La domanda sempre crescente, sia essa a carattere scientifico o sociale, per una determinazione quantitativa o qualitativa di specie chimiche sia naturali sia sintetiche, della loro diffusione e dei loro effetti sull'ambiente e sugli organismi viventi, evidenzia il bisogno di nuove strategie e nuovi metodi di analisi. Questo ha stimolato lo sviluppo di sensori chimici, e più recentemente di biosensori, come ad esempio biosensori per la determinazione del glucosio nel sangue. In generale un sensore chimico è un dispositivo integrato capace di fornire un'informazione quantitativa o semiquantitativa sulla presenza di un determinato composto chimico in un certo ambiente. Una delle proprietà fondamentali di un sensore è la selettività, cioè la capacità di riconoscere e quindi rispondere ad una specifica sostanza. I processi di riconoscimento biochimico sono caratterizzati da alta selettività tra biomolecole, il che ha determinato un forte interesse nello studio e sviluppo di biosensori. Lo studio delle interazioni tra i glicani e le proteine della superficie cellulare sta alla base di molti processi biologici, come le infezioni batteriche e virali, il riconoscimento e l'adesione cellulare, la risposta immunitaria e le metastasi cancerogene. La comprensione di questo tipo di interazioni è d'importanza cruciale non solo per chiarirne i meccanismi molecolari, ma anche di grande valore pratico per la progettazione e lo sviluppo di strumenti terapeutici e diagnostici. Nello specifico, questo tipo di conoscenza può essere utile non solo per sviluppare vaccini e farmaci, ma anche biosensori per applicazioni cliniche.[1] Le lectine sono un'ampia famiglia di proteine di origine animale e vegetale, che si legano in maniera specifica ai carboidrati. Fra queste la Concanavalina A (Con A) e la Jacalina, presentano rispettivamente un'interazione specifica per il mannosio ed il galattosio.[2] Fra i vari metodi per la determinazione analitica di biomolecole che sono stati sviluppati negli ultimi anni, le tecniche di determinazione elettrochimica presentano i vantaggi della rapidità, semplicità e basso costo oltre alla possibilità della miniaturizzazione. Fra le varie tecniche elettrochimiche, la voltammetria ciclica (CV) si è dimostrata molto efficace per la caratterizzazione di superfici elettrodiche modificate con biomolecole e per l'analisi delle alterazioni delle proprietà interfacciali generate da eventi di riconoscimento biomolecolare[3].Strutture nanometriche costituite da nanoparticelle (NPs) organizzate su superfici elettrodiche sono state oggetto di crescente interesse scientifico, finalizzato allo sviluppo della bioelettrochimica. Fra le varie configurazioni di un sensore elettrochimico, quella basata sull'immobilizzazione delle NPs e successiva loro funzionalizzazione con molecole biospecifiche mediante tecnica di Self-Assembled-Monolayer (SAM) si è rivelata di particolare interesse, in quanto fornisce un metodo semplice ed efficace per formare film robusti di NPs, in modo controllato e definito a livello nanometrico.[4] Il loro principio di funzionamento generale si basa sull'utilizzo di molecole polifunzionali, in cui una o più estremità sono ancorate alle nanoparticelle e le altre alla superficie dell'elettrodo. I vantaggi di queste interfacce nanostrutturate riguardano una maggiore connettività elettrica ed una maggiore accessibilità dell'analita favorita dalla rete di nanoparticelle, responsabile anche di una maggiore superficie di analisi. In particolare, la modifica di superfici elettrodiche con nanoparticelle, per esempio di Au o CdSe, di adeguata dimensione ha determinato un aumento dei limiti di determinazione e sensibilità del metodo.