Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Caracterização e aplicação analítica de eletrodos modificados com sistemas porfirínicos supramoleculares

Estudos com eletrodos modificados foram conduzidos utilizando dois sistemas porfirínicos supramoleculares diferentes. O primeiro foi baseado na modificação de eletrodo de carbono vítreo com uma porfirina de níquel tetrarrutenada, [NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]4+. A modificação do eletrodo foi realizada por meio de sucessivos ciclos voltamétricos em meio alcalino (pH 13), gerando um eletrodo com característica similar a eletrodos modificados com α-Ni(OH)2. A caracterização química do filme formado foi realizada através das técnicas de voltametria cíclica, ressonância paramagnética eletrônica, espectroscopia eletrônica por reflectância e espectroscopia Raman com ensaio espectro-eletroquímico. Os resultados sugerem a formação de um polímero de coordenação, [µ-O2-NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]n, composto por subunidades porfirínicas ligadas entre si por pontes µ-peroxo axialmente coordenadas aos átomos de níquel (Ni-O-O-Ni). O crescimento do filme apresentou dependência da alcalinidade do meio pela formação do precursor octaédrico [Ni(OH)2TRPyP]2+ em solução, pela coordenação de OH- nas posições axiais do átomo de níquel. O processo de eletropolimerização indicou a participação de radical hidroxil, gerado por oxidação eletrocatalítica da água nos sítios periféricos da porfirina contendo o complexo de rutênio. O mesmo eletrodo foi aplicado como sensor eletroquímico para análise amperométrica de ácido fólico em comprimidos farmacêuticos. O sensor foi associado a um sistema de Batch Injection Analysis (BIA) alcançando considerável rapidez e baixo limite de detecção. Para as análises das amostras também foi proposto um método para a remoção da lactose, que agia como interferente. O segundo estudo envolveu a modificação de eletrodos de carbono vítreo com diferentes hemoglobinas, naturais (HbA0, HbA2 e HbS) e sintéticas (Hb-PEG5K2, αα-Hb-PEG5K2 e BT-PEG5K4), para a avaliação da eficiência na redução eletrocatalítica de nitrito mediada por FeI-heme. Os filmes foram produzidos pela mistura de soluções das hemoglobinas com brometo de didodecildimetiltrimetilamônio (DDAB), aplicados nas superfícies com consecutiva evaporação, formando filmes estáveis. Os valores de potencial redox para os processos do grupo heme e a sua associação com a disponibilidade do grupo na proteína foram avaliados por voltametria cíclica. Os valores das constantes de velocidade, k, para redução de nitrito foram obtidos por cronoamperometria em -1,1 V (vs Ag/AgCl(KCl 3M)) que foram utilizados para estudo comparativo entre as espécies sintéticas para eventual aplicação clínica.

Desenvolvimento de microssensores eletroquímicos e aplicações no estudo de processos dinâmicos interfaciais utilizando microscopia eletroquímica de varredura

O trabalho descrito nesta tese mostra de forma detalhada a fabricação e caracterização de diferentes microssensores eletroquímicos os quais têm sido recentemente utilizados como sondas em grupo de técnicas conhecida como Scanning Electrochemical Probe Microscopy (SEPM). Desta forma, a caracterização de superfícies pode ser feita explorando diferentes fenômenos interfaciais relevantes à Ciência. Neste sentido, as interfaces de materiais cristalinos como hidroxiapatita (materiais dentários) e calcita foram o foco de estudo neste trabalho. Assim, diferentes técnicas SEPM foram exploradas no sentido de se obter informações relevantes relacionadas aos processos dentários, como a erosão ácida e hipersensibilidade. Inicialmente, microeletrodos de platina foram desenvolvidos empregando uma metodologia convencional na qual são utilizados microfibras encapsuladas em capilares de vidro. Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) no modo amperométrico foi utilizada para obtenção de informações com relação às alterações de topografia do esmalte dentário causadas pelo contato com substâncias ácidas. Adicionalmente, SECM foi empregada no estudo do transporte de espécies eletroativas em amostras de dentina e investigações relacionadas ao bloqueio dos túbulos empregando-se cremes dentais comerciais foram realizadas. A permeação de peróxido de hidrogênio pela dentina também foi estudada. Os resultados de SECM foram comparados com imagens SEM obtidas nas mesmas condições experimentais. Microeletrodos de membrana ionófora íon-seletiva (Ion Selective Microelectrodes-ISMEs) sensíveis a íons cálcio também foram desenvolvidos e caracterizados, com subsequente aplicação em SECM no modo potenciométrico. A dissolução ácida de esmalte bovino (erosão dentária) foi investigada em diferentes valores de pH (2,5; 4,5; 6,8). Além disso, o transporte de íons cálcio através de membranas porosas sintéticas foi avaliado a uma distância tip/substrato de 300µm. Alterações no fluxo de íons cálcio foram correlacionadas em experimentos realizados na presença e ausência de campos magnéticos gerados por nanopartículas de magnetita incorporadas à membrana porosa. Microcristais de calcita facilmente sintetizados pelo método de precipitação foram utilizados como superfície modelo para investigações interfaciais, cujos resultados podem ser correlacionados aos materiais dentários. Desta forma, nanopipetas de vidro preenchidas com eletrólito suporte foram fabricadas e utilizadas como sonda em Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM). O mapeamento topográfico de alta resolução espacial da superfície de um microcristal de calcita foi obtido utilizando o modo de varredura hopping mode. Adicionalmente, sondas multifuncionais ISME-SICM também foram desenvolvidas e caracterizadas para investigações simultâneas com relação às alterações topográficas e quantificação de íons cálcio sobre a superfície de um microcristal de calcita. A adição de reagentes ácidos no canal SICM promoveu a dissolução da superfície do microcristal, sendo obtidos dados cinéticos de dissolução. Investigações em meio neutro também foram realizadas utilizando a sonda ISME-SICM. Os resultados experimentais obtidos também foram comparados com aqueles oriundos de simulação computacional.

