Low-Cost, User-Friendly, All-Integrated Smartphone-Based Microplate Reader for Optical-Based Biological and Chemical Analyses

The quantitative detection of different molecular targets is of utmost importance for a variety of human activities, ranging from healthcare to environmental studies. Bioanalytical methods have been developed to solve this and to achieve the quantification of multiple targets from small volume samples. Generally, they can be divided into two different classes: point of care (PoC) and laboratory-based approaches. The former is rapid, low-cost, and user-friendly; however, the majority of the tests are semiquantitative, lacking in specificity and sensitivity. On the contrary, laboratory-based approaches provide high sensitivity and specificity, but the bulkiness of experimental instruments and complicated protocols hamper their use in resource-limited settings. In response, here we propose a smartphone-based device able to support laboratory-based optical techniques directly at the point of care. Specifically, we designed and fabricated a portable microplate reader that supports colorimetric, fluorescence, luminescence, and turbidity analyses. To demonstrate the potential of the device, we characterized its analytical performance by detecting a variety of relevant molecular targets (ranging from antibodies, toxins, drugs, and classic fluorophore dyes) and we showed how the estimated results are comparable to those obtained from a commercial microplate reader. Thanks to its low cost (< $3 00), portability (27 cm [length] × 18 cm [width] × 7 cm [height]), commercially available components, and open-source-based system, we believe it represents a valid approach to bring high-precision laboratory-based analysis at the point of care

Nanodiagnostics to face SARS-CoV-2 and future pandemics : from an idea to the market and beyond

Altres ajuts: CERCA Programme/Generalitat de CatalunyaAltres ajuts: Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) for the project "COVID19-122"The COVID-19 pandemic made clear how our society requires quickly available tools to address emerging healthcare issues. Diagnostic assays and devices are used every day to screen for COVID-19 positive patients, with the aim to decide the appropriate treatment and containment measures. In this context, we would have expected to see the use of the most recent diagnostic technologies worldwide, including the advanced ones such as nano-biosensors capable to provide faster, more sensitive, cheaper, and high-throughput results than the standard polymerase chain reaction and lateral flow assays. Here we discuss why that has not been the case and why all the exciting diagnostic strategies published on a daily basis in peer-reviewed journals are not yet successful in reaching the market and being implemented in the clinical practice

