Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

Synthesis, Optical properties and Applications of Water Soluble Conjugated PPPs for Biosensors

In recent years, application of fluorescent conjugated polymers to sense chemical and biological analytes has received much attention owing to its technological significance. Water soluble conjugated polymers are interesting towards the developing sensors for biomolecules. In this present contribution, we describe the syntheses and characterization of a series of water soluble conjugated polymers with sulfonic acid groups in the side chain. Such anionic conjugated polymers are designed to interact with biomolecules such as cytochrome-C. All polymers are water soluble and showed strong blue emission. Significant quenching of the fluorescence from our functionalized PPP was observed upon addition of viologen derivatives or cytochrome -C.

Strategies to Optimize Biosensors Based on Impedance Spectroscopy to Detect Phytic Acid Using Layer-by-Layer Films

Impedance spectroscopy has been proven a powerful tool for reaching high sensitivity in sensor arrays made with nanostructured films in the so-called electronic tongue systems, whose distinguishing ability may be enhanced with sensing units capable of molecular recognition. In this study we show that for optimized sensors and bio-sensors the dielectric relaxation processes involved in impedance measurements should also be considered, in addition to an adequate choice of sensing materials. We used sensing units made from layer-by-layer (LbL) films with alternating layers of the polyeletrolytes, poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and poly(vinyl sulfonate) (PVS), or LbL films of PAH alternated with layers of the enzyme phytase, all adsorbed on gold interdigitate electrodes. Surprisingly, the detection of phytic acid was as effective in the PVS/PAH sensing system as with the PAH/phytase system, in spite of the specific interactions of the latter. This was attributed to the dependence of the relaxation processes on nonspecific interactions such as electrostatic cross-linking and possibly on the distinct film architecture as the phytase layers were found to grow as columns on the LbL film, in contrast to the molecularly thin PAH/PVS films. Using projection techniques, we were able to detect phytic acid at the micromolar level with either of the sensing units in a data analysis procedure that allows for further optimization.

Urea amperometric biosensors based on a multifunctional bipolymeric layer: Comparing enzyme immobilization methods

This paper outlines the results obtained with biosensors designed for urea amperometric detection. The incorporation of urease into a bipolymeric substrate consisting of poly(pyrrole) and poly(5-amino-1-naphthol) was performed through four different approaches: direct adsorption, entrapment in cellulose acetate layer. cross-linking with glutaraldehyde, and also covalent attachment to the polymeric matrix. Poly(pyrrole) acts as amperometric transducer in these biosensors, while poly(5-amino-1-naphthol) drastically reduces the interference signal of agents such as ascorbic and uric acids. The biosensors containing urease covalently attached to the substrate provided interesting results in terms of sensitivity towards urea (0.50 mu A cm(-2) mmol(-1) L), lifetime (20 days) and short response times, due to the enzyme immobilization method used. All biosensors analyzed showed also a wide linear concentration range (up to 100 mmol L(-1)) and low detection limits (0.22-0.58 mmol L(-1)). (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Copper hexacyanoferrate nanoparticles modified electrodes: A versatile tool for biosensors

Copper hexacyanoferrate nanoparticles of about 30 nm in size have been prepared by the sonochemical irradiation of a mixture of aqueous potassium ferricyanide and copper chloride solutions. The nanoparticles were immobilized onto fluorine doped tin oxide (FTO) electrodes by using the electrostatic deposition layer-by-layer technique (LbL), obtaining electroactive films with electrocatalytic properties towards H2O2 reduction, providing higher currents than those observed for electrodeposited bulk material, even in electrolytes containing NH4+, Na+ and K+. The nanoparticles assembly was used as mediator in a glucose biosensor by immobilizing glucose oxidase enzyme by both, cross-linking and LbL. techniques. Sensitivities obtained were dependent on the immobilization method ranging from 1.23 mu A mmol(-1) L cm(-2) for crosslinking to 0.47 mu A mmol(-1) L cm(-2) for LbL; these values being of the same order than those obtained with electrodes where the amount of enzyme used is much higher. Moreover, the linear concentration range where the biosensors can operate was 10 times higher for electrodes prepared with the LbL immobilization method than with the conventional crosslinking one. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Immobilization of uricase in layer-by-layer films used in amperometric biosensors for uric acid