Estratégias de microfabricação utilizando toner para produção de dispositivos microfluídicos

Neste trabalho são apresentados processos de microfabricação de estruturas contendo microcanais e sistemas de manipulação hidrodinâmica e eletroosmótica de fluídos. Foram desenvolvidos processos de microfabricação utilizando toner sobre poliéster, toner sobre vidro, toner como resiste, além de métodos alternativos de perfuração de lâminas e selagem de microestruturas em vidro, desenvolvimento de microestruturas para eletroforese capilar e espectrometria de massas com ionização por eletronebulização. A caracterização dos materiais e processos permitiu uma ampla visão das potencialidades e alternativas dos processos de microfabricação, tendo sido demonstrado que os dispositivos produzidos em toner-poliéster são quimicamente resistentes às substâncias tipicamente utilizadas em eletroforese capilar. Neste trabalho, um detector condutométrico sem contato foi implementado em microestruturas de toner-poliéster e a separação eletroforética de alguns metais alcalinos é demonstrada. A microestrutura foi projetada no formato padrão em cruz, tendo o canal de separação 22 mm de comprimento, 12 µm de profundidade e largura típica. A cela condutométrica foi construída sobre o canal de separação utilizando-se fita adesiva de cobre (1 mm de largura) como eletrodos. O sinal aplicado na cela foi de 530 kHz e 10 Vpp . A separação de K+, Na+ e Li+ na concentração de 100 µmol L-1 foi efetuada em torno de 0,8 min, utilizando-se 1 kV como potencial de separação. Foram desenvolvidos microchips para análise por espectrometria de massas com introdução de amostra por eletronebulização, sendo determinado cluster do íon cloreto em concentração de 1 mmol L+. Também solução com 1 mmol/L de glucosamina em água/metanol 1: 1 (v/v), sob corrente de 100 nA gerou sinal estável e livre de descarga corona. Utilizando detecção amperométrica, obteve-se eletroferogramas mostrando a separação de iodeto (10 mmol L-1) e ascorbato (40 mmol L-1) em potencial de separação de 4,0 kV (800 V cm-1 potencial de detecção de 0,9 V (vs. Ag/AgCI), injeção com 1,0 kV/1°s, tampão borato de sódio 10 mmol L+ com CTAH 0,2 mmol L-1, pH 9,2. Obteve-se eficiência de 1,6.104 pratos/m e foi possível obter limites de detecção de 500 nmol L-1 (135 amol) e 1,8 µmol L-1 (486 amol) para iodeto e ascorbato, respectivamente. O processo de fabricação utilizando toner como material estrutural para microchips em vidro foi bem estabelecido, assim como os modos de detecção fotométrico e condutométrico foram demonstrados. Foram obtidos eletroferogramas par detecção condutométrica sem contato de solução 200 µmol L-1 de K+, Na+ e U+, em tampão histidina/ácido lático 30 mmol L-1 9:1 (v/v) água:metanol, injeção eletrocinética de 2,0 kV/5,0 s, potencial de separação de 1 kV, 530 kHz de frequência e tensão de 2,0 Vpp. Também foi implementado um sistema de detecção fotométrico para microchip operando em 660 nm, tendo sido utilizado para a detecção de azul de metileno 1,0 mmol L-1 em tampão de corrida de barato de sódio 20 mmol L-1 (pH 9,2), com o detector posicionado a 40 mm do ponto de injeção e com injeção eletrocinética a 2,0 kV por 12 s com picos bem resolvidos em menos de 1 min.

