Development and application of functionalized polyoxometalates as fluorescents-tags in biosensing applications

Abstract

The main goal of this thesis was the development of fluorescent paper-based sensors taking advantage of the optical properties of lanthanopolyoxometalates to obtain fast results using a portable and affordable UV lamp. The polyoxometalates (POMs) used were of the monolacunary Keggin and [Ln(W5O18)2]9- types containing europium cations. Core/shell-type nanoparticles (24 nm) bearing a nucleus of the anion [Ln(W5O18)2]9 surrounded by a silica shell were prepared and surface functionalizations were successively performed to maximize the surface’s affinity for the analytes. In the case of anion [EuPW11O39(H2O)2]4- (EuPW11), a straightforward strategy was designed to investigate the potential affinity of this anion to interact with DNA relying on the use of fluorescence spectroscopy. The effect of the gradual addition of DNA to EuPW11 aqueous solutions in the fluorescence intensity of the three main transitions of Eu3+ cations (592, 619 and 700 nm) was evaluated. The obtained results show that there is no interaction between the DNA and the anion. In this work, two different paper-based tests (spots and μPADs) were developed to detect the hybridization between DNA probes and a DNA target relying on the capture by CBM64-ZZ:anti-biotin antibody conjugate immobilized on the paper and EuW10@SiO2-DNA. Visualization, under the excitation of a UV lamp (254 nm), of both systems indicates that in its present state the designed capture system is not efficient. A third approach relying on the use of cellulose microparticles (20 m) was developed and, after the addition of EuW10@SiO2-DNA nanoparticles, the deposition of the microparticles occurred and the assays performed in the presence of biotinylated DNA (hybridization occurred) showed increased fluorescence at the cellulose surface, contrary to the observed for the control. This approach, in solution, based on the use of cellulose microparticles emphasizes the viability of the system as a fluorescent-tag for DNA capture, that can be used as an alternative to the used quantum dots and organic dyes.

Esta tese teve como objetivo o desenvolvimento de sensores de papel fluorescentes, tirando partido das propriedades óticas de lantanopolioxometalatos para obter resultados de forma rápida, usando uma lâmpada de UV, portátil e barata. Os polioxometalatos (POMs) selecionados foram do tipo Keggin monolacunar e [Ln(W5O18)2]9- contendo európio. Nanopartículas do tipo núcleo-coroa (~24 nm), com núcleo do anião [Ln(W5O18)2]9- encapsulado em sílica, foram sintetizadas e sucessivamente funcionalizadas de forma a maximizar a afinidade para os analitos de interesse. No caso do anião [EuPW11O39(H2O)2]4- (EuPW11), foi explorada uma estratégia mais direta para avaliar a potencial afinidade deste anião para interagir com uma sequência de ADN, recorrendo ao uso da espectroscopia de fluorescência. Avaliou-se o efeito da adição de ADN a soluções aquosas de EuPW11 na intensidade das bandas de fluorescência correspondentes às três principais transições do catião Eu3+ (592, 619 e 700 nm). Os resultados obtidos permitiram concluir que não existe interação entre o ADN e o anião. Neste trabalho, foram realizados dois testes em papel (em poços e μPADs) para detetar a hibridização entre a sequência de ADN do sistema de deteção e a sequência de ADN alvo, baseando-se na interação do conjugado CBM64-ZZ:anticorpo anti-biotina, imobilizado no papel, com as nanopartículas EuW10@SiO2-ADN. A visualização de ambos os sistemas, aquando da irradiação UV (254 nm), indica que, no estado atual, estes não são eficientes. Uma terceira abordagem, usando micropartículas de celulose (20 μm), foi então desenvolvida e, após adição de nanopartículas EuW10@SiO2-ADN e deposição das micropartículas de celulose, pode observar-se fluorescência na fração depositada somente para os ensaios efetuados na presença de ADN biotinilado. Esta abordagem, em solução, baseada no uso de micropartículas de celulose confirma a viabilidade do sistema desenvolvido como marcador fluorescente para a deteção de ADN, e que poderá ser considerado uma alternativa ao uso de “quantum dots” e corantes orgânicos.