The layer-by-layer technique was exploited to immobilize the enzyme uricase onto indium tin oxide substrates coated with a layer of Prussian Blue. Uricase layers were alternated with either poly(ethylene imine) or poly(diallyidimethylammoniumchloride), and the resulting films were used as amperometric biosensors for uric acid. Biosensors with optimum perfomance had a limit of detection of 0.15 mu A mu mol 1(-1) cm(-2) with a linear response between 0.1 and 0.6 mu M of uric acid, which is sufficient for use in clinical tests. Bioactivity was preserved for weeks, and there was negligible influence from interferents, as detection was carried out at 0.0 V vs saturated calomel electrode.

Piezoelectric biosensors for real-time monitoring of hybridization and detection of hepatitis C virus

The piezoelectric quartz crystal resonators modified with oligonucleotide probes were used for detection of hepatitis C virus (HCV) in serum. The gold electrodes on either rough or smooth surface crystals were modified with a self-assembled monolayer of cystamine. After activation with glutaraldehyde, either avidin or streptavidin were immobilized and used for attachment of biotinylated DNA probes (four different sequences). Piezoelectric biosensors were used in a flow-through setup for direct monitoring of DNA resulting from the reverse transcriptase-linked polymerase chain reaction (RT-PCR) amplification of the original viral RNA. The samples of patients with hepatitis C were analyzed and the results were compared with the standard RT-PCR procedure (Amplicor test kit of Roche, microwell format with spectrophotometric evaluation). The piezoelectric hybridization assay was completed in 10 min and the same sensing surface was suitable for repeated use. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Detection of carbamate pesticides in vegetable samples using cholinesterase-based biosensors

Biosensors for determination of carbamates in vegetables based on five different cholinesterases as biorecognition elements and a screen-printed electrode system as an amperometric transducer were developed. Measurements were simply performed by dropping solutions (either sample or substrate) directly on the biosensor. The response of biosensors to selected carbamates (aldicarb, carbaryl, carbofuran, methomyl and propoxur) was characterized. The performance was evaluated on extracts of potatoes and carrots, the results from the AChE biosensor and a standard HPLC procedure were compared. Finally, the biosensor was used for the direct analysis of vegetable juices without any pretreatment steps. In this case, 10 mu g/L levels of added carbofuran and propoxur were reliably identified. The whole procedure takes less than 20 min including 10 min incubation with samples. The concentrations of carbamates determined with biosensor agreed well for carbofuran. Lower response was observed for propoxur.

Development of biosensors based on hexacyanoferrates

Ferric and copper hexacyanoferrates (PB and CuHCF, respectively) were electrodeposited on glassy carbon electrodes providing a suitable catalytic surface for the amperometric detection of hydrogen peroxide. Additionally glucose oxidase was immobilized on top of these electrodes to form glucose biosensors. The biosensors were made by casting glucose oxidase-Nafion layers onto the surface of the modified electrodes. The operational stability of the films and the biosensors were evaluated by injecting a standard solution (5 mu M H2O2 for PB, 5 mM H2O2 for CuHCF and 1.5 mM glucose for both) over 5-10 h in a now-injection system with the electrodes polarized at - 50 (PB) and -200 mV (CuHCF) versus Ag/AgCl, respectively. The glucose biosensors demonstrated suitability for glucose determination: 0.0-2.5 mM (R-2 = 0.9977) for PB and 0.0-10 mM (R-2 = 0.9927) for CuHCF, respectively. The visualization of the redox catalyst modifiers (PB and CuHCF films) was presented by scanning electron micrographs. (C) 2000 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

