[EN] The contamination of water resources with many industrial, agricultural and other chemicals is one of the key environmental problems that humanity is facing nowadays. Despite the fact that they are usually present at very low concentration, they possess a significant risk to aquatic and human life. To address this issue many national and international institutions set different regulations to monitor and control the water quality. Currently, the monitoring of compounds included in official watch lists is conducted by chromatographic and mass spectroscopic methods. These techniques are approved as "gold standards" for analytical quantitation of organic residues in water. Although they are sensitive and reproducible, cannot be used on-site. The need of sampling and centralized laboratory measurements makes not only the overall cost high but lowering the efficiency of the analysis. Therefore, there is an urgent need to develop suitable field methods to facilitate the in situ measurements at a low cost. Biosensors are therefore an alternative technology that can provide sensitive results in a fast and affordable way. This thesis has focused on the development of a biosensor based on immunoassays and compact disk technology, for the multiplex detection of priority water contaminants. As the methods based on the immunorecognition events are challenging in terms of the selectivity and sensitivity, the major part of the thesis was the selection of the immunoreagents, assay form and procedure. For the detection part, gold nanostructures were selected as sensitive tags for signal enhancement. Therefore, different nanoparticles were studied in order to select the optimal size in terms of the signal enhancement, sensitivity and antibody amount used. Also, the assays performances with signal enhancement and without any amplification were evaluated. The best immunoassay was selected for developing the multiplexed assay. Furthermore, an approach to improve the readout sensitivity of microimmunoassays based on used of gold nanoparticles as both capture and detection species was demonstrated. The method is based on the performance of the immunorecognition event in a homogeneous mode and detection part in the heterogeneous format. Finally, representative water samples were analysed to confirm the applicability of the multi-residue assay. The analytical properties have been established for each methodology and the obtained results have been validated by comparison with reference techniques. The investigations carried out in this work, have resulted in new insights in immunoassay technique that could be useful for screening applications. / [ES] La contaminación de aguas superficiales causada por plaguicidas y productos industriales es actualmente, uno de los grandes problemas medioambientales. Aunque estas sustancias están presentes a niveles muy bajos, tienen efectos perjudiciales en el medio en general y especialmente en humanos. Por este motivo, diferentes instituciones han regulado los niveles de contaminantes en áreas de controlar de la calidad de las aguas, creando listas prioritarias de sustancias peligrosas y tóxicas para el medio ambiente. Actualmente, la monitorización de los contaminantes incluidos en las listas oficiales se realiza mediante técnicas cromatográficas y espectrometría. Estos métodos analíticos están aprobados como técnicas de referencia para la determinación de residuos orgánicos presentes en aguas naturales. A pesar de ser técnicas fiables, reproducibles y sensibles, los métodos cromatográficos no están exentos de inconvenientes. Este tipo de metodologías requiere una instrumentación costosa y una laboriosa preparación de muestra, que hacen que el análisis sea en general complejo. Por ello, el desarrollo de métodos analíticos alternativos que faciliten hacer medidas in-situ a bajo coste y con gran capacidad de trabajo es de gran utilidad. En este sentido, las técnicas inmunoquímicas tienen un gran potencial analítico ya que son en general sensibles y selectivas, se pueden utilizar en el lugar de la toma de muestra y tienen capacidad multianalito. Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de un sistema biosensor, basado en la tecnología de disco compacto, para la detección multianalito de diversos contaminantes prioritarios en aguas naturales. Las limitaciones más críticas para el desarrollo de un biosensor multianalito mediante métodos inmunoquímicos son los relacionados con su sensibilidad y selectividad. Por lo tanto, una parte importante de la tesis se ha centrado en la selección de inmunoreactivos, formato y optimización de diferentes parámetros claves del ensayo. Una estrategia utilizada para aumentar la sensibilidad de los ensayos ha consistido en marcar la inmunoreacción con nanopartículas de oro. Para ello, se ha estudiado diferentes tipos (esféricas y cilíndricas) de distinto tamaño y se han comparado sus prestaciones analíticas (relación señal ruido, sensibilidad etc.) También, se han desarrollado inmunoensayos cuantitativos sin necesidad de amplificación de la señal. Por otro lado, se ha desarrollado una aproximación que hemos denominado "inmunocaptura" basada en el uso de nanopartículas de oro como especie de captura de analitos en disolución y que actúa como marcador de la inmunointeracción que tiene lugar en la fase sólida. Finalmente, se han analizado muestras de agua naturales dopadas con distintos niveles de los analitos objeto de estudio para evaluar la utilidad de las metodologías desarrolladas como herramienta de screening masivo en el área medioambiental. Los resultados obtenidos han sido comparados con los obtenidos mediante las técnicas de referencia. Las investigaciones realizadas han permitido desarrollar nuevos formatos de ensayo y conocimientos inmunoquímicos aplicados a la tecnología de disco compacto, aportando nuevas herramientas de screening que permiten la determinación simultánea de contaminantes en aguas naturales por debajo de las concentraciones establecidas en la normativa europea de calidad de agua. / [CA] La contaminació d'aigües superficials causada principalment per plaguicides i altres productes industrials és un dels grans problemes mediambientals actuals. Malgrat que aquestes substàncies estan presents en nivells molt baixos, tenen efectes perjudicials en humans i animals. Per aquest motiu, diferents institucions estatals han regulat els nivells de contaminants en àrees de control de la qualitat de l'aigua, creant llistes prioritàries de substàncies perilloses i tòxiques per al medi ambient. Actualment, la monitorització dels contaminants inclosos en les llistes oficials es realitza mitjançant tècniques cromatogràfiques i d'espectroscòpia de masses. Aquests mètodes analítics estan aprovats com a tècniques de referència per a la determinació de residus orgànics presents en aigües naturals. Malgrat ser tècniques fiables, reproduïbles i sensibles, els mètodes cromatogràfics no estan exempts d'inconvenients. Aquest tipus de metodologies requereix una instrumentació costosa i una laboriosa preparació de mostres que fan que l'anàlisi sigui, en general, complex. Per això, el desenvolupament de mètodes analítics alternatius que facilitin la possibilitat de fer mesures in-situ a baix cost i amb gran capacitat analítica és de gran utilitat. En aquest sentit, les tècniques inmunoquímiques tenen un gran potencial analític ja que són, en general, sensibles i selectives, es poden utilitzar en el lloc de presa de la mostra i tenen capacitat multianalit. Aquesta tesi s'ha centrat en el desenvolupament d'un sistema biosensor, basat en la tecnologia de disc compacte, per a la detecció multianalit de diversos contaminants prioritaris en aigües naturals. Les limitacions més crítiques per al desenvolupament d'un biosensor multianalit mitjançant mètodes inmunoquímics són sensibilitat i selectivitat. Per tant, una part important de la tesi es va centrar en la selecció de inmunoreactius, format i optimització de diferents paràmetres clau de l'assaig. La detecció es va dur a terme mitjançant l'ús de nanopartícules d'or com a marcadors de la inmunointeracció i amplificació de la senyal analítica. S'han estudiat diferents estructures d'or (esferes i cilindres) de diferents tamanys, i s'han comparat les seves prestacions analítiques (relació senyal-soroll, sensibilitat, etc.). També s'han desenvolupat immunoassaigs quantitatius sense necessitat d'amplificació del senyal. Per altra banda, s'ha desenvolupat una aproximació que hem denominat "inmunocaptura", basada en l'ús de nanopartícules d'or com a espècie de captura d'analits en dissolució i que actua com a marcador de la inmunointeracció que té lloc en la fase sòlida. Finalment, s'han analitzat mostres d'aigües naturals dopades amb diferents nivells dels analits objecte d'estudi per avaluar la utilitat de les metodologies desenvolupades com a eina de "screening" massiu en l'àrea mediambiental. Els resultats obtinguts han sigut avaluats per comparació amb els obtinguts mitjançant tècniques de referència. Les investigacions realitzades han permès desenvolupar nous formats d'assaig i coneixements inmunoquímics aplicats a la tecnologia de disc compacte, aportant noves eines de "screening" que permetin la determinació de contaminants en aigües naturals per sota dels límits de concentració establerts per les normes internacionals de la qualitat de l'aigua. / Dobosz, PD. (2017). Screening methodologies for the determination of water contaminant residues by compact disk technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79548

Tesis por compendio / This thesis explores new analytical advances using compact disk biosensing technologies, and comprises six scientific publications distributed along four chapters. Special attention is herein payed to Thermochromic Etching Disks (TED) technology (Chapter 1), rational design of disk-based biorecognition assays (Chapter 2), and label-free detection systems for point-of-need analysis (Chapters 3 and 4). First, insights into a novel light-mediated signal developing system for biorecognition assays (based on TED disks and drives) are provided together with an overview of the state-of-the art and future trends in photo- and thermochromic biosensing. This signal developing approach exploits photo- and thermochromism for biosensing in an original manner and represents a potential strategy to simplify signaling processes in bioanalytical systems. Then, how to transform TED technology into lab-on-a-disk systems is addressed. TED has proven to be a very versatile tool to perform sensitive analysis of biorecognition assays, using platforms and scanners easily obtained from regular disks