Desarrollo de un sensor voltamétrico basado en ftalocianinas sustituidas y estudio del efecto superficial electroquímico con AFM in situ

Abstract

Se ha desarrollado un biosensor electroquímico para la detección de galactosa mediante la modificación de electrodos de ITO (óxido de estaño e indio) con películas nanoestructuradas de ftalocianinas de hierro sustituidas con cuatro grupos carboxilo (TCFePc). Para ello se ha empleado la técnica de Langmuir- Blodgett, que proporciona un entorno biomimético para mejorar la actividad enzimática. Con este biosensor se busca aprovechar tanto el carácter electrocatalítico de las ftalocianinas como la presencia de grupos carboxy, que permite una inmovilización más eficiente de la enzima galactosa oxidasa (GaOx), además de aportar un entorno biomimético donde las reacciones enzimáticas vean maximizada su eficiencia. Una vez preparados, los biosensores se han caracterizado con espectroscopía ultravioleta visible (UV-Vis), espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) y microscopía de fuerza atómica (AFM), que han demostrado la correcta organización de las películas sobre el sustrato y la presencia de orden molecular sobre la superficie. Una vez caracterizadas, las películas se han utilizado como sensores para la detección de galactosa, y se ha estudiado la selectividad del biosensor respecto a galactosa mediante voltametría cíclica, utilizando una celda electroquímica integrada en el AFM. Se trata de una técnica muy novedosa en el campo de los sensores electroquímicos, que ha sido puesta a punto durante esta investigación,y que ha permitido el estudio de los efectos superficiales de las reacciones electroquímicas sobre la superficie del biosensor. La electroquímica in situ con AFM mostró que las reacciones electroquímicas superficiales producen nucleación de estructuras sobre la superficie del biosensor cuyo ritmo de crecimiento aumenta con el número de ciclos de voltametría aplicados. Por otro lado, se comprobó la eficiencia de la inmovilización de la enzima sobre el sensor, que se ve mejorada respecto al ITO debido a las interacciones atractivas entre las TCFePc y la GaOx, manteniendo la enzima inmovilizada sobre el biosensor sin que haya un deterioro apreciable durante un número creciente de ciclos. La pérdida de actividad enzimática tras un número lo suficientemente grande de ciclos se debe entonces al crecimiento de estructuras sobre la superficie que actúan como centros de nucleación y no a la desorción de la enzima de la superficie del biosensor.

etection of galactose has been developed. The Langmuir-Blodgett technique was employed to transfer Tetra-Carboxy Iron Phthalocyanines (TCFePcs) monolayers on the surface of ITO substrate. The fabricated thin films provide a biocompatible environment where the immobilized enzyme (galactose oxidase) can maximize the enzimatic activity. The designed biosensor is thought to implement the electrocatalytic effect of phthalocyanines along with the carboxy groups that enhance the immobilization of the enzyme over the electrode surface, while allowing the enzyme to work more efficiently in a biomimetic environment. The structural characterization of the thin films was made through UVVis and FTIR spectroscopies, and AFM imaging. The characterization proved that after the deposition of the films there is an ordered molecular orgnization on the surface. The selectivity of the biosensor was determined through cyclic voltammetry performed in an electrochemical cell integrated in the AFM. Electrochemical AFM is a highly innovative technique in the field of electrochemical sensors, which has been developed in the AFM equipment during this research, and allowed to perform a deeper study of the effects that electrochemical reactions have on the surface of the electrode. Electrochemical in situ AFM was performed and showed that electrochemical reactions on the surface give rise to nucleated structures that see their nucleation rate increased with and increasing number of voltammetry cycles. The immobilization of the enzyme on the surface was tested, resulting in an enhanced immobilization due to the attractive interactions between the carboxy groups of the TCFePcs and the amino groups present in the enzyme. The GaOx was still strongly attached to the surface after ten voltammetry cycles, so the decrease in the enzymatic activity after a sufficiently high number of cycles can be associated to the growth of nucleated structures and not to enzyme desorption off the surface.