Development and applications of paper-based analytical devices with optical and electrochemical detection

Abstract

Recent intense activity has focused on rapid and cost-efficient bioanalysis methods for point-of-care diagnostics with portable analytical devices providing results in real time without the need of laboratory facilities and staff expertise. Prominent among portable bioanalytical platforms are paper-based analytical devices (PADs). PADs exploit cellulose paper as a functional support, are easy to fabricate and are suitable for quantitative analyses by taking advantage of the key features of paper including: flexibility, absorbency, hydrophilicity/capillary action, disposability and biodegradability, low cost and wide commercial availability. These manyfold attractive features make PADs particularly suitable for assays in developing countries and in low-resource settings which lack laboratory facilities, trained personnel and sophisticated detectors. Several of the PAD biosensors utilize the classical paper-based ELISA (p-ELISA) concept which is based on a paper-based immunoreaction in order to tag the target analyte with an enzyme-labeled antibody which then acts on a suitable substrate to produce a detectable product. The main aim of this work was to exploit the advantages of paper as an analytical platform in order to develop new simplified p-ELISA methods for optical and electrochemical detection of tumor biomarkers (carcinoembryonic antigen (CEA), cancer antigen 125 (CA125)) in human serum and a novel lateral flow assay (LFA) for ochratoxin A (OTA) in foodstuffs using gold nanoparticles (AuNPs) as optical labels and quantum dots (QDs) as fluorescent/electrochemical labels. Leveraging and combining different fabrication and detection technologies, simple, easy-to-use, portable, low-cost biosensors were developed for the rapid assay of the target molecules at the point-of-care, at the point-of-need or in resource-limited settings.

Τα τελευταία χρόνια η ερευνητική δραστηριότητα έχει επικεντρωθεί στην ανάπτυξη γρήγορων και οικονομικά αποδοτικών μεθόδων βιοανάλυσης μέσω φορητών αναλυτικών συσκευών. Μεταξύ των φορητών βιοαναλυτικών πλατφορμών, ξεχωρίζουν οι αναλυτικές μικρο-διατάξεις χάρτου (PADs). Οι συσκευές αυτές αξιοποιούν το χαρτί ως λειτουργικό υπόστρωμα, είναι εύκολες στην κατασκευή και είναι κατάλληλες για ποσοτικές αναλύσεις, αξιοποιώντας τα βασικά χαρακτηριστικά του χαρτιού, όπως: ευελιξία, απορροφητικότητα, υδροφιλικότητα/τριχοειδή δράση, χαμηλό κόστος και ευρεία εμπορική διαθεσιμότητα. Αυτά τα ελκυστικά χαρακτηριστικά καθιστούν τις αναλυτικές συσκευές χάρτου κατάλληλες για διαγνωστικούς ελέγχους σε αναπτυσσόμενες χώρες και σε περιβάλλοντα με χαμηλούς πόρους που δεν διαθέτουν εργαστηριακές εγκαταστάσεις, εκπαιδευμένο προσωπικό και εξελιγμένα όργανα. Αρκετοί από τους βιοαισθητήρες χάρτου βασίζονται στην κλασική μέθοδο ELISA σε χαρτί (p-ELISA), η οποία περιλαμβάνει μια ανοσοαντίδραση στην επιφάνεια του χαρτιού, προκειμένου να συζευχθεί ο αναλύτης-στόχος με ένα αντίσωμα επισημασμένο με ένα ένζυμο, το οποίο στη συνέχεια δρα με ένα κατάλληλο υπόστρωμα για να παράγει το σήμα ανίχνευσης. Ο κύριος στόχος αυτής της εργασίας ήταν η αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων του χαρτιού ως αναλυτικό υπόστρωμα, προκειμένου να αναπτυχθούν νέες απλοποιημένες μέθοδοι p-ELISA για την οπτική και ηλεκτροχημική ανίχνευση βιοδεικτών (CEA και CA125) σε ανθρώπινο ορό και μιας νέας μεθόδου ανοσοανάλυσης πλευρικής ροής για ωχρατοξίνη Α (OTA) σε τρόφιμα. Για την οπτική ανίχνευση χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια χρυσού (AuNPs), ενώ ως στοιχεία βιοαναγνώρισης για φθορισμομετρική/ηλεκτροχημική ανίχνευση χρησιμοποιήθηκαν κβαντικές κουκίδες (QDs). Εκμεταλλευόμενοι διάφορες τεχνολογίες κατασκευής και ανίχνευσης, αναπτύξαμε απλούς, εύχρηστους, φορητούς και χαμηλού κόστους βιοαισθητήρες για την ανίχνευση των μορίων-στόχων στο σημείο φροντίδας και σε περιβάλλοντα με χαμηλούς πόρους.