La convergència de la nanotecnologia i la biotecnologia porta al desenvolupament de nous
coneixements científics i tècnics que permeten millorar el benestar humà. Dins d'aquest nou
camp de la nanobiotecnologia, el camp dels (bio)sensors és el més desenvolupat i el que té el
major potencial per a aplicacions a curt termini. En aquest context, els (bio)sensors basats en
principis electroquímics destaquen pels seus avantatges com la simplicitat, robustesa, baix cost,
capacitat de miniaturització i d’integració de dispositius. Aquests sensors són cada vegada més
atractius ja que permeten un diagnòstic ràpid i simple en camps com la biotecnologia, la
investigació clínica i ambiental.
Històricament, el carboni ha estat un material d'elèctrode molt utilitzat i pràctic per les seves
propietats desitjables per a aplicacions electroquímiques. Disponible en una gran varietat
d'estructures, els elèctrodes de carboni ofereixen, en general, una bona conductivitat elèctrica,
alta estabilitat tèrmica i mecànica, una àmplia finestra operable de potencial amb cinètica
d'oxidació lenta i, en molts casos, activitat electrocatalítica. A més d'això, se'ls reconeix com a
materials de manipulació ràpida i fàcil. Cal també elogiar la seva química de superfície rica que
ha estat explotada per a influir en la reactivitat superficial. Així doncs, les diferents estructures
de carboni han tingut durant molt temps un paper important en el desenvolupament d'elèctrodes
sòlids. Més recentment, amb l'aparició dels nanotubs de carboni (CNTs) s'han intensificat
algunes d'aquestes propietats i s’ha impulsat d'una manera sense precedent les aplicacions
electroquímiques i electroanalítiques. La mida nanomètrica i la alta relació d'aspecte dels
nanotubs de carboni són els trets més distintius que han contribuït a les innovadores aplicacions
electroquímiques i el que permet establir les diferències pel que fa als materials de carboni.
En conseqüència, l'objectiu principal d'aquest treball ha estat explotar les propietats dels
nanotubs de carboni per al disseny de nanodispositius. Les destacades propietats
electroquímiques han impulsat el disseny de diverses configuracions d'elèctrodes. Això,
combinat amb les seves propietats químiques i versatilitat de (bio)funcionalització, ha fet que
aquests materials siguin molt adequats per al desenvolupament de biosensors electroquímics.
La primera part de l'estudi s'ha centrat en l'ús de nanotubs de carboni com a transductors
electroquímics i la relació entre la seva estructura i reactivitat electroquímica. Es va trobar que
les vores dels nanotubs de carboni juguen un paper important en la resposta electroquímica; fet
que es va utilitzar per al disseny i desenvolupament de noves plataformes d'elèctrodes basats en
els nanotubs.
A la segona part de l'estudi, hem aprofitat la capacitat dels nanotubs de carboni per a ser
adaptats en diferents disposicions geomètriques, la seva biocompatibilitat, robustesa química i la
seva possibilitat de funcionalització química covalent i no covalent, per al desenvolupament de
(bio)sensors. En concret, s’ha avaluat el comportament del (bio)sensor d’elèctrodes de diferents
configuracions de carboni funcionalitzats amb proteïnes redox (catalasa i mioglobina). Aquestes
proteïnes presenten una alta sensibilitat a l'oxigen i peròxid d'hidrogen i són capaces de
catalitzar la reducció d'aquestes espècies, convertint-se com a prometedors sensors d'oxigen i
peròxid. Seguint el mateix enfocament, s'han utilitzat matrius de microelectrodes basades en
CNTs covalentment funcionalitzats amb sondes d'ADN específiques o amb aptàmers. La
detecció d'hibridació o de la interacció específica entre els aptàmers i les proteïnes han estat
controlats amb diferents tècniques electroquímiques (voltametria cíclica, cronocoulometia o
impedància) en presència de marcadors d'oxidació-reducció.
