Masters of Science / South African dams and reservoirs are increasingly showing the propensity to support sustained populations of Cyanobacteria (blue green algae). These photosynthetic bacteria occur throughout the world and can rapidly form blooms in eutrophic water systems. The occurrence of these photosynthetic bacteria, in our dwindling drinking water source dams, poses a serious, economic, as well as a health, threat to and arid country like South Africa due to is potential to produce of toxic metabolites like Microcystins and Nodularins (MCN). MCN's are cyclic peptides toxins, harmful to humans and animals, and its toxicological mechanism is based on a strong inhibition of protein phosphatises in the liver. This may lead to severe liver damage and increased tumour development. Rural communities consuming untreated water in South Africa are most at risk due the high toxicity of MCN’s at low doses.We endeavour to develop an immunosensor for the detection of Microcystins and nodularins using anti-sheep IgG antibody labelled with horseradish peroxidase (HRP) immobilised on a modified glassy-carbon polymer surface. The immunosensor will be applied to water samples for MCN’s as a group of compounds recognised by the ADDA moiety common to all MCN congeners. The immunosensor will provide immediate confirmation and quantification of MCN’s in situ. A competitive Enzyme Linked Immuno-Sorbant Assay (ELISA) and High Performance liquid Chromatography (HPLC) will be used to validate results of our immunosensor. Elisa's are widely used as a screening test method for MCN's. The antibody-antigen specificity forms the bases for the recognition of target compound (MCN's) by antibodies which bind to a compound which is labelled with a colour indicator, and quantified by spectrophotometry.

O desenvolvimento de biossensores é um tema de pesquisa bastante promissor, uma vez que permite monitorar diversas classes de substâncias, que muitas vezes apresentam grande interesse nas mais diversas áreas da ciência. Biossensores são pequenos dispositivos que utilizam componentes biológicos como elementos de reconhecimento, ligados a um sistema dedetecção, transdução e amplificação do sinal gerado na reação com o analito-alvo. Podem ser utilizados diversos elementos, sendo os principais, atualmente, aqueles baseados em aptâmeros e nanomateriais, por sua alta especificidade e sensibilidade. Seu potencial de utilização varia desde a detecção e tratamento de doenças ou a medição de componentes nos fluidos biológicos, até o monitoramento ambiental e prevenção de contaminação e bioterrorismo. Neste projeto foi desenvolvido um biossensor eletroquímico cujo objetivo é identificar toxinas inoculadas em pacientes que sofreram acidentes com animais peçonhentos. Foram utilizados os anticorpos/imuniglobulinas comerciais e a peçonha bruta de jararaca (Bothrops) para fazer o estudo/desenvolvimento do biossensor. Neste trabalho foram apresentados os resultados da imobilização dos anticorpos (imunoglobulinas) sobre o eletrodo de trabalho, bem como sua resposta eletroquímica utilizando voltametria cíclica. As soluções utilizadas foram de NaCl 0,9% e tampão fosfato (0,1 mol.L-1) com pH=7,4 por ser bem próximo ao pH fisiológico, pois, posteriormente quer se investigar em plasma sanguíneo. Os voltamogramas cíclicos e a microscopia eletrônica de varredura mostraram a diferença do eletrodo com e sem a imobilização das imunoglobulinas, evidenciando que o biossensor é eficaz para o sistema analisado, sendo promissor aos estudos. Com o biossensor construído, foi investigada a resposta eletroquímica relativa à interação antígeno-anticorpo (veneno-soro) para analisar a interação específica entre eles, sendo o resultado positivamente o esperado. / The development of biosensors is a research topic very promising, since it allows you to monitor various classes of substances, which often exhibit great interest in several areas of science. Biosensors are small devices that use biological recognition elements and components, bound to a selfAdetecting system, transduction and amplification of the signal generated in the reaction with the target analyte it. Various elements, the main currently those based on aptamers and nanomaterials for their high specificity and sensitivity can be used. Their potential use varies from the detection and treatment of diseases or measurement of components in biological fluids to the environmental monitoring and contamination prevention and bioterrorism. In this project we developed an electrochemical biosensor whose objetico is inoculated identify toxins in patients who have suffered accidents with poisonous animals. Antibodies / commercial imuniglobulinas and the crude venom of pit viper (Bothrops) were used to study / development of the biosensor. In this work the results of immobilization of antibodies (immunoglobulins) on the working electrode and its electrochemical response using cyclic voltammetry were presented. The solutions used were 0.9% NaCl and phosphate buffer (0.1 mol L-1) of pH = 7.4 to be close to physiological pH and therefore further investigated whether in blood plasma. Cyclic voltammetry and scanning electron microscopy showed the difference of the electrode with and without immobilization of immunoglobulins, indicating that the biosensor is effective for the system analyzed, and promising to studies. With the biosensor constructed, we investigated the electrochemical response on the antigen-antibody (venom antiserum) interaction to analyze the specific interaction between them, the result being positively expected.

