz utilizaremos compostos naturais (principalmente flavonóides) puros, ou então na forma de complexos naturais extraídos de algumas plantas. Estas misturas de corantes serão extractos aquosos (infusões) de casca de laranja e limão assim como extractos de folhas de cerejeira, com o objectivo de proporcionar lternativas aos flavonóides utilizados neste estudo. A caracterização voltamétrica desta célula é feita em diferentes formas de iluminação. Sobre a célula assim formada faz-se incidir rimeiro luz de lâmpadas fluorescentes, depois luz ultra violeta e por fim sem qualquer tipo de luz incidente. Na base do fabrico da variante mais clássica destas células está o semicondutor óxido de itânio (TiO2), por ser uma substância muito comum e barata e com propriedades semicondutoras notáveis. Uma forma comum de melhorar a eficiência deste material é introduzir dopantes com o intuito de melhorar a eficiência do processo de transferência electrónica. Um segundo objectivo deste trabalho é o estudo de sistemas semicondutor/molécula foto activa. Semicondutores como ZnO, TiO2 e TiO2 dopado serão então estudados. O gels de TiO2 ou o TiO2 dopado serão depositados sobre lâminas de vidro comum, nas quais foi anteriormente depositado uma película de alumínio que serve de condutor (eléctrodo egativo). Uma outra variante será a utilização de óxido de zinco, um semicondutor de baixo custo que por sua vez vai ser depositado em lâminas de alumínio comercial. A nossa célula foto electroquímica será então formada por moléculas de corante, uma lâmina e um semicondutor (que funcionará como eléctrodo de trabalho), com ou sem electrólito/catalizador (solução de iodo/iodeto), e eléctrodos de referência de Ag/AgCl, e outro auxiliar de grafite. Um outro objectivo é fazer um pequeno estudo sobre influencia do catalisador I2/etilenodiamina no comportamento electroquímico da célula, de forma a poder utilizar o solvente (etilenodiamina) com menor volatilidade do que a água, que é empregada no par I2/I3.m A importância deste facto prende-se com a limitada vida destas células quando o electrólito/solvente é evaporado pelas altas temperaturas da radiação incidente.

Effects of UV radiation exposure on DNA and DNA repair enzymes

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia