Sviluppo di biosensori per la
determinazione delle micotossine
Sviluppo di un biosensore a tecnologia QCM (Quartz
Crystal Microbalance)
Lucia Mosiello, Katia Spinella, Fabio Vitali
Unita’ Tecnica Sviluppo Sostenibile ed
Innovazione del Sistema Agro-Industriale (UTAGRI)
Laboratorio Innnovazione Agroindustriale (INN)
IV Congresso Nazionale: Le Micotossine nella Filiera Agro-Alimentare
Roma 11-12-13 giugno 2012
1
I Biosensori
Un biosensore è un dispositivo analitico che incorpora un elemento di riconoscimento biologico (o di
derivazione biologica) integrato o intimamente associato ad un trasduttore di segnale chimico-fisico .
Lo scopo del biosensore è di produrre un segnale digitale elettronico, discreto o continuo,
proporzionale alla concentrazione di un singolo analita o gruppo di analiti .
Schema generale di un biosensore
2
…la nostra storia……
3
Biosensori e microsistemi per MTXs
Sistema di microspottaggio a matrice
associato a lettore densitometrico
su microwells
immunoassay
Mycotoxin Research (2009) test semi quantitativo
4
Sviluppo di un biosensore di massa per l’OTA
Biosensore acustico di massa utilizza aptameri per OTA (ENEA, Comenius University,
Bratislava)
Detection Limit 30 nM (Chemical Sensors 2011)
“…..This method is sensitive to mass adsorbed at the sensor surface, measured by changes of resonant
frequency, fs, and to the viscoelastic contribution, measured by motional resistance, Rm. Addition of OTA to a
sensor surface with immobilised biotinylated DNA aptamers resulted in decrease of fs and increase of
Rm…….”
5
I Biosensori Piezoelettrici
Il
dei biosensori
piezoelettrici
si basa è
sull’impiego
di materiali
che
Unfunzionamento
importante tipo
di biosensore
piezoelettrico
il QCM (Quartz
Crystal
vibrano
sotto l’influenza
di un campo
elettrico esterno
alternato,
tipicamente
Microbalance),
in cui l’interazione
anticorpo-antigene
avviene
sulla superficie
del i
cristalli
cristallodidiquarzo.
quarzo, che è all'interno di un circuito oscillante, le variazioni di massa
La
frequenza
di risonanzadella
variafrequenza
in modo direttamente
causano la diminuzione
di risonanza proporzionale
del cristallo. al
Unvariare
QCM
della
massa
del materiale
a seguito
di fenomeni
di adsorbimento
risponde
ai cambiamenti
di massa
sulla superficie
dell'elettrodo
ed ha unao
disadsorbimento
superficiali
sensibilità dell’ordine
del ng.
Principio di funzionamento generale di un biosensore piezoelettrico
6
QCM (Quartz crystal microbalance)
I sensori gravimetrici a cristalli di quarzo sono oggi uno dei sistemi più semplici
per la realizzazione di sensori ad affinità. Il principio di funzionamento è basato
sul cambiamento di frequenza di risonanza di un cristallo per variazione di peso,
viscosità o densità del mezzo a contatto con esso
Principio di funzionamento
La frequenza di risonanza di un disco di quarzo è funzione della
massa
vi gravita
sopraapplicata a cristalli (come il quarzo)
Unache
tensione
elettrica
determina una deformazione meccanica
Per piccole masse esiste una relazione lineare tra la variazione di
massa
e la frequenza
di con
oscillazione,
l'equazione
di Sauerbrey
;
Eccitando
il cristallo
un segnale
elettrico oscillante
si può
innescare una risonanza meccanica
quarzo
Δf = -Cf x +Δm
L’insieme oscillatore elettronico
sistema di trasduzione di massa
costituisce il
7
Il biosensore di massa RQCM per le MTXs
Obiettivi sperimentali
messa a punto protocollo di funzionalizzazione del quarzo
coating delle molecole di affinita’ sulla superficie del trasduttore
messa a punto della misura delle variazioni di Frequenza per quarzi funzionalizzati e ricoperti
con differenti anticorpi specifici per le MTXs ed incubati con soluzioni a diverse concentrazioni
di micotossine
costruzione di una curva standard per le varie MTXs
misura di campioni e matrici alimentari mediante l’utilizzo del biosensore
Il trasduttore:
8
Il biosensore di massa RQCM per le MTXs
MISURA Df e DR
9
10
Il biosensore di massa RQCM per le MTXs
Funzionalizzazione dei quarzi
Struttura chimica del DSP (acido 3-3’ditiopropionico di N- succinimide
estere). Attacco nucleofilo dell’N del gruppo amminico di una proteina sul
C carbonilico del DSP.
11
Il biosensore di massa RQCM per le MTXs
AFLA B1
OTA
Fumonisina
policlonali
monoclonali
Ab-beads
ppb
0.5
1.0
5.0
10.0
Ca
caratterizzazione dei quarzi dopo funzionalizzazione con DSP
osservazione all microscopio
ottico
-
al microscopio AFM
( 140 micron di spessore del coating di DSP)
12
Il biosensore di massa RQCM per le MTXs
13
Il biosensore di massa RQCM per le MTXs
14
Conclusioni
I biosensori acustici di massa a tecnologia
QCM mostrano potenzialità applicative di
grande interesse per l’identificazione ed il
dosaggio delle MTXs
L’associazione dell’utilizzo di molecole
di affinità alla tecnologia QCM consente
di sviluppare dispositivi diagnostici
altamente specifici e sensibili per le
MTXs
15
Prospettive future
Validazione e caratterizzazione della
prestazione analitica del biosensore
Ottimizzazione della configurazione,
possibilita’ di misurare in flusso
sviluppo di biosensori RQCM che
utilizzano differenti molecole di affinità,
quali aptameri e MIPs
16
Ringraziamenti
17