and drives, respectively. Biologically relevant assays of different nature (microarray, cell culture, immunofiltration, turbidimetry, etc.) have been arrayed in a single disk and sensitively analyzed by imaging. Regarding rational design, a theoretical-experimental method (INSEL) based on kinetics and mass-transport modelling for optimizing biorecognition assays and exploring their behavior is presented. INSEL has been implemented as an in silico tool that enables to characterize biointeractions with minimal experimentation, to perform optimizations directed towards custom objectives defined by the user, and to easily compute the effect of critical variables without further experiments. In another study included in this thesis, polycarbonate grooved structures obtained from standard recordable disks (CD-R and DVD-R) were coated with silver and tailored to become SERS-active. This strategy represents a cost-effective and industrially scalable alternative to the SERS substrates typically used for bioanalysis. These disk-based materials have presented tunable plasmonic responses, significant Raman enhancement, and have allowed complex biological targets (such as proteins and exosomes) to be analyzed by SERS without using labeled reagents as tracers. In addition to introduce inexpensive and large-scale SERS substrates for biosensing, this study also suggests the development of prospective Raman scanners based on disk drives. Another approach herein presented addresses the implementation of diffraction-based sensing (DBS) in TED technology in order to conceive disk-based label-free biosensors based on standard disks and drives. At first, a comprehensive experimental assessment of the analytical possibilities offered by DBS is presented. Then, the fabrication of arrays of diffractive protein networks on TED disks is investigated, with which sensitive analysis of antibodies in label-free conditions has been demonstrated, using adapted drives as scanners. This investigation provides important insights into cost-effective and industrially scalable functional materials and detection setups that exploit consumer electronics for label-free biosensing. / Esta tesis explora nuevos avances en química analítica usando tecnologías de biosensado basadas en sistemas de disco compacto y comprende seis publicaciones científicas distribuidas a lo largo de cuatro capítulos. Los estudios se han centrado en la tecnología Thermochromic Etching Disks (TED) (Capítulo 1), el diseño racional de ensayos de bioreconocimiento en discos compactos (Capítulo 2), y la detección sin marcaje para realizar análisis in situ (Capítulos 3 y 4). Primero, enmarcado en una discusión del estado del arte y futuras tendencias en biosensado foto y termocrómico, se presenta un nuevo sistema (basado en discos y lectores TED) mediado por luz para el desarrollo de señales en ensayos de bioreconocimiento. Ésta constituye una estrategia novedosa para aprovechar el foto y termocromismo en biosensado, y presenta un gran potencial para simplificar los procesos de desarrollo de señal en sistemas bioanalíticos. A continuación, se aborda cómo transformar la tecnología TED en sistemas analíticos integrados basados en discos compactos. TED ha demostrado ser una herramienta muy versátil para analizar, de forma sensible, ensayos de bioreconocimiento usando plataformas y escáneres fácilmente obtenidos a partir de discos y lectores convencionales, respectivamente. Un único disco ha mostrado poder albergar varios ensayos biológicos importantes y de distinta naturaleza (micromatriz, cultivos celulares, inmunofiltración, turbidimetría, etc.), para ser analizados de forma sensible a través de imágenes En cuanto al diseño racional, se presenta un método teórico-experimental (INSEL), basado en modelos cinéticos y de transporte de masa, para optimizar ensayos de bioreconocimiento y explorar su comportamiento. INSEL se ha implementado como una herramienta in silico que permite caracterizar biointeracciones mediante mínima experimentación, realizar optimizaciones dirigidas a objetivos particulares definidos por el usuario, y computar el efecto de variables críticas de forma sencilla y sin experimentos adicionales. En otro estudio incluido en esta tesis, nanoestructuras en forma de surco obtenidas a partir de discos regrabables convencionales (CD-R y DVD-R) fueron recubiertas con plata y adaptadas para ser activas en SERS. Esta estrategia supone una alternativa, económicamente efectiva e industrialmente escalable, a los sustratos SERS típicamente usados en bioanálisis. Estos materiales han mostrado respuestas plasmónicas sintonizables, una amplificación Raman significativa, y han permitido analizar muestras biológicas complejas (como proteínas y exosomas) mediante SERS sin usar marcadores. Además de introducir sustratos SERS grandes y baratos, este trabajo también sugiere el desarrollo de escáneres Raman basados en lectores de disco. Otra aproximación presentada en esta tesis aborda la implementación de DBS (diffraction-based sensing) en tecnologías TED, con el fin de desarrollar biosensores para detección sin marcaje basados en discos y lectores convencionales. Primero, se presenta una amplia evaluación experimental de las posibilidades analíticas ofrecidas por DBS. A continuación, se investiga la fabricación de multitud de redes