La tercera i última part de l'estudi se centra en explotar el caràcter semiconductor dels nanotubs
de carboni amb l'ús de la configuració en transistor d'efecte de camp (Field Effect Transistor
FET). El dispositiu CNT-FET ha estat optimitzat per funcionar en medi líquid mitjançant la
realització de protocols de passivació. Això, juntament amb l'ús de connectors pirè bifuncionals
per a la immobilització dels aptàmers, ha permès la detecció sensible electrònica de les
interaccions proteïna/aptamer. A més, també hem estat capaços de seguir l’absorció de proteïnes
i canvis conformacionals de les parets dels CNTs.
Els resultats d'aquest treball mostren que aquests dispositius electroquímics i electrònics basats
en nanotubs de carboni poden arribar a ser molt prometedors per a la detecció de biomolècules i
per al seguiment de processos biològics. / The convergence of nano and biotechnology is enabling scientific and technical knowledge for
improving human well being. Within this new field of nanobiotechnology, the area of
(bio)sensors is the most developed and the one which has the highest potential for short-term
applications. In this context, (bio) sensors based on electrochemical principles stand out due to
their marked advantages in terms of simplicity, robustness, low cost, miniaturization capability
and integration to devices. These sensors are becoming very attractive for rapid and simple
diagnostic, in fields such as biotechnology, clinical and environmental research.
Historically, carbon has been a widely used and practical electrode material due to its desirable
properties for electrochemical applications. Available in a variety of structures, carbon
electrodes provide, in general, good electrical conductivity, high thermal and mechanical
stability, a wide operable potential window with slow oxidation kinetics and, in many cases,
electrocatalytical activity. On top of that, they are recognized as versatile and easy handling
materials, and also praised by their rich surface chemistry which has been exploited to influence
surface reactivity. Thus, different forms of carbon have played for a long time an important role
in solid electrode development. More recently, the appearance of carbon nanotubes (CNTs) has
intensified some of these properties and propelled in an unprecedented way their
electrochemical and electroanalytical applications. The nanometre size and high aspect ratio of
the carbon nanotubes are the distinct features which have contributed more to innovative
electrochemical applications and to establish the differences with respect to other carbon
materials.
Accordingly, the principal aim of this work has been to exploit the properties of carbon
nanotubes to design novel nanodevices. The prominent electrochemical properties of carbon
nanotubes have impelled the design of diverse electrode configurations. That, combined with
their chemical properties and (bio)functionalization versatility have made these materials very
appropriate for the development of electrochemical biosensors.
The first part of the study has been focused on the use of carbon nanotubes as electrochemical
transducers and the relation between their structure and their electrochemical reactivity. It was
found that the edges of carbon nanotubes play an important role in the electrochemical response,
which was then used for the design and development of new carbon nanotubes-based electrode
platforms.
In the second part of the study, we have taken advantage of the capability of CNTs for being
tailored in different geometrical arrangements, from their biocompatibility, their chemical
robustness and their interesting covalent/non-covalent chemical functionalization possibilities,
to develop biosensor platforms. Specifically, the (bio)sensor behaviour of different carbon
configurations functionalized with redox proteins (catalase and myoglobin) has been evaluated.
Such proteins exhibit high sensitivity to oxygen and peroxide and are capable to catalyze the
reduction of such species, which hold promise as oxygen and peroxide sensors. Then, following
the same approach, we have used CNT microelectrode arrays covalently functionalized with
specific DNA probes or with aptamers. The detection of hybridization events or the specific
interaction between aptamers and proteins were sensitively monitored by different
electrochemical techniques (cyclic voltammetry, chronocoulometry or impedance spectroscopy)
in presence of redox markers.
The third and last part of the study is focused on exploiting the semiconductor character of
carbon nanotubes for sensor technology by using a field effect transistor configuration (FET).
The CNT-FET device has been optimized for operating in liquid environment by performing
passivation protocols. This, together with the use of bifunctional pyrene linkers for the
immobilization of the aptamers, has allowed sensitive electronic detection of protein/aptamer
interaction. Additionally, we were also able to follow up protein adsorption and protein
conformational changes on the CNT walls under liquid gating.
The results of this thesis work show that these electrochemical and electronic CNT devices can
become highly promising for biomolecule sensing and for the monitoring of biological
processes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/84001 |
| Date | 16 December 2011 |
| Creators | Pacios Pujadó, Mercè |
| Contributors | Esplandiu Egido, Maria José, Valle Zafra, Manuel del, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 416 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
Page generated in 0.0032 seconds