Diseño, desarrollo y caracterización de compósitos basados en nanopartículas inorgánicas, polielectrolitos y enzimas para su aplicación en bioanálisis
Tesis (Doctora en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2024.
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2024
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| description | Tesis (Doctora en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2024. |
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| publishDate | 2024 |
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| spelling | rdu-unc.5531042024-08-06T06:21:50Z Diseño, desarrollo y caracterización de compósitos basados en nanopartículas inorgánicas, polielectrolitos y enzimas para su aplicación en bioanálisis Gulotta, Florencia Alejandra Ferreyra, Nancy Fabiana Zanini, Veronica Irene Paz Rubianes, María Dolores Uberman, Paula Marina Veglia, Alicia Viviana Pierini, Gastón Dario Biosensores Enzimas Nanomedicina Nanocompuestos Glucosa Ácido Láctico Fenoles Electroquímica Fisicoquimica Fisicoquímica orgánica Tesis (Doctora en Ciencias Químicas) - - Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas, 2024. Fil: Gulotta, Florencia Alejandra. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina. La demanda creciente de métodos de análisis simples, sensibles, precisos, específicos, rápidos y portables, aplicables en la determinación de compuestos en muestras de alimentos, ambientales y para diagnóstico médico, entre otros, ha impulsado el desarrollo de nuevos dispositivos de biosensado con prestaciones analíticas adecuadas. En el campo de la medicina, por ejemplo, se han fabricado biosensores para la detección de biomarcadores en fluidos corporales, permitiendo el diagnóstico temprano de enfermedades. En la industria alimentaria, se han utilizado biosensores para monitorear la calidad durante la producción de un alimento, detectar posibles agentes patógenos y/o evaluar la calidad del producto obtenido. Estos dispositivos también han encontrado aplicaciones en el monitoreo ambiental de contaminantes presentes en masas de agua, como por ejemplo compuestos fenólicos derivados del uso de pesticidas, colorantes textiles, iones metálicos, productos farmacéuticos y sus derivados. En este campo los biosensores se emplean tanto para el análisis de muestras como para el seguimiento de los procesos de remediación ambiental. En particular, los biosensores enzimáticos han experimentado un gran avance en las últimas décadas debido a las ventajas proporcionadas por las enzimas, como su elevada selectividad y la posibilidad de inmovilización en soportes adecuados conservando su actividad. En tal sentido, la síntesis de nanomateriales biocompatibles y el desarrollo de nuevas técnicas de inmovilización enzimática, ha permitido la obtención de plataformas biosensoras de alta calidad analítica. Este trabajo involucra el diseño, desarrollo y caracterización de plataformas biosensoras empleando enzimas y nanomateriales para su aplicación en la cuantificación de moléculas de interés biológico (glucosa, ácido láctico), alimentario y ambiental (polifenoles). En el capítulo 1, a modo de introducción, se abordan los conceptos principales relacionados con los biosensores, características y clasificación, con énfasis en los biosensores enzimáticos con transducción electroquímica. Se describen diferentes estrategias de inmovilización enzimática. Se mencionan de forma general los nanomateriales y polímeros más comunes empleados como soportes para la inmovilización de biomoléculas, y en particular se destacan las nanopartículas de oro y las arcillas como montmorillonita sódica, ambos tipos de nanomateriales empleados para el desarrollo de biosensores en este trabajo de tesis. En esta línea, también se describen las propiedades de polímeros derivados de timina y de quitosano obtenidos por la reacción de Maillard. Ambos tipos de polímeros comparten la característica de que su síntesis es considerada de bajo impacto ambiental y son originales en cuanto a su aplicación en biosensores. Los primeros son un subconjunto de polímeros catiónicos y aniónicos, biodegradables y con propiedades interesantes para su aplicación al diseño de plataformas (bio)sensoras. Los derivados de quitosano, poseen carga permanente y por lo tanto son solubles en medios acuosos, favoreciendo la funcionalización de superficies y la inmovilización de enzimas. Los fundamentos y principios de las técnicas electroquímicas, ópticas y de microscopía, empleadas a lo largo de este trabajo, se presentan en el capítulo 2. En el mismo capítulo, se describe el procedimiento aplicado para la síntesis de las nanopartículas de oro, y los estudios realizados tendientes a la optimización de las condiciones de preparación de las mismas. En otro apartado, se discuten aspectos generales