Electrodos modificados con nanotubos de carbono y grafeno : caracterización y desarrollo de biosensores electroquímicos y plasmónicos para la detección de biomarcadores de relevancia

Abstract

Los biosensores están estrechamente relacionados con la vida moderna, incluyendo aplicaciones en el diagnóstico de enfermedades como también para la detección de agentes biológicos y contaminantes en el medio ambiente. Entre los distintos biosensores, los electroquímicos representan una prometedora alternativa debido a su alta sensibilidad, elevada relación señal/ruido, relativa simplicidad, tiempo de respuesta rápido y posibilidad de portabilidad y miniaturización. El carbono, un elemento ampliamente distribuido en la naturaleza, ha sido utilizado por los seres humanos durante mucho tiempo. Con los continuos avances en la nanotecnología, se han encontrado y aplicado diversos alótropos del carbono en numerosos campos, incluyendo la nanoelectrónica y electrónica de alta frecuencia, almacenamiento y conversión de energía, transistores de emisión de campo, teranóstica y biosensores. En este trabajo de Tesis se funcionalizaron nanotubos de carbono y materiales derivados del grafeno con polímeros y biomoléculas y se inmovilizaron sobre sustratos de carbono vítreo (GCE) y oro con el objetivo de construir plataformas (bio)analíticas para el desarrollo de biosensores electroquímicos y plasmónicos. El capítulo 1 presenta una introducción general acerca de los nanomateriales de carbono utilizados en el trabajo de Tesis: nanotubos de carbono y grafeno y derivados. Se describe la relación entre la estructura y las propiedades electroquímicas y ópticas. Se especifican las distintas metodologías de incorporación de nanotubos de carbono y grafeno sobre sustratos conductores y se detallan las aplicaciones de estos materiales en el desarrollo de biosensores electroquímicos y plasmónicos. El capítulo 2 discute los fundamentos de las técnicas más representativas empleadas en el presente trabajo Tesis y las metodologías llevadas a cabo para obtener los resultados. En el capítulo 3 se muestran los resultados de la funcionalización no covalente de nanotubos de carbono multipared tipo bamboo (BCNT) con DNA de doble hebra de timo de ternera (dsDNA). Se discuten las propiedades electroquímicas de la plataforma y las ventajas que presentan BCNT frente a CNT tipo hollow convencionales. Asimismo, se analiza el efecto de las condiciones de dispersión (solvente, tiempo de sonicado y relación BCNT:dsDNA) sobre la respuesta electroquímica de la plataforma y la estructura e integridad del DNA, empleando técnicas electroquímicas, espectroscópicas y microscopías electrónicas. En los capítulos 4 y 5 se exponen las aplicaciones analíticas de la plataforma GCE/BCNT-dsDNA para el desarrollo de biosensores electroquímicos. En el x se presentan los resultados obtenidos tomando ventaja de las propiedades de bio-reconocimiento del dsDNA soportado sobre BCNT dispersos para desarrollar un biosensor dirigido a la cuantificación sensible de prometazina (PMZ), un intercalador de la doble hebra. Se discuten los cambios en la respuesta electroquímica de PMZ al interaccionar con la plataforma GCE/BCNT-dsDNA. Mediante técnicas electroquímicas, espectroscopia UV-Vis y cálculos cuánticos se analiza el proceso de intercalación de PMZ. Se presentan las características analíticas de la cuantificación de PMZ a niveles nanomolares empleando stripping de adsorción con detección por voltamperometría de pulso diferencial. En el capítulo 5 se muestran las ventajas que ofrece la característica de polianión de dsDNA soportado sobre BCNT para autoensamblar capa por capa la enzima glucosa oxidasa (GOx) con el fin de desarrollar un biosensor de glucosa. Se discuten las condiciones óptimas de ensamblado de GOx y del policatión poli(dialildimetilamonio) (PDDA), y la influencia del número de bicapas tipo (PDDA/GOx)n en las características morfológicas de las películas ensambladas como así también en la bioactividad de la enzima. En el capítulo 6 se presenta la síntesis y caracterización de óxido de grafeno (GO) modificado covalentemente con quitosano (GO-CHIT) y su posterior reducción química (RGO-CHIT). Se comparan distintas estrategias de inmovilización sobre sustratos de Au: • No covalentes: mediante autoensamblado capa por capa de PDDA/GO, GO-CHIT y RGO-CHIT sobre Au derivatizado con el tiol 3-mercaptopropan-sulfonato de sodio (MPS). • Covalentes: a través de la inmovilización de GO-CHIT y RGO-CHIT sobre Au derivatizado con el tiol 4-aminotiofenol (4ATP), utilizando glutaraldehído como agente de acoplamiento. En todos los casos se discuten las propiedades electroquímicas y el proceso de adsorción a través del empleo de SPR y espectroscopia UV-Vis; y se efectúa el análisis comparativo del cubrimiento de una proteína modelo en las distintas plataformas para poder implementarlas como sustratos de inmovilización de un anticuerpo para el desarrollo de un inmunosensor con detección electroquímica y plasmónica. En el capítulo 7 se utiliza la plataforma Au/MPS/PDDA/GO para la inmovilización de un anticuerpo monoclonal específico para la proteína Galectina-3, biomarcador para la detección temprana de insuficiencia cardíaca aguda. Se evalúan las propiedades ópticas y electroquímicas del autoensamblado (PDDA/GO)n sobre Au/MPS y su efecto en la capacidad de inmovilización del anticuerpo. Se presentan los parámetros analíticos y especificidad del biosensor propuesto. Por último, en el capítulo 8 se exponen las conclusiones generales del trabajo de Tesis realizado.