Integrated devices for the concentration and detection of waterborne bacteria

Resum

La monitorització de la qualitat microbiana de l’aigua té com a objectiu protegir els consumidors de malalties causades pels patògens transmesos per ingestió, aspiració o contacte amb aigües contaminades. En les darreres dècades, la tecnologia dels biosensors s’ha postulat com una de les alternatives més prometedores per substituir els mètodes convencionals tediosos, voluminosos i que requereixen de llargs temps. No obstant això, la majoria de biosensors no tenen la capacitat de processar els grans volums d’aigua necessaris per a la regulació de la qualitat microbiana, que es tradueix en límits alts de detecció. En aquest sentit, el desenvolupament de dispositius capaços d’integrar la concentració de bacteris presents en grans volums d’aigua i la seva detecció esdevé un tema rellevant. Aquesta tesi presenta el desenvolupament d’un dispositiu capaç d’utilitzar membranes de microfiltració com a suport de tots dos processos, el de concentració i el de detecció. El dispositiu consta d’una plataforma de concentració modelable, que es pot modificar segons les necessitats de detecció del bacteri objectiu. En aquet treball, s’han seleccionat tres microorganismes diferents com a possibles escenaris de treball del prototip de concentració i detecció. Escherichia coli ha estat seleccionada per la seva àmplia utilització com a bacteri model de la contaminació fecal, Legionella pneumophila, per la seva importància per a la salut i Shynechocystissp. com a cianobacteri model per el seu impacte en la salut i al medi ambiental. Com és el cas de la majoria de bacteris, cal que Escherichia coli i Legionella pneumophila siguin etiquetats per detectar-los. Així, s’ha desenvolupat un immunoassaig sobre filtre que empra la membrana utilitzada per a la concentració, i també com a suport per a la immunodetecció. Tot i això, l’inconvenient més gran d’utilitzar membranes de microfiltració com a suport per a la immunodetecció és la unió inespecífica dels anticossos a la membrana, donant per tant, falsos positius. Així, s’han provat diferents materials de membrana, reactius de bloqueig de membrana i rentats d’anticossos per trobar la millor combinació per a la detecció ràpida de E. coli i Legionella. La immunodetecció es realitza mitjançant anticossos marcats enzimàticament i un substrat colorimètric o redox, demostrat que el immunoassaig sobre filtre es pot combinar tant a mesures d’absorbància com a de cronoamperomtría. L’assaig complet triga 2 h reduint significativament el temps necessari pels mètodes convencionals (2-10 dies) i obtenint límits de detecció per sota dels 10 CFU·mL-1, cosa que podria permetre assolir els límits establerts per les normes de regulació. El dispositiu desenvolupat també s’ha adaptat a la detecció de cianobacteris. Els cianobacteris contenen pigments capaços d’absorbir llum i emetre fluorescència de manera natural, actuant com a bioreceptors intrínsecs. Per tant, el dispositiu de concentració s’ha dotat d’elements òptics per a la detecció de cianobacteris sobre el filtre. S’ha implementat un díode emissor de llum (LED) per excitar la PhC i un detector que recull la seva emissió de fluorescència, a més d’integrar l’electrònica necessària per al seu control. El sistema desenvolupat és capaç de detectar concentracions de cianobacteris dins del nivell de vigilància establert per l’OMS en menys de 10 minuts fins i tot en mostres reals. A més, l’ús de components òptics miniaturitzats de baix cost ha permès obtenir un prototip portàtil i senzill adequat per a l’avaluació ràpida i in-situ de cianobacteris. El rendiment i la versatilitat mostrats per la plataforma dissenyada i provada en aquesta tesi, ens permet preveure aquesta nova tecnologia com una alternativa ràpida i rentable per a la supervisió de la qualitat de l’aigua microbiana.

Data del Ajut	4 de set. 2020
Idioma original	Anglès
Supervisor	Naroa Uria Molto (Director/a), Francisco Javier Muñoz Pascual (Director/a) & Jordi Mas Gordi (Director/a)