A dengue é uma doença negligenciada que carece de métodos diagnósticos rápidos nos primeiros dias de infecção. São quatro sorotipos diferentes, cuja monitoração é essencial para o controle da ocorrência de casos graves como a dengue hemorrágica. É urgente o desenvolvimento e disponibilização de um dispositivo capaz de suprir essa demanda, de modo que propomos a utilização de imunossensores potenciométricos, devido a facilidade de miniaturização e produção dos dispositivos e seu baixo custo, além da possibilidade de detecção direta (sem marcadores) e simplicidade de manuseio. Dispositivos sensores de pH, como o transistor de efeito de campo de porta estendida e separada (SEGFET) e amplificadores de instrumentação (AI) podem ser utilizados como transdutores de sinal para a reação antígeno-anticorpo, a partir da utilização de materiais não nernstianos, como o ouro, como plataforma sensível. A proteína NS1 do vírus da dengue é um excelente marcador da infecção, pois é secretada em altas concentrações pelo vírus no sangue de pessoas infectadas logo nos primeiros dias, de modo que o sistema preza pelo diagnóstico precoce da doença. Sua detecção é realizada através da imobilização de anticorpos anti-proteína NS1 na plataforma sensível, permitindo sua quantificação através da detecção da alteração local de carga. O eletrodo foi caracterizado por diversas técnicas de microscopia, entre elas de varredura, confocal e de força atômica, além da utilização de espectroscopia de impedância eletroquímica, permitindo um amplo conhecimento da superfície da membrana sensível. Os imunossensores desenvolvidos apresentaram alta sensibilidade, com capacidade de detecção da ordem de ng.mL-1. Na região linear da curva analítica, foram obtidos sensibilidade correspondente a (15.7 ± 4.4) .10-4 μA.μg.mL-1 para o SEGFET e (3.2 ± 0.3) mV.μg.mL-1 para o AI, sendo que este último apresenta uma maior estabilidade de sinal e dispensa a utilização de uma fonte variável de tensão, reduzindo o custo no desenvolvimento de um dispositivo diagnóstico comercial. Estes resultados levaram a um pedido de patente e o prosseguimento do projeto através da miniaturização do sistema e detecção em amostras reais. / Dengue is a neglected disease that lacks fast diagnosis methods in the first days of infection. There are four different serotypes, which monitoring is essential to the occurrence control of severe cases as dengue hemorrhagic fever. The development of a device capable of fulfilling this demand is urgent, so we propose the use of potentiometric immunosensors, since its ease of miniaturization, mass production, low cost and the possibility of direct detection (label-free). pH sensor devices, as the separated extended gate field effect transistors (SEGFET) and instrumentation amplifiers (AI) can be applied as transducers to the antibody-antigen reaction by using non-nernstian materials such as gold as sensitive membrane. The non-structural 1 (NS1) protein is an excellent marker of infection, since its secreted in high concentration in the blood of infected people by the dengue virus in the first days, prioritizing early diagnosis. Its detection is made by immobilization of anti-NS1 protein antibodies, allowing its quantification by local charge changes. The electrode was characterized by many microscopy methods, including scanning electron, confocal and atomic force, besides electrochemistry impedance spectroscopy, providing a wide knowledge of the membrane surface. The developed immunosensors showed high sensitivity with detection capacity in the order of ng.mL-1. In the linear range of the analytic curve, were obtained sensitivities of (15.7 ± 4.4) .10-4 μA.μg.mL-1 for the SEGFET and (3.2 ± 0.3) mV.μg.mL-1 for the AI, whereas the latter has high signal stability sparring the use of a variable voltage source, minimizing the costs in the development of a commercial diagnostic device. These results led to a patent and the project continues by working in miniaturizing and real samples detection.