Nanobiosensors for contaminants detection in water

Aquesta tesi té com a objectiu desenvolupar biosensors per al monitoratge ambiental. Primer, s'ha desenvolupat un biosensor colorimètric basat en lateral flow strips (LFS) per a la detecció i quantificació d'Escherichia coli com a indicador fecal universal. En aquest cas, nanopartícules d'or (AuNP) s'utilitzen com a transductors òptics i anticossos policlonals com a elements de bioreconeixement per capturar, marcar i indicar la presència del bacteri. Paral·lelament, s'ha desenvolupat un sistema de filtració per millorar la sensibilitat dels LFS. L'optimització del flux de la mostra a través dels diferents materials s'ha realitzat mitjançant una tècnica innovadora basada en el seguiment del flux del bacteri bioluminescent Aliivibrio fischeri, similar en grandària i forma a E. coli. Finalment, aquests LFS s'han provat amb mostres d'aigua de rius i aigües residuals, mostrant una sensibilitat similar i bona reproductibilitat i selectivitat en tots els casos. En segon lloc, s'ha desenvolupat un biosensor de toxicitat bioluminescent per a la detecció i quantificació de pesticides en mostres d'aigua. En particular, Aliivibrio fischeri, un bacteri bioluminescent, s'ha utilitzat com a element de bioreconeixement i transductor perquè augmenta i disminueix la bioluminescència d'acord amb la concentració de compostos tòxics en les mostres d'aigua. A més, l'òxid de grafè (GO) s'ha utilitzat com un potenciador del creixement no específic per promoure el creixement bacterià i augmentar la sensibilitat del sistema al detectar parcialment la bioluminescència emesa per A. fischeri. La detecció i quantificació de la bioluminescència es va realitzar amb un telèfon mòbil que permet una avaluació de la toxicitat de l'aigua de forma portàtil, més barata, i més fàcil d'utilitzar que els estàndards en els laboratoris. En tercer lloc, s'ha desenvolupat una plataforma portàtil basada en un telèfon mòbil per a realitzar assajos que requereixen una detecció òptica, incloent assaigs colorimètrics, fluorescents i bioluminescents. Aquesta plataforma s'ha utilitzat per dur a terme i analitzar proves ELISA estàndard basades en resultats colorimètrics per a la detecció de la immunoglobulina humana i una proteïna del coronavirus. A més, el sistema permet realitzar un seguiment de l'agregació de AuNPs en funció del color de la solució. D'altra banda, la plataforma s'ha utilitzat per detectar i quantificar quantum dots (QD) i altres indicadors fluorescents (per exemple, fluoresceïna), i per a fer proves ELISA fluorescents basades en aquests transductors. A més, la plataforma permet realitzar lectures bioluminiscents amb aplicacions com l'anàlisi de la toxicitat de l'aigua. Finalment, la plataforma és útil per al cultiu de bacteris, mesuraments de terbolesa i detecció de resistència a antibiòtics.Esta tesis tiene como objetivo desarrollar biosensores para el monitoreo ambiental. Primero, se ha desarrollado un biosensor colorimétrico basado en lateral flow strips (LFS) para la detección y cuantificación de Escherichia coli como indicador fecal universal. En este caso, nanopartículas de oro (AuNP) se utilizan como transductores ópticos y anticuerpos policlonales como elementos de bioreconocimiento para capturar, marcar e indicar la presencia de la bacteria. Paralelamente, se ha desarrollado un sistema de filtración para mejorar la sensibilidad de las LFS. La optimización del flujo de la muestra a través de los diferentes materiales ha realizado mediante una técnica innovadora basada en el seguimiento del flujo de la bacteria bioluminiscente Aliivibrio fischeri, similar en tamaño y forma a E. coli. Finalmente, estos LFB se han probado con muestras de agua de ríos y aguas residuales, mostrando una sensibilidad similar y buena reproducibilidad y selectividad en todos los casos. En segundo lugar, se ha desarrollado un biosensor de toxicidad bioluminiscente para la detección y cuantificación de pesticidas en muestras de agua. En particular, Aliivibrio fischeri, una bacteria bioluminiscente, se ha utilizado como elemento de bioreconocimiento y transductor porque aumenta y disminuye la bioluminiscencia de acuerdo con la concentración de compuestos tóxicos en las muestras de agua. Además, el óxido de grafeno (GO) se ha utilizado como un potenciador del crecimiento no específico para promover el crecimiento bacteriano y aumentar la sensibilidad del sistema al detectar parcialmente la bioluminiscencia emitida por A. fischeri. La detección y cuantificación de la bioluminiscencia se realizó con un teléfono móvil que permite una evaluación de la toxicidad del agua de forma portátil, más barata, y más fácil de usar que los estándares en los laboratorios. En tercer lugar, se ha desarrollado una plataforma portátil basada en un teléfono móvil para realizar ensayos que requieren una detección óptica, incluyendo ensayos colorimétricos, fluorescentes y bioluminiscentes. Esta plataforma se ha utilizado para llevar a cabo y analizar pruebas ELISA estándar basadas en resultados colorimétricos para la detección de la inmunoglobulina humana y una proteína del coronavirus. Además, el sistema permite realizar un seguimiento de la agregación de AuNPs en función del color de la solución. Por otro lado, la plataforma se ha utilizado para detectar y cuantificar quantum dots (QD) y otros indicadores fluorescentes (por ejemplo, fluoresceína), así como para realizar pruebas ELISA fluorescentes basadas en estos transductores. Además, la plataforma permite realizar lecturas bioluminiscentes con aplicaciones como el análisis de la toxicidad del agua. Finalmente, la plataforma es útil para el cultivo de bacterias, mediciones de turbidez y detección de resistencia a antibióticos.This thesis aims to develop biosensing tools for environmental monitoring. First, a colorimetric lateral flow biosensor (LFB) has been developed for the detection and quantification of Escherichia coli as a universal fecal indicator. Gold nanoparticles (AuNPs) are used as optical transducers and polyclonal antibodies as the biorecognition elements to capture, tag and indicate the presence of the bacteria. In parallel, a filtration system has been developed to improve the sensitivity of the LFBs. The optimization of the flow properties of the different lateral flow materials has been done by an innovative technique based on the tracking of the flow of the bioluminescent bacteria Aliivibrio fischeri, similar in size and shape to E. coli. Eventually, these LFBs have been tested with river and sewage waters, showing similar sensitivity and good reproducibility and selectivity in all the cases. Second, a bioluminescent toxicity biosensor has been developed for the detection and quantification of pesticides in water samples. In particular, Aliivibrio fischeri, a bioluminescent bacteria, has been used as the biorecognition element and the transducer because it turns up and down bioluminescence according to the concentration of toxic compounds within the water samples. Besides, graphene-oxide (GO) has been used as a non-specific growth enhancer to promote bacterial growth and increase the sensitivity of the system by partially screening the bioluminescence emitted by A. fischeri. The detection and quantification of the bioluminescence has been performed by a smartphone that allows for a cheaper, more user friendly, and portable water toxicity assessment. Third, a smartphone-based portable platform has been developed for the performance of optical sensing, including colorimetric, fluorescent, and bioluminescent assays. This platform has been used to perform and read standard ELISA tests based on colorimetric outputs for human IgG and coronavirus detection. In addition, the system allows for tracking AuNPs aggregation based on the color output of the solution. On the other hand, the platform has been used to detect and quantify quantum dots (QDs) and other fluorescent reporters (i.e. fluorescein), as well as performing fluorescent ELISA tests based on these transducers. Next, the platform allows for bioluminescent readouts with applications in toxicity analysis. Eventually, the platform is suitable for bacteria culture, turbidity measurements, and drug screening for antibiotic resistances assessment.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Biotecnologi

