Formation of metal-biomaterials nanocomposites and their application for the development of immunosensors

Abstract

Immunosensors are renowned for their high sensitivity and specificity, making them commonly used in diagnostics. Immunosensors are utilized to identify cancerous conditions, conduct histological studies, and as a tool to help control the spread of viral diseases. However, creating quantitative immunological sensors often involves challenges such as the denaturation of the biological recognition element or label, insufficient signal strength, or the need for expensive equipment to convert the signal into a measurable one. The dissertation focuses on the development of a quantitative electrochemical immunosensor by creating a new method to detect labeled antibodies and replacing traditional labels with denaturation-resistant nanoparticles. The dissertation aims to create a prototype of a quantitative electrochemical immunosensor using a metal-biomaterial composite as the recognition element and scanning impedance microscopy for signal conversion. The introduction presents the problem formulation, the object, and the relevance of the dissertation. It describes the research methodology, scientific novelty, defending statements, and the structure of the dissertation. The first chapter provides an overview of immunosensors. It discusses biosensors and focuses on electrochemical immunosensors, their history, and types. The use of nanomaterials, i.e., gold, platinum, reduced graphene, and conductive polymers, in immunosensors is described. The working principles of scanning electrochemical microscopy and electrochemical impedance spectroscopy, as well as their application in immunological sensors, are analyzed. Surface characterization methods are also briefly discussed. The second chapter reviews the methods and materials used, solution preparation, sample immobilization, and electrode modification protocols. The construction of electrochemical cells and the parameters used are briefly described. This chapter also outlines the mathematical models used to determine reaction kinetics and surface parameters. The third chapter presents the results of experimental studies on the immunological sensor. It details the advantages and disadvantages of scanning electrochemical impedance microscopy, modifications to ultramicroelectrodes to address high resistance encountered, and the evaluation of a prototype quantitative immunosensor based on gold nanoparticle-labeled antibodies and scanning electrochemical impedance microscopy as the signal converter. The dissertation’s results have been published in seven scientific articles in journals indexed in the Clarivate Analytics Web of Science database. The dissertation topic has been presented at eleven international conferences.

Imuniniai jutikliai garsėja dideliu jautrumu ir specifiškumu, todėl dažnai yra naudojami diagnostikoje. Imuninius jutiklius naudojami vėžiniams susirgimams nustatyti, histologiniams tyrimams atlikti ir kaip priemonę, leidžiančią kontroliuoti virusinių ligų plitimą. Tačiau kuriant kiekybinius imuninius jutiklius dažnai susiduriama su biologinio atpažinimo elemento ar žymens denatūravimu, nepakankamu signalo stiprumu norint signalą paversti išmatuojamu. Disertacijoje pagrindinis dėmesys yra skiriamas kiekybinio elektrocheminio imuninio jutiklio kūrimui. Taikant naują metodą aptikti žymėtą antikūną bei tradicinius žymenis pakeičiant atspariais denatūravimui, grįstus nanodalelėmis. Šios disertacijos tikslas yra sukurti kiekybinio elektrocheminio imuninio jutiklio prototipą taikant metalo ir biomedžiagos kompozitą kaip atpažinimo elementą ir skenuojamąsias impedanso mikroskopijas signalui keisti. Įvade pristatoma darbo problematika, tyrimo objektas, disertacijos aktualumas ir svarba, aprašoma tyrimo metodika, mokslinis naujumas, ginamieji teiginiai ir disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje pateikiama imuninių jutiklių apžvalga. Aptariami biologiniai jutikliai ir koncertuojamasi į elektrocheminius imuninius jutiklius, jų istoriją ir tipus. Aprašomas nanomedžiagų: aukso, platinos, redukuoto grafeno ir laidžių polimerų panaudojimas imuniniuose jutikliuose. Analizuojami skenuojamosios elektrocheminės mikroskopijos ir elektrocheminio impedanso spektroskopijos veikimo principai bei jų taikymas imuniniuose jutikliuose. Trumpai aprašomi paviršiaus charakterizavimo metodai. Antrajame skyriuje apžvelgiami taikyti metodai ir naudotos medžiagos, tirpalų paruošimo bei mėginio imobilizavimo ir elektrodo modifikavimo protokolai. Pateikiama elektrocheminių celių konstrukcija ir trumpai aprašomi naudoti parametrai. Šiame skyriuje taip pat aprašomi matematiniai modeliai, taikyti reakcijų kinetikai ir paviršiaus parametrams nustatyti. Trečiajame skyriuje pateikiami imuninio jutiklio eksperimentinių tyrimų, kurių metu buvo nustatyta skenuojamosios elektrocheminės impedanso mikroskopijos privalumai ir trūkumai, rezultatai, modifikuoti ultramikroelektrodai, kuriais siekiama išspręsti registruojamą didelės varžos problemą. Taip pat įvertintas prototipinis kiekybinis imuninis jutiklis, paremtas aukso nanodalele žymėtais antikūnais ir skenuojamąja elektrocheminio impedanso mikroskopija kaip signalo keitikliu. Disertacijos rezultatai pristatyti septyniuose moksliniuose straipsniuose, publikuotuose Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazėje esančiuose žurnaluose. Disertacijos tema perskaityta 11 pranešimų tarptautinėse konferencijose.