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung elektrochemischer Biosensoren zur Erweiterung oder zum Ersatz herkömmlicher Diagnostikverfahren. Als Basis für die Biosensoren wurden Elektrodenarraychips entworfen und im Reinraum gefertigt. Die als 9WPtE bezeichneten Elektrodenarrays waren aus 3 x 3 Elektrodenpaaren im 96-well-Maßstab (ANSI-Standard) aufgebaut. Jedes Elektrodenpaar bestand aus einer kreisrunden Arbeitselektrode mit einem Durchmesser von 1,9 mm und einer Gegenelektrode als offenem Kreisring um die Arbeitselektrode mit einem Durchmesser von 7 mm. Außerhalb des Reinraums wurden separate Messkammern und Ag/AgCl-Referenzelektroden integriert. Sowohl das Referenzsystem als auch die Signalqualität der 9WPtE-Elektrodenarraychips wurden mittels Zyklovoltammetrie, Impedanzspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie analysiert und anhand dieser Untersuchungen optimiert. Das Augenmerk lag hierbei auf den Produktionsprozessen zur Herstellung der Elektrodenarraychips, auf den Elektrolytbedingungen für die elektrochemischen Messungen und auf der Recyclebarkeit der Chips. Die Funktionalisierung der Arbeitselektroden der 9WPtE-Chips erfolgte mit sich selbst-organisierenden Schichten aus Thiolen. An die Thiole wurden mittels Chemoligation die biologischen Erkennungskomponenten kovalent gekoppelt. Mit dem 9WPtE-Elektrodenarray wurde auf diese Weise ein funktionsfähiger kompetitiver Immunosensoren gegen den Tumormarker Tenascin C entwickelt. Außerdem wurden der 9WPtE-Chip und ein zusätzlich entwickelter Durchflusssensor, basierend auf dem Prinzip des 9WPtE, genutzt, um die Möglichkeit der Detektion ganzer eukaryotischer Zellen zu untersuchen.

The objective of this thesis is to introduce and demonstrate a novel magnetic bead detector based on inductive detection at the ferromagnetic resonance (FMR) frequency for use in bio-sensing applications. Detection ability is demonstrated through theoretical arguments, numerical computer simulations, and experimental characterization of micro-fabricated detectors. The detector is composed of two uniplanar rf waveguides (coplanar waveguide and slotline) terminated together at a short-circuit junction, which serves as the sensitive area. Experimental characterization of a micro-fabricated junction gives a signal ranging between 1 microvolt/volt and 12 microvolts/volt, depending on the number of beads at the junction as well spatial distribution of the beads. The locations around the tips of the CPW were shown to be the most sensitive. A more complex rf circuit design was created employing the detection junction, and detection of magnetic beads was successfully shown at rf frequencies around 6 GHz in this configuration. Due to lack of FMR characterization data for magnetic beads in the literature, several varieties of magnetic beads were characterized using a CPW transmission line and custom apparatus to determine FMR properties. Finally, successful detection of magnetic beads was demonstrated in a system-level integration experiment employing the detector junction in combination with microfluidics and bio-chemical surface modifications. / Graduation date: 2010

This research demonstrates technology for detection of pathogens and environmental monitoring using a handheld optofluidic immunosensor and CFD simulation. The current methods such as ELISA and PCR require few hours for identification which means it is unavailable for early-monitoring. The use of a near-real-time, handheld biosensor device in a real animal/human environment is the key to monitoring the spread of dangerous pathogens. A 3-D computational fluid dynamics (CFD) simulation is needed to track the pathogens within an environment.This dissertation has four papers that demonstrate technologies for the detection and monitoring of pathogens and the miniaturization of these detection systems for in field applications with a handheld immunosensor and CFD simulation.In the first paper, an environmental prediction model was developed for optimal ventilation in a mushroom house by using sensible heat balance and 3-D CFD method. It is shown that the models can be used for farmers to predict the environmental conditions over different locations in a mushroom house.In the second paper, a field lab-on-a-chip system was constructed to detect mouse immunoglobulin G and Escherichia coli by using light scattering detection of particle immunoagglutination. Antibody-conjugated particles were able to be stored in a 4°C refrigerator for at least 4 weeks and to be lyophilized as a powder form for the storage in room temperature.In the third paper, rapid monitoring