difractivas de proteínas sobre discos TED, con las que se ha demostrado la determinación sensible y sin marcaje de anticuerpos, usando lectores adaptados como escáneres analíticos. Esta investigación introduce avances importantes que apuntan al desarrollo de materiales funcionales y sistemas de detección, baratos e industrialmente escalables, que aprovechen las tecnologías de consumo para realizar biosensado sin marcaje. / Aquesta tesi explora nous avanços en la química analítica usant tecnologies de biosensat basades en sistemes de disc compacte, i comprèn sis publicacions científiques distribuïdes en quatre capítols. Els estudis s'han centrat en la tecnologia Thermochromic Etching Disks (TED) (Capítol 1), el disseny racional d'assajos de bioreconeixement en discos compactes (Capítol 2), i la detecció sense marcatge per realitzar anàlisi in situ (Capítols 3 i 4). Primer, dins del marc d'una discussió de l'estat de l'art i tendències futures en biosensat foto i termocròmic, es presenta un nou sistema (basat en discos i lectors TED) per al desenvolupament de senyals mitjançant llum, en assajos de bioreconeixement. Aquesta constitueix una nova estratègia per aprofitar el foto i termocromisme en biosensat, mentre que també presenta una gran potencial per simplificar els processos de desenvolupament de senyal en sistemes bioanalítics. Tot seguit, s'aborda com transformar la tecnologia TED en sistemes analítics integrats basats en discos compactes. TED ha demostrat ser una eina molt versàtil per analitzar, de forma sensible, assajos de bioreconeixement usant plataformes i escàners fàcilment obtinguts a partir de discos i lectors convencionals, respectivament. Un únic disc ha mostrat poder albergar diversos assajos biològicament importants i de distinta naturalesa (micromatrius, cultius cel·lulars, immunofiltració, turbidimetria, etc.), per a ser analitzats de forma sensible a través d'imatges. Pel que fa al disseny racional, es presenta un mètode teòric-experimental (INSEL), basat en models cinètics i de transport de massa, per optimitzar assajos de bioreconeixement i explorar el seu comportament. INSEL s'ha implementat com a una eina in silico que permet caracteritzar biointeraccions amb mínima experimentació, realitzar optimitzacions dirigides cap a objectius particulars definits per l'usuari, i computar l'efecte de variables crítiques de forma senzilla i sense experiments addicionals. En un altre estudi inclòs en aquesta tesi, nanoestructures en forma de solc obtingudes a partir de discos compactes regravables convencionals (CD-R i DVD-R) van ser recobertes amb plata i adaptades per a ser actives en SERS. Aquesta estratègia suposa una alternativa, econòmicament efectiva i industrialment escalable, als substrats SERS típicament usats en bioanàlisi. Aquests materials han mostrat respostes plasmòniques sintonitzables, una amplificació Raman significativa, i han permès analitzar mostres biològiques complexes (com proteïnes i exosomes) mitjançant SERS sense usar marcadors. A més d'introduir substrats SERS grans i barats, aquest treball també suggereix el desenvolupament d'escàners Raman basats en lectors de disc. Una altra aproximació presentada en aquesta tesi aborda la implementació de DBS (diffraction-based sensing) en tecnologies TED, per tal de desenvolupar biosensors basats en discos i lectors convencionals que permeten detecció sense marcatge. Primer, es presenta una amplia avaluació experimental de les possibilitats analítiques que ofereix aquesta tècnica. A continuació, s'investiga la fabricació de multitud de xarxes difractives de proteïnes sobre discos TED, amb les quals s'ha demostrat la determinació sensible i sense marcatge d'anticossos, usant lectors adaptats com a escàners analítics. Aquesta investigació introdueix avanços importants que apunten cap al desenvolupament de materials funcionals i sistemes de detecció, barats i industrialment escalables, que aprofiten les tecnologies de consum per dur a terme bioanàlisi sense marcatge. / Avellà Oliver, JM. (2017). Towards label-free biosensing in compact disk technologies f or point-of-need analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86128 / Compendio

Dans les systèmes optiques modernes, l'importance des composants holographiques ne cesse d'augmenter. Parmi les matériaux holographiques disponibles, la gélatine bichromatée se distingue par la très bonne qualité des hologrammes obtenus. Cette thèse décrit la mise au point de techniques de fabrication et de caractérisation de composants holographiques en gélatine bichromatée. L'interprétation des mesures de caractérisation s'appuie sur une modélisation approfondie de la diffraction par des structures périodiques: une nouvelle méthode de résolution de la théorie d'ondes couplées, plus stable numériquement que les précédentes, est proposée. De plus, la théorie de la diffraction par des réseaux est étendue a des cas importants de restitution en lumière quasi-monochromatique. Les dispositifs expérimentaux développés ont permis l'étude et la réalisation de quatre nouveaux types d'hologrammes: réseaux pour la compression temporelle d'impulsions ultra brèves, hologramme synthétique séparateur et uniformiseur de faisceau laser, lentille holographique pour diode laser infrarouge et hologramme en ligne pour la réplication globale de disques compacts.