Salida de campo para evaluar los factores bióticos y abióticos del Parque Municipal de Huesca como una propuesta de aprendizaje basada en proyectos (ABP)

Este trabajo de fin de máster presenta una propuesta didáctica para alumnos de 4º ESO cursando la asignatura de biología y geología, y más concretamente la unidad didáctica de ecología y biodiversidad. La presente propuesta didáctica se basa en el aprendizaje basado en proyectos (ABP) en conjunto con una salida de campo al parque municipal de Huesca para evaluar los factores bióticos y abióticos del ecosistema y elaborar un informe entregable al departamento de medioambiente del ayuntamiento de la ciudad. La salida de campo, trabajada a través de un ABP, se subdivide a su vez en siete tareas que los estudiantes deben ir completando durante la salida para, a posteriori, poder desarrollar el informe escrito como producto de entrega. Los objetivos didácticos de esta propuesta didáctica son comprender y aplicar a casos reales los conceptos de ecosistema, nicho ecológico, factores bióticos y abióticos, población, comunidad y relaciones interespecíficas, familiarizarse con herramientas y técnicas de campo utilizadas in situ, tanto analógicas como digitales, que permitan caracterizar diferentes seres vivos y el estado del suelo, el aire y el agua de un ecosistema, y evaluar y argumentar sobre el “estado de salud” de un ecosistema cercano a la realidad del alumnado. <br /

Harnessing Bioluminescent Bacteria to Develop an Enzymatic-free Enzyme-linked immunosorbent assay for the Detection of Clinically Relevant Biomarkers

Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) is the gold standard technique for measuring protein biomarkers due to its high sensitivity, specificity, and throughput. Despite its success, continuous advancements in ELISA and immunoassay formats are crucial to meet evolving global challenges and to address new analytical needs in diverse applications. To expand the capabilities and applications of immunoassays, we introduce a novel ELISA-like assay that we call Bioluminescent-bacteria-linked immunosorbent assay (BBLISA). BBLISA is an enzyme-free assay that utilizes the inner filter effect between the bioluminescent bacteriaAllivibrio fischeriand metallic nanoparticles (gold nanoparticles and gold iridium oxide nanoflowers) as molecular absorbers. Functionalizing these nanoparticles with antibodies induces their accumulation in wells upon binding to molecular targets, forming the classical immune-sandwich complex. Thanks to their ability to adsorb the light emitted by the bacteria, the nanoparticles can suppress the bioluminescence signal, allowing the rapid quantification of the target. To demonstrate the bioanalytical properties of the novel immunoassay platform, as a proof of principle, we detected two clinically relevant biomarkers (human immunoglobulin G and SARS-CoV-2 nucleoprotein) in human serum, achieving the same sensitivity and precision as the classic ELISA. We believe that BBLISA can be a promising alternative to the standard ELISA techniques, offering potential advancements in biomarker detection and analysis by combining nanomaterials with a low-cost, portable bioluminescent platform