Screening methodologies for the determination of water contaminant residues by compact disk technology

Abstract

[EN] The contamination of water resources with many industrial, agricultural and other chemicals is one of the key environmental problems that humanity is facing nowadays. Despite the fact that they are usually present at very low concentration, they possess a significant risk to aquatic and human life. To address this issue many national and international institutions set different regulations to monitor and control the water quality. Currently, the monitoring of compounds included in official watch lists is conducted by chromatographic and mass spectroscopic methods. These techniques are approved as "gold standards" for analytical quantitation of organic residues in water. Although they are sensitive and reproducible, cannot be used on-site. The need of sampling and centralized laboratory measurements makes not only the overall cost high but lowering the efficiency of the analysis. Therefore, there is an urgent need to develop suitable field methods to facilitate the in situ measurements at a low cost. Biosensors are therefore an alternative technology that can provide sensitive results in a fast and affordable way. This thesis has focused on the development of a biosensor based on immunoassays and compact disk technology, for the multiplex detection of priority water contaminants. As the methods based on the immunorecognition events are challenging in terms of the selectivity and sensitivity, the major part of the thesis was the selection of the immunoreagents, assay form and procedure. For the detection part, gold nanostructures were selected as sensitive tags for signal enhancement. Therefore, different nanoparticles were studied in order to select the optimal size in terms of the signal enhancement, sensitivity and antibody amount used. Also, the assays performances with signal enhancement and without any amplification were evaluated. The best immunoassay was selected for developing the multiplexed assay. Furthermore, an approach to improve the readout sensitivity of microimmunoassays based on used of gold nanoparticles as both capture and detection species was demonstrated. The method is based on the performance of the immunorecognition event in a homogeneous mode and detection part in the heterogeneous format. Finally, representative water samples were analysed to confirm the applicability of the multi-residue assay. The analytical properties have been established for each methodology and the obtained results have been validated by comparison with reference techniques. The investigations carried out in this work, have resulted in new insights in immunoassay technique that could be useful for screening applications.

[ES] La contaminación de aguas superficiales causada por plaguicidas y productos industriales es actualmente, uno de los grandes problemas medioambientales. Aunque estas sustancias están presentes a niveles muy bajos, tienen efectos perjudiciales en el medio en general y especialmente en humanos. Por este motivo, diferentes instituciones han regulado los niveles de contaminantes en áreas de controlar de la calidad de las aguas, creando listas prioritarias de sustancias peligrosas y tóxicas para el medio ambiente. Actualmente, la monitorización de los contaminantes incluidos en las listas oficiales se realiza mediante técnicas cromatográficas y espectrometría. Estos métodos analíticos están aprobados como técnicas de referencia para la determinación de residuos orgánicos presentes en aguas naturales. A pesar de ser técnicas fiables, reproducibles y sensibles, los métodos cromatográficos no están exentos de inconvenientes. Este tipo de metodologías requiere una instrumentación costosa y una laboriosa preparación de muestra, que hacen que el análisis sea en general complejo. Por ello, el desarrollo de métodos analíticos alternativos que faciliten hacer medidas in-situ a bajo coste y con gran capacidad de trabajo es de gran utilidad. En este sentido, las técnicas inmunoquímicas tienen un gran potencial analítico ya que son en general sensibles y selectivas, se pueden utilizar en el lugar de la toma de muestra y tienen capacidad multianalito. Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de un sistema biosensor, basado en la tecnología de disco compacto, para la detección multianalito de diversos contaminantes prioritarios en aguas naturales. Las limitaciones más críticas para el desarrollo de un biosensor multianalito mediante métodos inmunoquímicos son los relacionados con su sensibilidad y selectividad. Por lo tanto, una parte importante de la tesis se ha centrado en la selección de inmunoreactivos, formato y optimización de diferentes parámetros claves del ensayo. Una estrategia utilizada para aumentar la sensibilidad de los ensayos ha consistido en marcar la inmunoreacción con nanopartículas de oro. Para ello, se ha estudiado diferentes tipos (esféricas y cilíndricas) de distinto tamaño y se han comparado sus prestaciones analíticas (relación señal ruido, sensibilidad etc.) También, se han desarrollado inmunoensayos cuantitativos sin necesidad de amplificación de la señal. Por otro lado, se ha desarrollado una aproximación que hemos denominado "inmunocaptura" basada en el uso de nanopartículas de oro como especie de captura de analitos en disolución y que actúa como marcador de la inmunointeracción que tiene lugar en la fase sólida. Finalmente, se han analizado muestras de agua naturales dopadas con distintos niveles de los analitos objeto de estudio para evaluar la utilidad de las metodologías desarrolladas como herramienta de screening masivo en el área medioambiental. Los resultados obtenidos han sido comparados con los obtenidos mediante las técnicas de referencia. Las investigaciones realizadas han permitido desarrollar nuevos formatos de ensayo y conocimientos inmunoquímicos aplicados a la tecnología de disco compacto, aportando nuevas herramientas de screening que permiten la determinación simultánea de contaminantes en aguas naturales por debajo de las concentraciones establecidas en la normativa europea de calidad de agua.