Specific and reversible immobilization of proteins tagged to the affinity polypeptide C-LytA on functionalized graphite electrodes

We have developed a general method for the specific and reversible immobilization of proteins fused to the choline-binding module C-LytA on functionalized graphite electrodes. Graphite electrode surfaces were modified by diazonium chemistry to introduce carboxylic groups that were subsequently used to anchor mixed self-assembled monolayers consisting of N,N-diethylethylenediamine groups, acting as choline analogs, and ethanolamine groups as spacers. The ability of the prepared electrodes to specifically bind C-LytA-tagged recombinant proteins was tested with a C-LytA-β-galactosidase fusion protein. The binding, activity and stability of the immobilized protein was evaluated by electrochemically monitoring the formation of an electroactive product in the enzymatic hydrolysis of the synthetic substrate 4-aminophenyl β-D-galactopyranoside. The hybrid protein was immobilized in an specific and reversible way, while retaining the catalytic activity. Moreover, these functionalized electrodes were shown to be highly stable and reusable. The method developed here can be envisaged as a general, immobilization procedure on the protein biosensor field.

Molecularly imprinted silica films prepared by electroassisted deposition for the selective detection of dopamine

Dopamine (DA) can be detected by electrochemical oxidation in conventional electrodes. However, the presence of other oxidizable species (interferents) usually present in physiological fluids at high concentrations (like ascorbic acid) makes very difficult its electrochemical detection. In the present work, glassy carbon electrodes have been modified with molecularly imprinted silica (MIS) films prepared by electroassisted deposition of sol–gel precursors. The production of MIS films was performed by adding the template molecule (DA) to the precursor sol. The molecular impression of silica was assessed showing a high coherency allowing a filtering capacity in the molecular scale. The MIS-modified electrodes present a high selectivity for the detection of DA in neutral or acidic solutions. The MIS-modified electrodes allow the amperometric determination of dopamine in solutions containing ascorbic acid with molar ratios lower than 1:50,000.

Enzyme mediated synthesis of polypyrrole in the presence of chondroitin sulfate and redox mediators of natural origin

Polypyrrole (PPy) was synthesized by enzyme mediated oxidation of pyrrole using naturally occurring compounds as redox mediators. The catalytic mechanism is an enzymatic cascade reaction in which hydrogen peroxide is the oxidizer and soybean peroxidase, in the presence of acetosyringone, syringaldehyde or vanillin, acts as a natural catalysts. The effect of the initial reaction composition on the polymerization yield and electrical conductivity of PPy was analyzed. Morphology of the PPy particles was studied by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy whereas the chemical structure was studied by X-ray photoelectron and Fourier transformed infrared spectroscopic techniques. The redox mediators increased the polymerization yield without a significant modification of the electronic structure of PPy. The highest conductivity of PPy was reached when chondroitin sulfate was used simultaneously as dopant and template during pyrrole polymerization. Electroactive properties of PPy obtained from natural precursors were successfully used in the amperometric quantification of uric acid concentrations. PPy increases the amperometric sensitivity of carbon nanotube screen-printed electrodes toward uric acid detection.

In situ measurements of hydrogen sulfide, oxygen, and temperature in diffuse fluids of the ultramafic-hosted Logatchev hydrothermal vent field (Mid-Atlantic Ridge)

The Logatchev hydrothermal vent field (14°45'N, Mid-Atlantic Ridge) is located in a ridge segment characterized by mantle-derived ultramafic outcrops. Compared to basalt-hosted vents, Logatchev high temperature fluids are relatively low in sulfide indicating that the diffuse, low temperature fluids of this vent field may not contain sufficient sulfide concentrations to support a chemosymbiotic invertebrate community. However, the high abundances of bathymodiolin mussels with bacterial symbionts related to free-living sulfur oxidizing bacteria suggested that bioavailable sulfide is present at Logatchev. To clarify if diffuse fluids above mussel beds of Bathymodiolus puteoserpentis provide the reductants and oxidants needed by their symbionts for aerobic sulfide oxidation, in situ microsensor measurements of dissolved hydrogen sulfide and oxygen were combined with simultaneous temperature measurements. High temporal fluctuations of all three parameters were measured above the mussel beds. H2S and O2 co-existed with mean concentrations between 9-31 µM (H2S) and 216-228 µM (O2). Temperature maxima (<= 7.4°C) were generally concurrent with H2S maxima (<= 156 µM) and O2 minima (>= 142 µM). Long-term measurements for 250 days using temperature as a proxy for oxygen and sulfide concentrations indicated that the mussels were neither oxygen- nor sulfide-limited. Our in situ measurements at Logatchev indicate that sulfide may also be bioavailable in diffuse fluids from other ultramafic-hosted vents along slow- and ultraslow-spreading ridges.