of the spreads of porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) was attempted using samples collected from nasal swabs of pigs and air samplers within an experimental swine building. An optofluidic device containing liquid-core waveguides was used to detect. It is shown that the developed optofluidic device and 3-D CFD model can serve as a good model for monitoring the spread of airborne viruses within animal and human environments.In the fourth paper, a handheld optofluidic immunosensor was developed for rapid detection of H1N1/2009 virus inside a 1:10 scale mock classroom. Both miniature spectrometer and cell phone camera were used as detector. A 3-D computational fluid dynamics (CFD) model was developed to track the transport/distribution of H1N1/2009 viruses, and corresponded very well with immunosensor readings.

Os rins desempenham um papel fundamental no sistema urinário e sua principal função é a filtração do sangue. Uma das causas que podem comprometer o funcionamento dos rins é a Insuficiência Renal Aguda (IRA) que é definida como a diminuição da taxa de filtração glomerular (TFG) de forma rápida e inesperada, causando a perda da função renal. Essa doença apresenta um número significativo de internações e também óbitos. O marcador padrão usado nos exames laboratoriais é a creatinina sérica, no entanto, a concentração da creatinina sérica pode variar dependendo de vários fatores, como idade, sexo, nutrição, entre outros. Além disso, sua concentração não varia consideravelmente nas primeiras indicações da lesão renal. Dessa forma, o diagnóstico é tardio e a função renal já pode estar comprometida. A proteína cistatina C (CST3) vem sendo indicada como um novo marcador para a doença, mostrando superioridade especialmente para detectar pequenas variações da TFG. A concentração da cistatina C não varia significativamente com a idade, sexo e massa muscular. Assim, foi desenvolvido um imunossensor para detectar a cistatina C, usando a configuração de transistor de efeito de campo de porta estendida e separada (SEGFET). Os eletrodos foram caracterizados por várias técnicas como MEV, microscopia de força atômica, técnicas eletroquímicas e também foi analisada a sensibilidade do ouro. As etapas de construção do imunossensor, e a interação do anticorpo com concentrações crescentes da proteína foram verificadas através de técnicas eletroquímicas, na faixa de concentração de 3 a 100 ng.mL-1. Nas medidas no SEGFET observou-se uma mudança significativa da corrente após a adição da cistatina C e para as substâncias interferentes não. O imunossensor apresentou alta sensibilidade detectando concentrações bem baixas da proteína alvo. A curva analítica ΔIDS% x [CST3] obteve-se L.D. = 0,75 ng.mL-1, L.Q. = 2,27 ng.mL-1 e r = 0,98122. A curva analítica ΔVGS% x [CST3] obteve-se L.D. = 0,28 ng.mL-1, L.Q. = 0,87 ng.mL-1 e r = 0,99846. Embora tenha algumas limitações o imunossensor é inovador e apresenta muitas vantagens podendo ser aplicado futuramente para o diagnóstico da doença. / The kidneys play a key role in the urinary system and its main function is the filtration of blood. One of the causes that can compromise the functioning of the kidneys is the Acute Kidney Injury (AKI), which is defined as the quickly and unexpected decrease in Glomerular Filtration Rate (GFR), causing the loss of kidney function. This disease presents a significant number of hospitalizations and also deaths. The standard marker used in laboratory tests is serum creatinine, however, serum creatinine concentration may vary depending on a number of factors, such as age, sex, nutrition, and so on. In addition, its concentration does not vary considerably in the first indications of renal injury. Thus, the diagnosis is delayed and renal function may already be compromised. The cystatin C protein (CST3) has been indicated as a new marker for the disease, showing superiority especially for detecting small variations in GFR. The concentration of cystatin C does not vary significantly with age, sex and muscle mass. Thus, an immunosensor was developed to detect cystatin C using the extended and a separate gate field effect transistor (SEGFET) configuration. The electrodes were characterized by several techniques such as SEM, atomic force microscopy, electrochemical techniques and also the