Desarrollo de nuevas estrategias y componentes claves para el diseño de dispositivos analíticos portátiles con aplicaciones clínicas y ambientales

Abstract

En esta Tesis se han desarrollado y optimizado sistemas analíticos completos,incluyendo el diseño de métodos basados en la utilización de células o parte de ellas(bioensayos y biosensores), así como también materiales de electrodo que formanparte de sistemas analíticos más sencillos (que no incluyen un componente biológico).En el trabajo presentado aquí se los ha utilizado para la detección de toxicidad agudaen agua, cuantificación de glucosa en muestras de orina, determinación de Pb2+ enmuestras de agua y cuantificación de bacterias en microgotas. Para ello se hanutilizado principalmente técnicas electroquímicas y ópticas. Se han utilizadoprocedimientos y herramientas provenientes de la nanotecnología y la microfluídicapara la optimización de los distintos sistemas analíticos desarrollados en esta Tesis.Se han caracterizado y optimizado bioensayos instrumentales para toxicidad agudaque permitieron detectar la presencia de compuestos tóxicos o inhibitorios enmuestras de agua superficial. Este bioensayo de tipo respirométrico está basado enla inhibición del metabolismo de la bacteria Pseudomonas putida KT2440, cuando seexpone a un agente tóxico/inhibitorio. La cuantificación de CO2, producido por labacteria en la fase líquida utilizando electrodos potenciométricos sensibles al CO2,permitió evaluar la cinética de producción de CO2 durante estudios de optimizacióncon un tóxico de referencia (3,5-diclorofenol), metales pesados y metaloides. Dada laportabilidad, bajo costo y sencilla utilización de los sistemas analíticos basados enmicrofluídica de papel y su potencial en aplicaciones de un solo uso, en esta Tesis seha trabajado modificando las fibras de celulosa con nanopartículas de Fe3O4 (MNPs),nanotubos de carbono (CNT) y óxido de grafeno (GO). Estas modificacionespermitieron desarrollar biosensores de glucosa de tipo colorimétrico que demostraronser más sensibles y robustos respecto a los controles sin modificar. Por otro lado seha modificado las fibras de papel con tintas conductoras compuestas por CNT,quitosano y SDS para desarrollar electrodos, que fueron caracterizadoselectroquímicamente y utilizados para detectar trazas de Pb en muestras de agua deconsumo. El último estudio de esta Tesis muestra el desarrollo y caracterización deun detector de conductividad sin contacto acoplado capacitivamente utilizado paradeterminar concentración de células de Escherichia coli dentro de microgotas deaproximadamente 17.3 nL. Se obtuvieron límites de detección, y rangos lineales dedetección de 64.42 y 86.5 a 8650 unidades formadoras de colonias por microgota,respectivamente.

In this Thesis, complete analytical systems were developed and optimized including designs involving: whole organisms or part of them (bioassays and biosensors), and electrode materials that are part of simple systems (without biological components). These analytical systems have been assayed for the acute toxicity detection in water, total bacteria quantification, glucose quantification in plasma and Pb2+ detection in water samples. The applied methodology used were principally electrochemical and optical. Other tools and techniques from nanotechnology and microfluidics were also used for the optimization of the analytical systems used in this Thesis. The instrumental acute toxicity bioassay were characterized and optimized in order to detect the presence of toxic or inhibitory compounds in surface water samples. The designed bioassay was based on the quantification of Pseudomonas putida KT2440 CO2 production when is exposed to a toxic/inhibitory agent. The quantification of CO2 produced was determined in in liquid phase by means of potentiometric CO2 electrodes. Optimization studies were done by analyzing the kinetic production of CO2 with a reference toxic compound (3,5-dichlorophenol), heavy metals and metalloids. Due to the portability, low cost and easy handle of analytical devices based on paper microfluidics and furthermore to their potential for single use applications, in this Thesis cellulose paper fibers were modified with Fe3O4 nanoparticles (MNPs), carbon nanotubes (CNT) and graphene oxide (GO). The modifications allowed the development of colorimetric glucose biosensors that showed to be more sensitive and robust in comparison to control µPADs without any modification. Paper cellulose fibers were further modified with conductive inks composed by CNT, chitosan and SDS to develop electrodes, which were electrochemically characterized and showed the ability to detect trace levels of Pb in drinking water samples. The final study of this Thesis was focused on the analysis of a capacitively coupled contactless conductivity detector used for the detection of Escherichia coli cell concentration inside ca. 17.3 nL droplets. The limit of detection and linear detection range were 64.42 and 86.5 to 8650 colony forming units per droplet.