Microscale structure and function of anaerobic-aerobic granules containing glycogen accumulating organisms

The spatial arrangement and metabolic activity of 'Candidatus Competibacter phosphatis' was investigated in granular sludge from an anaerobic-aerobic sequencing batch reactor enriched for glycogen-accumulating organisms. In this process, the electron donor (acetate) and the electron acceptor (oxygen) were supplied sequentially in each phase. The organism, identified by fluorescence in situ hybridisation, was present throughout the granules; however, metabolic activity was limited to a 100-mum-thick layer immediately below the surface of the granules. To investigate the cause of this, oxygen microsensors and a novel microscale biosensor for volatile fatty acids were used in conjunction with chemical staining for intracellular storage polymers. It was found that the limited distribution of activity was caused by mass transport limitation of oxygen into the granules during the aerobic phase. (C) 2003 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Determination of binding constants by affinity chromatography

This review summarizes developments in the use of affinity chromatography to characterize biospecific interactions in terms of reaction stoichiometry and equilibrium constant. In that regard, the biospecificity incorporated into the design of the experiment ensures applicability of the method regardless of the sizes of the reacting solutes. By the adoption of different experimental strategies (column chromatography, simple partition equilibrium, solid-phase immunoassay and biosensor technology protocols) quantitatiative affinity chromatography can be used to characterize interactions governed by an extremely broad range of binding affinities. In addition, the link between ligand-binding studies and quantitative affinity chromatography is illustrated by means of partition equilibrium studies of glycolytic enzyme interactions with muscle myofibrils. an exercise which emphasizes that the same theoretical expressions apply to naturally occurring examples of affinity chromatography in the cellular environment. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characterization of polyamine oxidase from the aquatic nitrogen-fixing fern Azolla imbricata

Biochemical properties of a polyamine oxidase (PAO; EC 1.5.3.3) purified from the aquatic nitrogen-fixing fern Azolla imbricata (Roxb.) Nak. were studied. The native molecular mass of the enzyme estimated by Sephadex G 200 get filtration was 66.2 kDa. SDS-PAGE gave a single protein band corresponding to a molecular mass of 65.5 kDa. The light yellow enzyme had absorption maxima at 278, 372 and 454 nm with 1 mol FAD per mole enzyme molecule as its cofactor. The PAO was active on both the triamine Spd and the tetraamine Spm as substrates. However, it was inactive on the diamines Put and Cad. It had a pH optimum of 6.5 for both Spd and Spm. The K-m(S) for Spd and Spm were 6.71 x 10(-2) and 1.13 x 10(-1) nM, respectively. Pre-incubation with 10 mM of K+ (KCl), Ca2(+) (CaCl2) or Mg2+ (MgCl2) had no effect on PAO activity. However, 10 mM Cu2+ (CuCl2), Mn2+ (MnCl2) and Fe2+ (FeSO4) inhibited enzyme activity by 37%, 43% and 58%, respectively. The metal chelator EDTA (10 mM), the carbonyl reagent hydroxylamine (0.5 mM) and the sulfhydryl reagent p-chloro-mercuribenzoate (0.5 mM) had no effect on PAO activity. (c) 2005 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Sub-inhibitory concentrations of ceftazidime and tobramycin reduce the quorum sensing signals of Pseudomonas aeruginosa

Aim: Concentrations of antimicrobials below minimum inhibitory concentration (subMIC) may reduce the production by Pseudomonas aeruginosa of virulence factors such as elastase. We sought to determine whether the reduction in elastase production may be mediated by a reduction in acyl-homoserine lactones. Methods: Pseudomonas aeruginosa in broth was exposed to three conditions for ceftazidime and tobramycin: control, 6% MIC and 25% MIC. Elastase was assayed using elastin congo red. N-(3-Oxododecanoyl)-homoserine lactone (C12-HSL) and N-butyryl-homoserine lactone (C4-HSL) were assayed using biosensor Escherichia coli. Results: Elastase was unchanged with ceftazidime. Elastase was reduced by 16% at 6% MIC tobramycin and reduced by 70% at 25% MIC tobramycin (P