sensitivity of gold was analyzed. The construction of the immunosensor, and the interaction of the antibody with increasing concentrations of the protein were verified by electrochemical techniques, in the concentration range of 3 to 100 ng.mL-1. In the measurements in the SEGFET a significant change of the current was observed after the addition of cystatin C and for the interfering substances there was no difference. The immunosensor showed high sensitivity detecting very low concentrations of the target protein. The analytical curve ΔIDS% x [CST3] was obtained L.D. = 0,75 ng.mL-1, L.Q. = 2,27 ng.mL-1 and r = 0,98122. The analytical curve ΔVGS% x [CST3] was obtained L.D. = 0,28 ng.mL-1, L.Q. = 0,87 ng.mL-1 and r = 0,99846. Although it has some limitations the immunosensor is innovative and presents many advantages and can be applied in the future to diagnose the disease.

Orientador: Elenice Deffune / Resumo: A Hemorragia feto-materna (HFM) se dá pela transferência do sangue fetal para o compartimento intravascular materno, devido à ruptura na membrana vásculo-sincicial da placenta. A HFM pode ser responsável pela alosensibilização do sistema imune materno, levando a morbidade e mortalidade de gravidez corrente e/ou de futura, assim como também constitui a base da etiopatogenia de várias afecções, como se verifica na doença hemolítica perinatal que expõe a complicações fetais como, hidropsia, danos cerebrais hipóxicos e morte fetal. Detectar e quantificar hemácias fetais ajuda a prevenir as consequências devida a ocorrência da HFM. Entre os testes diagnósticos utilizados na detecção e quantificação têm - se os mais sensíveis o teste quantitativo de Kleihauer e Betke e o de Citometria de fluxo, sendo o primeiro considerado padrão ouro. Tendo em vista a importância do diagnóstico laboratorial da HFM foi desenvolvida a proposta da construção de imunossensor para detecção de amostras de sangue fetal na corrente sanguínea materna. Foi realizada a produção de anticorpo monoclonal com objetivo de produzir anticorpos contra antígenos de superfícies de hemácias fetais humana e também foram realizadas a construção de unidades sensoriais para detecção de sinal biológico de imunoafinidade entre anticorpos que detectam hemácias fetais e a hemoglobina fetal presente nestas células, a fim de se diagnosticar a ocorrência da HFM. Foram obtidos como resultados a produção de anticorpo monoclonal que... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Fetomaternal hemorrhage (FMH) occurs through the transfer of fetal blood into the maternal intravascular compartment, due to rupture in the placenta-syncytial membrane. FMH may be responsible for the alosensitization of the maternal immune system, leading to morbidity and mortality of current and / or future pregnancies, as well as being the basis of the etiopathogenesis of various conditions, as in perinatal haemolytic disease that exposes to fetal complications such as hydrops, hypoxic brain damage, and fetal death. Detecting and quantifying fetal erythrocytes helps to prevent the consequences due to the occurrence of FMH. Among the diagnostic tests used in the detection and quantification are the most sensitive the quantitative test of Kleihauer and Betke and the one of Flow cytometry, being the first considered gold standard. Considering the importance of the laboratory diagnosis of FMH, the proposal of the construction of immunosensor for the detection of fetal blood samples in the maternal blood was developed. The production of a monoclonal antibody was carried out with the objective of producing antibodies against antigens on human fetal red blood cells and also the construction of sensorial units for the detection of biological signal of immunoaffinity between antibodies that detect fetal red blood cells and the fetal hemoglobin present in these cells, in order to diagnose the occurrence of FMH. The results obtained are the production of monoclonal antibody that detec... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Vários estudos que tentam compreender a gênese da aterosclerose têm demonstrado evidências que a oxLDL é peça importante para o desenvolvimento da doença, tornando-a um importante marcador. Os objetivos deste trabalho foram propor um novo imunossensor empregando anticorpos monoclonais anti-oxLDL e desenvolver um processo inovador de obtenção de anticorpos plásticos anti-oxLDL. Para construção do imunossensor, a região Fc do anticorpo foi ligada ao eletrodo de trabalho do dispositivo AuSPE (Screen-Printed Gold Electrodes), utilizando cisteamina. Posteriormente, foi adicionado BSA como bloqueador de possíveis regiões livres. Após o bloqueio, o imunossensor foi testado com oxLDL e outros antígenos, como forma de garantir a especificidade. Em relação aos anticorpos plásticos, chamados MAPS, estes foram desenvolvidos contruindo uma camada impressa de forma invertida ao anticorpo plástico SPAN, referência deste trabalho. Após obtenção dos MAPSs, estes passaram por diversos testes, similar ao imunossensor. Os resultados demonstraram excelente sensibilidade e especificidade às moléculas de oxLDL com detecção em tempo real em ambas as metodologias. / Increased levels of plasma oxLDL are associated with atherosclerosis, and the subsequent development of severe cardiovascular diseases that are today a major cause of death in modern countries. It is therefore important to find a reliable and fast assay to determine oxLDL. A new Immunosensor employing three monoclonal antibodies against oxLDL and a backside protein-surface imprinting process are proposed in this work. To generate the Immunosensor the mAbs were set-up by cysteamine on a gold layer of a disposable screen-printed electrode. BSA was immobilized further as bloker. All steps were followed by various characterization techniques such as electrochemical impedance spectroscopy and square wave voltammetry. To generate specific synthetic antibody materials, called MAPS, these were developed with a backside protein-surface imprinting process of the plastic antibody SPAN, the reference of the work. The devices were successfully applied to determine the oxLDL fraction in real serum, without prior dilution or necessary chemical treatment. Overall, these were promising results with the possibility to apply on the practical use of clinical.

Vários estudos que tentam compreender a gênese da aterosclerose têm demonstrado evidências que a oxLDL é peça importante para o desenvolvimento da doença, tornando-a um importante marcador. Os objetivos deste trabalho foram propor um novo imunossensor empregando anticorpos monoclonais anti-oxLDL e desenvolver um processo inovador de obtenção de anticorpos plásticos anti-oxLDL. Para construção do imunossensor, a região Fc do anticorpo foi ligada ao eletrodo de trabalho do dispositivo AuSPE (Screen-Printed Gold Electrodes), utilizando cisteamina. Posteriormente, foi adicionado BSA como bloqueador de possíveis regiões livres. Após o bloqueio, o imunossensor foi testado com oxLDL e outros antígenos, como forma de garantir a especificidade. Em relação aos anticorpos plásticos, chamados MAPS, estes foram desenvolvidos contruindo uma camada impressa de forma invertida ao anticorpo plástico SPAN, referência deste trabalho. Após obtenção dos MAPSs, estes passaram por diversos testes, similar ao imunossensor. Os resultados demonstraram excelente sensibilidade e especificidade às moléculas de oxLDL com detecção em tempo real em ambas as metodologias. / Increased levels of plasma oxLDL are associated with atherosclerosis, and the subsequent development of severe cardiovascular diseases that are today a major cause of death in modern countries. It is therefore important to find a reliable and fast assay to determine oxLDL. A new Immunosensor employing three monoclonal antibodies against oxLDL and a backside protein-surface imprinting process are proposed in this work. To generate the Immunosensor the mAbs were set-up by cysteamine on a gold layer of a disposable screen-printed electrode. BSA was immobilized further as bloker. All steps were followed by various characterization techniques such as electrochemical impedance spectroscopy and square wave voltammetry. To generate specific synthetic antibody materials, called MAPS, these were developed with a backside protein-surface imprinting process of the plastic antibody SPAN, the reference of the work. The devices were successfully applied to determine the oxLDL fraction in real serum, without prior dilution or necessary chemical treatment. Overall, these were promising results with the possibility to apply on the practical use of clinical.