[2]In base a quanto sopra descritto, nel presente lavoro di tesi si riporta la realizzazione, caratterizzazione e testing di un biosensore elettrochimico costituito da quantum dots di CdSe e da zuccheri aventi funzionalità tiolo, auto-assemblati su superfici elettrodiche trasparenti ITO, come riportato nel seguente schema. Il lavoro consiste di tre parti:. Sintesi: è stata eseguita una sintesi multi-step di mannosio e galattosio funzionalizzati con gruppo tiolo e con spacer a base di trietilenglicole (PEG3), e di un'analoga molecola con un gruppo metilico al posto dell'unità glicosidica. La scelta del mannosio e del galattosio quali funzionalità glicosidiche è motivata dalla loro nota interazione specifica rispettivamente, con le lectine Concanavalina A (Con A) e Jacalina. Il sistema Me-PEG3-SH ha interazione aspecifica con entrambe le lectine e può essere utilizzato come spacer nella realizzazione del sensore.. Realizzazione/caratterizzazione del sensore: si è realizzato un sensore ottenuto mediante tecnica self-assembling, tramite l'assorbimento delle molecole sintetizzate, su superfici elettrodiche trasparenti modificate con un monolayer di nanoparticelle di CdSe. La crescita dei layers è stata seguita mediante spettroscopia UV-visibile. La caratterizzazione del sensore è stata svolta mediante spettroscopia UV-visibile, FT-IR e voltammetria ciclica in soluzione fisiologica (tampone a pH 7 + NaCl 0.1 M).. Sensing: si sono effettuate prove di stabilità del sensore glicosilato e non, nell'ambiente di analisi delle lectine, nel caso specifico del presente lavoro di tesi, la Jacalina. Analisi UV-visibile ed in seguito FT-IR, hanno mostrato una parziale instabilità del sensore glicosilato in ambiente acquoso e fisiologico. Tale instabilità viene ulteriormente accentuata in soluzione fisiologica con l'aggiunta di ioni Ca2+ e Mn2+, utilizzati per favorire una conformazione attiva della Con A ai fini di un'interazione con il mannosio.[1] Manuel C., Martos M., Eur. J. Org. Chem. 2013, 2793-2801.[2] a) Oscar A., Pedro J., Lamas A., Anal. Chem. 2011, 83, 2987-2995, b) Emily A., William D., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6140-6148.[3] Kwang-Soo A., Byung K.,Won-Yong L., Electrochemistry Communications, 58, 2015, 69-72.[4] G.Zotti, B.Vercelli, A.Berlin, P.T.K.Chin, U.Giovanella, Chem. Mater. 2009, 21, 2258-2271.
Elettrodi modificati con nanoparticelle di CdSe glicosilate per lo sviluppo di nuovi biosensori / Mattia MaiRelatore Prof La Ferla BarbaraCorrelatore Dr Vercelli Barbara,. - ELETTRONICO. - (2016 Oct 27).
Elettrodi modificati con nanoparticelle di CdSe glicosilate per lo sviluppo di nuovi biosensori
2016
Abstract
La domanda sempre crescente, sia essa a carattere scientifico o sociale, per una determinazione quantitativa o qualitativa di specie chimiche sia naturali sia sintetiche, della loro diffusione e dei loro effetti sull'ambiente e sugli organismi viventi, evidenzia il bisogno di nuove strategie e nuovi metodi di analisi. Questo ha stimolato lo sviluppo di sensori chimici, e più recentemente di biosensori, come ad esempio biosensori per la determinazione del glucosio nel sangue. In generale un sensore chimico è un dispositivo integrato capace di fornire un'informazione quantitativa o semiquantitativa sulla presenza di un determinato composto chimico in un certo ambiente. Una delle proprietà fondamentali di un sensore è la selettività, cioè la capacità di riconoscere e quindi rispondere ad una specifica sostanza. I processi di riconoscimento biochimico sono caratterizzati da alta selettività tra biomolecole, il che ha determinato un forte interesse nello studio e sviluppo di biosensori. Lo studio delle interazioni tra i glicani e le proteine della superficie cellulare sta alla base di molti processi biologici, come le infezioni batteriche e virali, il riconoscimento e l'adesione cellulare, la risposta immunitaria e le metastasi cancerogene. La comprensione di questo tipo di interazioni è d'importanza cruciale non solo per chiarirne i meccanismi molecolari, ma anche di grande valore pratico per la progettazione e lo sviluppo di strumenti terapeutici e diagnostici. Nello specifico, questo tipo di conoscenza può essere utile non solo per sviluppare vaccini e farmaci, ma anche biosensori per applicazioni cliniche.[1] Le lectine sono un'ampia famiglia di proteine di origine animale e vegetale, che si legano in maniera specifica ai carboidrati. Fra queste la Concanavalina A (Con A) e la Jacalina, presentano rispettivamente un'interazione specifica per il mannosio ed il galattosio.