referidos a la preparación y acondicionamiento de los electrodos de oro que son empleados para estudios posteriores. La presentación y discusión de los resultados experimentales originales comienza en el capítulo 3, con la construcción y caracterización de multicapas autoensambladas de nanopartículas de oro con polielectrolitos derivados de timina. Se realiza un estudio de las propiedades ópticas y eléctricas de dichas estructuras, evidenciando el efecto del acoplamiento de plasmón superficial de las nanopartículas sobre las señales de dispersión Raman del policatión adsorbido. Mediante espectroscopía de impedancia electroquímica, se analiza el rol de las nanopartículas en la transferencia electrónica a través de la multicapa y se investiga el uso de las plataformas obtenidas en la inmovilización de glucosa oxidasa. Desde el punto de vista de la aplicabilidad de las plataformas construidas, la obtención de estructuras autoensambladas mediante interacción electrostática de nanopartículas de oro y policatión de timina, amplía el campo de aplicación de los biopolímeros como soportes para la inmovilización de nanopartículas metálicas, posibilitando la construcción futura de plataformas de detección basadas en el efecto SERS. El rol de las nanopartículas como intermediarios eficientes en la transferencia electrónica a través de la multicapa propone su uso como plataforma de sensado electroquímico. En el capítulo 4, se desarrollan plataformas biosensoras por inmovilización de las enzimas glucosa oxidasa y lactato oxidasa empleando polímeros de quitosano funcionalizados. Se comparan las respuestas obtenidas con diferentes quitosanos conteniendo glucosa, lactosa o glucosamina. Se optimiza la construcción de un biosensor para glucosa en base a quitosano-glucosa y glucosa oxidasa. El biosensor se aplicó exitosamente en la cuantificación de glucosa en muestras de leche. Los resultados logrados en cuanto a la inmovilización de glucosa y lactato oxidasa, ponen de manifiesto la excelente biocompatibilidad de los polímeros de quitosano funcionalizados, constituyendo una alternativa eco-amigable al uso de polímeros sintéticos. En el capítulo 5 se optimizan las condiciones para la obtención de bionanocompósitos de montmorillonita sódica y quitosano modificado con glucosamina y la inmovilización de peroxidasa de rábano para lograr un biosensor electroquímico para cuantificar polifenoles. Se evalúan las propiedades electroanalíticas del biosensor obtenido y su aplicación en la cuantificación de compuestos fenólicos en muestras de té, comparando los resultados con el método tradicional de Folin-Ciocalteu. La eficiencia de los bionanocompósitos de quitosano funcionalizado con glucosamina y montmorillonita sódica para la inmovilización de peroxidasa de rábano demuestra la versatilidad de los polímeros en cuanto a su habilidad para interactuar con nanomateriales inorgánicos y moléculas biológicas, y potencia la aplicación de las arcillas naturales para la construcción de biosensores enzimáticos. En el capítulo 6, se realiza un análisis global de los resultados obtenidos y se enumeran las conclusiones generales del trabajo. Se espera que los resultados obtenidos proporcionen un mayor conocimiento acerca del diseño y desarrollo de biosensores enzimáticos electroquímicos y amplíen la perspectiva de aplicación de los nanomateriales y biopolímeros. The increasing demand for simple, sensitive, precise, specific, quick and portable analysis methods, in order to determinate compounds in food and environmental matrices and for medical diagnosis, has driven the development of new biosensing devices with adequate analytical properties. For example, in the medicine area, biosensors have been applied for detection of biomarkers in body fluids, enabling early diagnosis of diseases. In the food industry, biosensors are being developed for process control, detection of pathogens and/or quality control of food. Also, these devices have found applications in environmental monitoring of contaminants in water, such as phenolic compounds coming from the use of pesticides, textile dyes, also for metal ions, pharmaceutical products and their derivatives. In this field, biosensors are used both for analysis of samples and for monitoring environmental remediation processes. In particular, enzymatic biosensors have experienced great progress in recent decades due to the high selectivity of the enzymes and the possibility to immobilize them on suitable supports while preserving their catalytic activity. In this sense, the synthesis of biocompatible nanomaterials and the research for new enzyme immobilization techniques has allowed the fabrication of biosensor platforms of high analytical performance. This work focuses on the design, development and characterization of enzymes and