Enzyme Electrochemistry - Biocatalysis on an electrode

Oxidoreductase enzymes catalyze single- or multi-electron reduction/oxidation reactions of small molecule inorganic or organic substrates, and they are integral to a wide variety of biological processes including respiration, energy production, biosynthesis, metabolism, and detoxification. All redox enzymes require a natural redox partner such as an electron-transfer protein ( e. g. cytochrome, ferredoxin, flavoprotein) or a small molecule cosubstrate ( e. g. NAD(P)H, dioxygen) to sustain catalysis, in effect to balance the substrate/product redox half-reaction. In principle, the natural electron-transfer partner may be replaced by an electrochemical working electrode. One of the great strengths of this approach is that the rate of catalysis ( equivalent to the observed electrochemical current) may be probed as a function of applied potential through linear sweep and cyclic voltammetry, and insight to the overall catalytic mechanism may be gained by a systematic electrochemical study coupled with theoretical analysis. In this review, the various approaches to enzyme electrochemistry will be discussed, including direct and indirect ( mediated) experiments, and a brief coverage of the theory relevant to these techniques will be presented. The importance of immobilizing enzymes on the electrode surface will be presented and the variety of ways that this may be done will be reviewed. The importance of chemical modification of the electrode surface in ensuring an environment conducive to a stable and active enzyme capable of functioning natively will be illustrated. Fundamental research into electrochemically driven enzyme catalysis has led to some remarkable practical applications. The glucose oxidase enzyme electrode is a spectacularly successful application of enzyme electrochemistry. Biosensors based on this technology are used worldwide by sufferers of diabetes to provide rapid and accurate analysis of blood glucose concentrations. Other applications of enzyme electrochemistry are in the sensing of macromolecular complexation events such as antigen - antibody binding and DNA hybridization. The review will include a selection of enzymes that have been successfully investigated by electrochemistry and, where appropriate, discuss their development towards practical biotechnological applications.

Interpretation of the temperature dependence of equilibrium and rate constants

The objective of this review is to draw attention to potential pitfalls in attempts to glean mechanistic information from the magnitudes of standard enthalpies and entropies derived from the temperature dependence of equilibrium and rate constants for protein interactions. Problems arise because the minimalist model that suffices to describe the energy differences between initial and final states usually comprises a set of linked equilibria, each of which is characterized by its own energetics. For example, because the overall standard enthalpy is a composite of those individual values, a positive magnitude for AHO can still arise despite all reactions within the subset being characterized by negative enthalpy changes: designation of the reaction as being entropy driven is thus equivocal. An experimenter must always bear in mind the fact that any mechanistic interpretation of the magnitudes of thermodynamic parameters refers to the reaction model rather than the experimental system For the same reason there is little point in subjecting the temperature dependence of rate constants for protein interactions to transition-state analysis. If comparisons with reported values of standard enthalpy and entropy of activation are needed, they are readily calculated from the empirical Arrhenius parameters. Copyright (c) 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Phytotoxicity of surface waters of the Thames and Brisbane River Estuaries: A combined chemical analysis and bioassay approach for the comparison of two systems

The Thames Estuary, UK, and the Brisbane River, Australia, are comparable in size and catchment area. Both are representative of the large and growing number of the world's estuaries associated with major cities. Principle differences between the two systems relate to climate and human population pressures. In order to assess the potential phytotoxic impact of herbicide residues in the estuaries, surface waters were analysed with a PAM fluorometry-based bioassay that employs the photosynthetic efficiency (photosystem II quantum yield) of laboratory cultured microalgae, as an endpoint measure of phytotoxicity. In addition, surface waters were chemically analysed for a limited number of herbicides. Diuron atrazine and simazine were detected in both systems at comparable concentrations. In contrast, bioassay results revealed that whilst detected herbicides accounted for the observed phytotoxicity of Brisbane River extracts with great accuracy, they consistently explained only around 50% of the phytotoxicity induced by Thames Estuary extracts. Unaccounted for phytotoxicity in Thames surface waters is indicative of unidentified phytotoxins. The greatest phytotoxic response was measured at Charing Cross, Thames Estuary, and corresponded to a diuron equivalent concentration of 180 ng L-1. The study employs relative potencies (REP) of PSII impacting herbicides and demonstrates that chemical analysis alone is prone to omission of valuable information. Results of the study provide support for the incorporation of bioassays into routine monitoring programs where bioassay data may be used to predict and verify chemical contamination data, alert to unidentified compounds and provide the user with information regarding cumulative toxicity of complex mixtures. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.