Estudio de la funcionalización de grafeno con anticuerpos del SARS-CoV-2 para biosensores fotónicos ultra rápidos de Covid-19

Abstract

[ES] Los biosensores fotónicos permiten detectar cantidades infinitesimales (incluso moléculas aisladas) de una gran variedad de sustancias bioquímicas operando a tiempo real, ya que miden cambios instantáneos en las propiedades ópticas de la materia. Cualquier biosensor fotónico se compone de dos partes: la parte fotónica, que es la que se encarga de transducir un cambio bioquímico en un cambio en la respuesta óptica; y la parte química, mediante la cual nos aseguramos de que solamente el tipo de analito deseado se adhiere al sensor fotónico de forma que producirá el cambio mencionado. La parte fotónica es muy variada, pudiéndose realizar con multitud de estructuras (nano)fotónicas como estructuras integradas de silicio o metamateriales metálicos con resonancia de plasmón de superficie, cuya respuesta varía radicalmente al modificar la superficie del sensor con cualquier tipo de molécula. Es lo que nos confiere una enorme sensibilidad en el proceso de detección. La parte química consta de un proceso de funcionalización de la superficie del sensor, que consiste en añadir una capa molecular a la superficie del sensor (por ejemplo, anticuerpos) para que se capturen solo las moléculas deseadas de nuestro analito objetivo, lo que confiere la especificidad del detector. El objetivo de este trabajo de fin de grado es demostrar que es factible funcionalizar una capa de grafeno con la proteína Spike de los anticuerpos del SARS-CoV-2 usando PBASE - 1- pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester - como molécula que se fija tanto al grafeno como al anticuerpo. Esta demostración significaría la viabilidad de la parte química de un sensor biofotónico basado en grafeno para detección rápida del COVID-19. En un proyecto más avanzado se integraría la capa de grafeno (o silicio u oro, materiales que también consideraremos) en un metamaterial plasmónico (parte fotónica del detector) para realizar la prueba final de este tipo de sensor, que podría ser revolucionario en la detección rápida de COVID-19 (sin tener que recurrir al PCR, mucho más lento).

[EN] Photonic biosensors enable the detection in real time of infinitesimal quantities (even isolated molecules) of a great variety of biochemical substances, since they measure instantaneous changes in the optical properties of matter. Any photonic biosensor is made up of two parts: the photonic part, which is responsible for transducing a biochemical change into a change in the optical response; and the chemical part, by means of which we ensure that only the targeted analyte adheres to the photonic biosensor in a way that will produce the aforementioned change. The photonic part is very varied, being able to carry out with a multitude of (nano) photonic structures such as integrated structures of silicon or metallic metamaterials with surface plasmon resonance, whose response varies radically when modifying the sensor surface with any type of molecule. It is what gives us enormous sensitivity in the detection process. The chemical part consists of a process of functionalization of the sensor surface, which involves adding a molecular layer to the sensor surface (for example, antibodies) so that only the desired molecules of our target analyte are captured, which defines the detector specificity. The objective of this final degree project is to demonstrate that it is feasible to functionalize a graphene layer with SARS-CoV-2 spike antibodies using PBASE - 1-pyrenebutyric acid Nhydroxysuccinimide ester - as a molecule that binds to both graphene and to antibody. This demonstration would mean the viability of the chemical part of a graphene-based photonic biosensor for rapid detection of COVID-19. In a more advanced project, the graphene layer (or silicon or gold, materials that we will also consider) would be integrated into a plasmonic metamaterial (photonic part of the detector) to carry out the final test of this type of sensor, which could be revolutionary in rapid detection of COVID-19 (without having to rely on a PCR, a much slower detection technique).

[CA] Els biosensors fotònics permeten detectar quantitats infinitesimals (fins i tot molècules aïllades) d'una gran varietat de substàncies bioquímiques operant a temps real, ja que mesuren canvis instantanis en les propietats òptiques de la matèria. Qualsevol biosensor fotònic es compon de dues parts: la part fotònica, que és la que s'encarrega de transduïr un canvi bioquímic en un canvi en la resposta òptica; i la part química, mitjançant la qual ens assegurem que solament el tipus d'anàlit desitjat s'adhereix al sensor fotònic de manera que produirà el canvi esmentat. La part fotònica és molt variada, podent-se realitzar amb multitud d'estructures (nano)fotòniques com a estructures integrades de silici o metamaterials metàl·lics amb ressonància de plasmó de superfície, la resposta de la qual varia radicalment en modificar la superfície del sensor amb qualsevol mena de molècula. És el que ens confereix una enorme sensibilitat en el procés de detecció. La part química consta d'un procés de funcionalització de la superfície del sensor, que consisteix a afegir una capa molecular a la superfície del sensor (per exemple, anticossos) perquè es capturen només les molècules desitjades del nostre anàlit objectiu, la qual cosa confereix l'especificitat del detector. L'objectiu d'aquest treball de fi de grau és demostrar que és factible funcionalitzar una capa de grafé amb anticossos Spike del SARS-CoV-2 usant PBASE - 1-pyrenebutyric acid Nhydroxysuccinimide ester - com a molècula que es fixa tant al grafé com a l'anticòs. Aquesta demostració significaria la viabilitat de la part química d'un sensor biofotònic basat en grafé per a detecció ràpida del COVID-19. En un projecte més avançat s'integraria la capa de grafé (o silici o or, materials que també considerarem) en un metamaterial plasmònic (part fotònica del detector) per a realitzar la prova final d'aquesta mena de sensor, que podria ser revolucionari en la detecció ràpida de COVID-19 (sense haver de recórrer al PCR que és molt més lent).