nanomaterials based-biosensors for quantification of biological molecules of interest in food (glucose, lactic acid) and environmental (polyphenols) samples. In chapter 1, as an introduction, we explained the main concepts related to biosensors, characteristics and classification, with focus on enzymatic biosensors with electrochemical transduction. In addition, different enzyme immobilization strategies are described and the most frequently nanomaterials and polymers used as supports for the immobilization of biomolecules are resumed. Gold nanoparticles and mineral clays such as sodium montmorillonite are highlighted, because both nanomaterials were used in this work for development of biosensors. Moreover, the properties of polymers containing thymine monomers and water-soluble chitosan polycations obtained by Maillard reaction are described. These polymers are environmentally benign and novel for the design of biosensors. The first are cationic and anionic polymers, biodegradable and with interesting properties for their application to development of (bio)sensor platforms. Chitosan derivatives have a positive charge and are soluble in aqueous media, therefore they can be used for functionalization of surfaces and enzyme immobilization. The principles of the electrochemical, optical and microscopy techniques, used in this work, are described in chapter 2. In this chapter, the synthesis of gold nanoparticles and general aspects related to the preparation and conditioning of gold electrodes used in subsequent studies is also described and discussed. The original results and their discussion begin in chapter 3, which refers to characterization of layer-by-layer self-assembled multilayers of gold nanoparticles and polyelectrolytes containing thymine residues. From optical techniques, we demonstrated the Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) effect of the plasmonic coupling of gold nanoparticles on the Raman spectra of adsorbed polycation. We employed electrochemical impedance spectroscopy to analyze the role of nanoparticles in electronic transfer through the multilayer and we investigated the use of such structures for immobilization of glucose oxidase. The successful construction of self-assembled structures through electrostatic interaction of gold nanoparticles and thymine polycation, amplifies the range of application of biopolymers as supports for the immobilization of metal nanoparticles, and enable the future construction of detection platforms based on the SERS effect. The role of gold nanoparticles as efficient intermediates in electronic transfer through the multilayer promotes their use for construction of electrochemical sensing platforms. In chapter 4, we immobilized the enzymes glucose oxidase and lactate oxidase using chitosan derivatives onto carbon paste electrodes. The catalytic response of each enzyme using chitosan modified with glucose, lactose or glucosamine obtained by Maillard reaction was analyzed. The construction of a biosensor for glucose quantification from chitosan-glucose and glucose oxidase was optimized. The biosensor was successfully applied in the quantification of glucose in milk samples. Also, these chitosan derivatives were used to inmobilize lactate oxidase efficiently. The results reveal the excellent biocompatibility of these polymers, which constitute an eco-friendly alternative to the use of synthetic polymers. In chapter 5, we constructed an amperometric biosensor to quantify polyphenols. For this purpose, we optimized the preparation of bionanocomposites from sodium montmorillonite and chitosan-glucosamine and we analyzed different immobilization strategies using horseradish peroxidase. The electroanalytical properties of the biosensor developed and its application in the quantification of phenolic compounds in tea samples were evaluated, and the results were compared with the traditional Folin-Ciocalteu method. These experiments demonstrated the versatility of chitosan derivatives for interaction with inorganic nanomaterials such as sodium montmorillonite besides biological molecules, and expanded the use of natural clays for the construction of enzymatic biosensors. In chapter 6, a summary of results achieved is carried out and the general conclusions of this work are listed. We expect that this report will provide to the lector knowledge about the design and development of electrochemical enzymatic biosensors and will expand the application horizon of nanomaterials and biopolymers. 2026-07-31 Fil: Gulotta, Florencia Alejandra. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas; Argentina. 2024-08-05T19:01:42Z 2024-08-01 doctoralThesis http://hdl.handle.net/11086/553104 spa Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ |
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