[2] Fra i vari metodi per la determinazione analitica di biomolecole che sono stati sviluppati negli ultimi anni, le tecniche di determinazione elettrochimica presentano i vantaggi della rapidità, semplicità e basso costo oltre alla possibilità della miniaturizzazione. Fra le varie tecniche elettrochimiche, la voltammetria ciclica (CV) si è dimostrata molto efficace per la caratterizzazione di superfici elettrodiche modificate con biomolecole e per l'analisi delle alterazioni delle proprietà interfacciali generate da eventi di riconoscimento biomolecolare[3].Strutture nanometriche costituite da nanoparticelle (NPs) organizzate su superfici elettrodiche sono state oggetto di crescente interesse scientifico, finalizzato allo sviluppo della bioelettrochimica. Fra le varie configurazioni di un sensore elettrochimico, quella basata sull'immobilizzazione delle NPs e successiva loro funzionalizzazione con molecole biospecifiche mediante tecnica di Self-Assembled-Monolayer (SAM) si è rivelata di particolare interesse, in quanto fornisce un metodo semplice ed efficace per formare film robusti di NPs, in modo controllato e definito a livello nanometrico.[4] Il loro principio di funzionamento generale si basa sull'utilizzo di molecole polifunzionali, in cui una o più estremità sono ancorate alle nanoparticelle e le altre alla superficie dell'elettrodo. I vantaggi di queste interfacce nanostrutturate riguardano una maggiore connettività elettrica ed una maggiore accessibilità dell'analita favorita dalla rete di nanoparticelle, responsabile anche di una maggiore superficie di analisi. In particolare, la modifica di superfici elettrodiche con nanoparticelle, per esempio di Au o CdSe, di adeguata dimensione ha determinato un aumento dei limiti di determinazione e sensibilità del metodo.[2]In base a quanto sopra descritto, nel presente lavoro di tesi si riporta la realizzazione, caratterizzazione e testing di un biosensore elettrochimico costituito da quantum dots di CdSe e da zuccheri aventi funzionalità tiolo, auto-assemblati su superfici elettrodiche trasparenti ITO, come riportato nel seguente schema. Il lavoro consiste di tre parti:. Sintesi: è stata eseguita una sintesi multi-step di mannosio e galattosio funzionalizzati con gruppo tiolo e con spacer a base di trietilenglicole (PEG3), e di un'analoga molecola con un gruppo metilico al posto dell'unità glicosidica. La scelta del mannosio e del galattosio quali funzionalità glicosidiche è motivata dalla loro nota interazione specifica rispettivamente, con le lectine Concanavalina A (Con A) e Jacalina. Il sistema Me-PEG3-SH ha interazione aspecifica con entrambe le lectine e può essere utilizzato come spacer nella realizzazione del sensore.. Realizzazione/caratterizzazione del sensore: si è realizzato un sensore ottenuto mediante tecnica self-assembling, tramite l'assorbimento delle molecole sintetizzate, su superfici elettrodiche trasparenti modificate con un monolayer di nanoparticelle di CdSe. La crescita dei layers è stata seguita mediante spettroscopia UV-visibile. La caratterizzazione del sensore è stata svolta mediante spettroscopia UV-visibile, FT-IR e voltammetria ciclica in soluzione fisiologica (tampone a pH 7 + NaCl 0.1 M).. Sensing: si sono effettuate prove di stabilità del sensore glicosilato e non, nell'ambiente di analisi delle lectine, nel caso specifico del presente lavoro di tesi, la Jacalina. Analisi UV-visibile ed in seguito FT-IR, hanno mostrato una parziale instabilità del sensore glicosilato in ambiente acquoso e fisiologico. Tale instabilità viene ulteriormente accentuata in soluzione fisiologica con l'aggiunta di ioni Ca2+ e Mn2+, utilizzati per favorire una conformazione attiva della Con A ai fini di un'interazione con il mannosio.[1] Manuel C., Martos M., Eur. J. Org. Chem. 2013, 2793-2801.[2] a) Oscar A., Pedro J., Lamas A., Anal. Chem. 2011, 83, 2987-2995, b) Emily A., William D., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6140-6148.[3] Kwang-Soo A., Byung K.,Won-Yong L., Electrochemistry Communications, 58, 2015, 69-72.[4] G.Zotti, B.Vercelli, A.Berlin, P.T.K.Chin, U.Giovanella, Chem. Mater. 2009, 21, 2258-2271.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
