Development of a label-free electrochemical impedimetric immunosensor based on gold nanoparticle modified screen-printed gold electrode for the detection of carcinoembryogenic antigen (CEA) by monoclonal CEA antibody immobilization

Abstract

İmpedimetrik immünosensörler, çalışma elektrodu üzerine antikor immobilizasyonu ile oluşturulurlar. Çalışma prensipleri ise birbirlerine spesifik antikor ve antijen çiftinin çalışma elektrodu üzerindeki elektrokimyasal etkileşiminden oluşan rezistans ile etkileşim gösteren antijen konsantrasyonu arasındaki ilişkiyi esas alır. Elektrokimyasal impedans spektroskopisi genellikle bu tip afinite biyosensör uygulamalarda kullanılmaktadır. Elektrokimyasal impedimetrik biyosensörlerin kanser biyomarkırlarının duyarlı tayininde önemli avantajları vardır; daha küçük, hızlı, duyarlı, ucuz ve radyasyonsuz olması, etiketleme yapmadan belirlenebilmesi, basit üretim prosedürlerine sahip olması, zaman tasarrufu sağlaması, daha uzun raf ömrünün olması ve kullanım basitliği bu avantajlardandır. Bu özellikler, insan kan serumundaki kanser markırı tespiti hastalığın erken aşamalarında tespit edilmesini ve takip aşamasındaki tetkikleri önemli ölçüde kolaylaştırır. Karsinoembriyojenik antijen (CEA), onkofetal bir antijendir, embriyonik dönemde oluşur ve doğumdan sonra baskılanır. Kan serumundaki miktarı kolorektal, akciğer, göğüs kanseri ve ovaryum karsinoma ile ilişkilendirilen önemli bir kanser biyomarkırıdır. Yetişkin insanların serumunda çok düşük düzeylerde bulunur. Yetişkin insanların serumunda yüksek düzeyde olması malignite bulgusu olarak kabul edilir. Elektrokimyasal impedans spektroskopisi ile CEA tayini hastalığın tespitini ve takibini kolaylaştırıp insanların yaşam standartlarını yükseltebilir. Altın yüzey tiyol-altın ve hidrofobik etkileşimlerle alakalı olarak biyomateryallerin adsorbsiyonunu kolaylaştırma noktasında immobilizasyon sürecinde çeşitli avantajları vardır. Son yıllarda, altın nanopartiküller antikor immobilizasyonunda, daha duyarlı bir elektrokimyasal immuno ölçüm yapılabilmesi için kullanılmaktadır. Altın nonopartiküller geniş yüzey alan oluşturabilme, biyouyumluluğu yüksek olması ile, nanoboyuttaki parçacıkların serbest yüzey enerjisine sahip olmasından dolayı çalışan elektrot üzerinde antikorların kuvvetli adsorbsiyonuna sebep olur. Altın nanopartiküller, elektrot yüzeyi ve redox proteini arasındaki elektron transferini hızlandırır, nanoboyuttaki yapısıyla redox proteinin (monoklonal CEA antikorunun) elektroda daha yakın olmasını sağlayıp elektrokimyasal biyosensör uygulamalarda daha etkili kütle transferi sağlar. Başka bir deyişle, altın nanopartiküller antikor immobilizasyonunda istenen bir aramoleküldür. Bu çalışmada altın çalışma elektrodu tiyolle modifiye edilip yüzeyi altın nanopartiküllerle fonsiyonelleştirilip CEA tespit edebilecek impedimetrik biyosensör geliştirmek hedeflenmektedir. Bu tez çalışmasında biyosensörün transdüser kısmı üzerinde, Au çalışma elektrodunun elektrokimyasal etkileşimleri iletmesi temelinde çalışılmıştır. Serigraf baskılı altın elektrot modifikasyonu yüzeyde oluşacak elektrokimyasal değişimleri elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) ve dönüşümlü voltamogram (CV) ile değerlendirilebilir elektrokimyasal sinyallere dönüştürülmüştür.

Impedimetric immunosensors are constructed with antibody immobilization of working electrode and their working principle is that occuring a correlation between antigen concentration and obtained resistance after an electrochemical antibody-antigen interaction. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is generally used to characterize these type affinity detections in biosensor applications. Electrochemical impedimetric biosensors have significant advantages for sensitive detection of cancer biomarkers which are being smaller, faster, more sensitive, cheaper devices, without radiation hazards, allowing label-free, concurrent detection, simple production, less time consuming, rapid detection, having longer shelf life, and not complicated procedure. These properties will substantially get easier early diagnostic of cancer at beginning phases and examination of cancer disease in treatment progress. Carcinoembryogenic antigens (CEAs) which are cell surface glycoproteins are used as an important biomarker in human serum associated with colorectal, lung, breast cancer and ovarian carcinoma. CEA quantification analysis with electrochemical impedance spectroscopy promotes early diagnosis of cancer which is crucial for the successful treatment of the disease and increases health standards of people. The gold layer has various advantages during immobilization process thereby the easy adsorption of biomaterials relates to hydrophobic and thiol–gold interactions. In recent years, gold nanoparticles (AuNPs) are commonly used to enhance more sensitive electrochemical immunoassay for immobilization of antibody. AuNPs provide strongly adsorbtion of antibody on working electrode during immobilization due to its large specific surface area, good biocompatibility, surface free energy of nanosized particles. AuNPs facilitate electron transfer between redox proteins and electrode surfaces, provide effective mass transport in electrochemical biosensor applications as making closer redox protein (monoclonal CEA antibody) to the electrode via nanosized structure. In the other words, AuNPs is a desirable intermediator for immobilization of antibodies. In this study, Screen-Printed Gold Electrode (SPGE) is modified with thiol and AuNPs to develop an impedimetric biosensor to detect CEA as an important cancer biomarker.In this thesis, transducer part of the biosensor were studied because Au working electrode were being used as conductor in transducer part of biosensor. Modification of SPGE allowed an electrochemical change on transducer of our biosensor and this changes were converted to quantifiable signals by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Cyclic Votammogram(CV).