BIOSENSORS FOR GLUCOSE NEEDLE-SHAPED FOR IN-VIVO MONITORING

Different procedures for obtaining a needle biosensor for the determination of glucose to be inserted subcutaneously in vivo, have been compared. Platinum wires with a diameter of 75 mum, teflon-coated were inserted in hypodermic needles and fixed with a two-component epoxy resin. Using a dip-coating procedure, several layers were deposited on electrodes. The first coating was cellulose acetate, the second was immobilized glucose oxidase (GOD) mixed with bovine serum albumin (BSA) and glutaraldheyde, the third coating was a polyurethane coating obtained with commercially available products. A large number of electrodes have been tried and statistically evaluated but they seem to be affected by poor reproducibility evidenced by a large spreading in successive calibration curves. Then, the polyurethane coating has been replaced by a thin polycarbonate membrane salinized and fixed on the tip of the needle. Reproducible results were achieved and first results of in vivo measurements on rabbits are reported.

Determination of carbamate residues in crop samples by cholinesterase-based biosensors and chromatographic techniques

An amperometric biosensor based on cholinesterase (ChE) has been used for the determination of selected carbamate insecticides in vegetable samples. The linear range of the biosensor for the N-methylcarbamates (aldicarb, carbaryl, carbofuran, methomyl and propoxur) varied from 5 x 10(-5) to 50 mg kg(-1). Limits of detection were calculated on the basis that the ChE enzymes were 10% inhibited and varied, depending of the combination ChE (as acetyl- or butyrylcholinesterase) vs. inhibitor (pesticide), from 1 x 10(-4) to 3.5 mg kg(-1). The biosensor-based carbamate determination was compared to liquid chromatography/UV methods. Three vegetable samples were spiked with carbofuran and propoxur at 125 mu g kg(-1) followed by conventional procedures. Good correlations were observed for carbofuran in the vegetable extracts (79, 96 and 91% recoveries for potato, carrot and sweet pepper, respectively), whereas for propoxur unsatisfactory results were obtained. Potato and carrot samples were spiked with 10, 50 and 125 mu g kg(-1) carbofuran, followed by direct determination by the amperometric biosensor. The fortified sampler; resulted in very high inhibition values, and recoveries were: 28, 34 and 99% for potato, and 140, 90 and 101% for carrot, respectively, at these three fortification levels. (C) 1998 Elsevier B.V. B.V.

Polishable and Renewable DNA Hybridization Biosensors

Routine applications of DNA hybridization biosensors are often restricted by the need for regenerating the single-stranded (ss) probe for subsequent reuse. This note reports on a viable alternative to prolonged thermal or chemical regeneration schemes through the mechanical polishing of oligonucleotide-bulk-modified carbon composite electrodes. The surface of these biocomposite hybridization biosensors can be renewed rapidly and reproducibly by a simple extrusion/polishing protocol. The immobilized probe retains its hybridization activity on confinement in the interior of the carbon paste matrix, with the use of fresh surfaces erasing memory effects and restoring the original target response, to allow numerous hybridization/measurement cycles. We expect that such reusable nucleic acid modified composite electrodes can be designed for a wide variety of biosensing applications.

Use of hemoglobin as alternative to peroxidases in cholesterol amperometric biosensors

Sophisticated molecular architectures can be produced with the layer-by-layer (LbL) method, which may combine distinct materials on the same film. In this study, we take advantage of this capability to produce cholesterol amperometric biosensors from LbL films containing hemoglobin (Hb) and cholesterol oxidase in addition to the polyelectrolytes poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and poly(ethylene imine) (PEI). Following an optimization procedure, we found that an LbL film deposited onto ITO substrates, with the architecture ITO(PEI/Hb)5(PEI/COx)10, yielded a sensitivity of 93.4 μA μmol L-1 cm-2 for cholesterol incorporated into phospholipid liposomes, comparable to state-of-the-art biosensors. Hb acted as efficient electron mediator and did not suffer interference from phospholipids. Significantly, cholesterol could also be detected in real samples from chicken egg yolk, with no effects from potential interferents, including phospholipids. Taken together these results demonstrate the possible fabrication of low cost, easy-to-use cholesterol amperometric biosensors, whose sensitivity can be enhanced by further optimizing the molecular architectures of the LbL films. © 2012 Elsevier B.V.