A novel electrochemical platform based on screen printed carbon electrodes (SPCEs) for molecular diagnostics

Abstract

L’objectiu d’aquest treball és desenvolupar dispositius de diagnòstic molecular electroquímics de baix cost basats en microsistemes d’elèctrodes serigrafiats. Aquesta tesi es centra en mètodes per incrementar la reproduibilitat i la fiabilitat d’assajos moleculars emprant aquest tipus d’elèctrodes. Per desenvolupar el concepte es va utilitzar com a model a detectar Karlodinium armíger, una alga tòxica. Es va escollir el mètode d’amplificació isotèrmic: Recombinase Polymerase Amplification (RPA) ja que pot ser incorporat fàcilment en dispositius portàtils d’anàlisis. El principal problema dels elèctrodes serigrafiats rau en les interaccions no específiques que ocorren amb els porus i la superfície irregular dels elèctrodes, cosa que afecta la fiabilitat dels resultats. Per solucionar aquest problema, proposem dos mètodes: al primer mètode, una sal carboxilada de diazoni va ser electrodepositada i posteriorment modificada covalentment amb una sonda d’ADN aminada, formant una capa de reconeixement a la superfície del SPCE. Amb aquesta metodologia es van aconseguir la hibridació i la detecció de les mostres d’ADN amplificades per RPA en estat sòlid i líquid, obtenint límits de detecció de 0,1fM i 0,3fM, respectivament. Tot i així, aquest mètode requereix reaccions químiques en solució i l’activació electroquímica dels elèctrodes durant la fabricació, fet que incrementa la complexitat i el cost de la producció. Una millor alternativa per a la fabricació d’elèctrodes a gran escala és la modificació dels mateixos per deposició. Concretament, nosaltres hem introduït l’ús d’un polímer reticular de poli(L-lisina)

El objetivo de este trabajo es desarrollar dispositivos de diagnóstico molecular electroquímico de bajo coste basados en microsistemas de electrodos serigrafiados. Esta tesis se centra en métodos que incrementen la reproducibilidad y la fiabilidad de ensayos moleculares utilizando este tipo de electrodos. Para desarrollar el concepto se usó como modelo a detectar Karlodinium armiger, un alga tóxica. Se escogió el método isotérmico de amplificación: Recombinase Polymerase Amplification (RPA) ya que puede ser incorporado fácilmente en dispositivos portátiles de análisis. El principal problema de los electrodos serigrafiados reside en las interacciones no específicas que ocurren con los poros y la superficie irregular de los electrodos, cosa que puede afectar a la fiabilidad de los resultados. Para solucionar este problema, proponemos dos métodos: en el primer método una sal carboxilada de diazonio se electrodeposita i posteriormente se modifica covalentemente con una sonda de ADN carboxilada, formando una capa de reconocimiento en la superficie del SPCE. Con esta metodología se consiguió la hibridación i detección de muestras de ADN amplificadas por RPA en estado sólido i líquido, obteniendo límites de detección de 0,1fM i 0,3fM respectivamente. Aun así, este método requiere de reacciones química en solución y la activación electroquímica de los electrodos durante la fabricación, hecho que incrementa la complejidad y el coste de producción. Una mejor alternativa para la fabricación de electrodos a gran escala consiste en la modificación de estos por deposición.

The objective is to develop an electrochemical platform based on screen printed microsystems that enable low cost, point of use molecular diagnostics. This thesis focuses on methods to increase the reliability and reproducibility of screen printed electrode-based molecular assays. As proof of concept Karlodinium armiger, a toxic microalgae used as target. Recombinase Polymerase Amplification (RPA), an isothermal amplification method, was chosen because it can be easily incorporated in portable, point-of-use devices. Non-specific interactions with the porous and irregular surface of the SPCEs affect the reliability of the results. We demonstrate two methods can solve these problems: the first approach electro-grafted carboxylated diazonium was linked covalently to the aminated DNA probes (recognition layer) on the SPCE surface. DNA hybridization and detection were achieved in both solid and liquid phase RPA achieving detection limits (LODs) of 0.1 fM and 0.3 fM respectively. This approach requires wet chemistry and electrochemical activation of the electrodes during manufacturing, complicating production and increasing its cost. Surface modification by drop casting is more appropriate for large scale production. Basically, the surface of SPCEs was modified with poly (L-Lysine) polymer crosslinked with polyethylene glycol diglycidyl ether (PEGDE) that attached the aminated DNA probes. Polyethylene glycol (PEG) used to block the non-specific adsorption of horseradish (HRP) labels that were used for detection