[CA] La contaminació d'aigües superficials causada principalment per plaguicides i altres productes industrials és un dels grans problemes mediambientals actuals. Malgrat que aquestes substàncies estan presents en nivells molt baixos, tenen efectes perjudicials en humans i animals. Per aquest motiu, diferents institucions estatals han regulat els nivells de contaminants en àrees de control de la qualitat de l'aigua, creant llistes prioritàries de substàncies perilloses i tòxiques per al medi ambient. Actualment, la monitorització dels contaminants inclosos en les llistes oficials es realitza mitjançant tècniques cromatogràfiques i d'espectroscòpia de masses. Aquests mètodes analítics estan aprovats com a tècniques de referència per a la determinació de residus orgànics presents en aigües naturals. Malgrat ser tècniques fiables, reproduïbles i sensibles, els mètodes cromatogràfics no estan exempts d'inconvenients. Aquest tipus de metodologies requereix una instrumentació costosa i una laboriosa preparació de mostres que fan que l'anàlisi sigui, en general, complex. Per això, el desenvolupament de mètodes analítics alternatius que facilitin la possibilitat de fer mesures in-situ a baix cost i amb gran capacitat analítica és de gran utilitat. En aquest sentit, les tècniques inmunoquímiques tenen un gran potencial analític ja que són, en general, sensibles i selectives, es poden utilitzar en el lloc de presa de la mostra i tenen capacitat multianalit. Aquesta tesi s'ha centrat en el desenvolupament d'un sistema biosensor, basat en la tecnologia de disc compacte, per a la detecció multianalit de diversos contaminants prioritaris en aigües naturals. Les limitacions més crítiques per al desenvolupament d'un biosensor multianalit mitjançant mètodes inmunoquímics són sensibilitat i selectivitat. Per tant, una part important de la tesi es va centrar en la selecció de inmunoreactius, format i optimització de diferents paràmetres clau de l'assaig. La detecció es va dur a terme mitjançant l'ús de nanopartícules d'or com a marcadors de la inmunointeracció i amplificació de la senyal analítica. S'han estudiat diferents estructures d'or (esferes i cilindres) de diferents tamanys, i s'han comparat les seves prestacions analítiques (relació senyal-soroll, sensibilitat, etc.). També s'han desenvolupat immunoassaigs quantitatius sense necessitat d'amplificació del senyal. Per altra banda, s'ha desenvolupat una aproximació que hem denominat "inmunocaptura", basada en l'ús de nanopartícules d'or com a espècie de captura d'analits en dissolució i que actua com a marcador de la inmunointeracció que té lloc en la fase sòlida. Finalment, s'han analitzat mostres d'aigües naturals dopades amb diferents nivells dels analits objecte d'estudi per avaluar la utilitat de les metodologies desenvolupades com a eina de "screening" massiu en l'àrea mediambiental. Els resultats obtinguts han sigut avaluats per comparació amb els obtinguts mitjançant tècniques de referència. Les investigacions realitzades han permès desenvolupar nous formats d'assaig i coneixements inmunoquímics aplicats a la tecnologia de disc compacte, aportant noves eines de "screening" que permetin la determinació de contaminants en aigües naturals per sota dels límits de concentració establerts per les normes internacionals de la qualitat de l'aigua.