Development of biosensor integrated into dye sensitized solar cells for measuring cancer biomarkers

Abstract

Os biomarcadores são biomoléculas presentes em tecidos ou fluidos corporais e desempenham um papel importante como ferramenta de diagnóstico em laboratórios clínicos e em hospitais, especialmente na área de oncologia. Estas biomoléculas podem ser associadas a doenças cancerígenas, possibilitam o diagnóstico e prognóstico destas doenças, bem como o acompanhamento e a sua evolução, face a um determinado tratamento. A determinação desses biomarcadores deve ser, por isso, de baixo custo e rápida, com recurso a instrumentos pequenos e portáteis, de forma a permitir a sua utilização em programas de rastreio e em contexto clínico. Neste contexto, os biossensores representam um papel essencial, por serem tipicamente rápidos e baratos e permitirem um diagnóstico no ponto de cuidado médico. Apesar de existirem descritos na literatura vários biossensores dirigidos a biomarcadores de cancro, falta ainda um biossensor que apresente baixo custo e uma produção simples, com um reduzido número de requisitos. Estas características são fundamentais para a sua aplicação no rastreio do cancro. Este trabalho propõe, por isso, a utilização de um material biomimético como elemento de bioreconhecimento para deteção de biomarcadores do cancro, material esse que atua como um anticorpo natural. Este material é sintético, barato e pode ser produzido para eventualmente qualquer molécula alvo, através de uma impressão molecular em estruturas poliméricas, com subsequente produção de polímeros molecularmente impressos (MIPs, do inglês Molecularly-Imprinted Polymers). A técnica eletroquímica é utilizada durante o desenvolvimento e a caracterização do MIP, por permitir procedimentos rápidos e de baixo custo, bem como a sua produção em suportes adequados do ponto de vista ambiental. O biossensor desenvolvido neste trabalho foi integrado, ainda, numa célula fotovoltaica, tendo em vista a produção de um novo sistema híbrido: um sistema elétrico que não necessite de uma fonte de energia elétrica. Essa célula fotovoltaica, uma célula solar sensibilizada por corante (DSSC, do inglês, Dye Sensitized Solar Cell), caracteriza-se pelo facto da energia gerada pelo sistema híbrido ser dependente da concentração de um biomarcador do cancro. Além disso, este sistema evoluiu no sentido de fornecer um sinal visível a qualquer utilizador, utilizando a sua interface com uma célula electrocrómica. Esta célula usou como material electrocrómico o poli(3,4-etilenodioxitiofeno) e um seu derivado, recebendo a energia gerada pelo dispositivo híbrido e convertendo-a numa dada cor. A intensidade desta cor é, também, dependente da concentração do biomarcador. Em geral, este trabalho descreve a combinação altamente inovadora de diferentes técnicas (materiais sensores, células fotovoltaicas e electrocrómicas) para a produção de uma nova geração de dispositivos, dirigidos à deteção de biomarcadores do cancro. Esta combinação permitiu desenvolver sistemas simples e sem requisitos específicos, tornando-se apenas necessária a presença da amostra para gerar informação analítica.

Biomarkers are biomolecules present in tissues or body fluids that may be associated with cancer diseases. These biomolecules have shown an important role as diagnostic tools in clinical laboratories and hospitals, especially in oncology. Biomarkers may allow assessing cancer in an initial state of the disease, establishing an accurate prognosis, and following-up the progression of disease along the patient treatment. The determination of these biomarkers should therefore be of low cost, also offering a fast response, with small and portable instruments, so that this may be of use in screening programs and point-of-care context. In this context, biosensors represent an essential role, due to their advantages as fast and cost-effective method in clinical diagnosis. Although there are several biosensors for determining cancer biomarkers reported in the literature, a biosensor that offers low cost and simple production features, with little requirements is still missing. These shall be very important in future wide screening programs in early cancer detection. Thus, this work makes use of a biomimetic material as a biorecognition element for the detection of cancer biomarkers, acting like a natural antibody. This antibody-like material is synthetic, low cost and tailored on demand by molecularly-imprinted polymer (MIP) technology. Herein, electrochemical-based approaches were employed in its production, yielding a quick and low-cost procedure, as well as low cost supports. The biosensor developed herein is further integrated in a photovoltaic cell to generate a new hybrid sensing device that is self-powered. The photovoltaic cell was a dye sensitized solar cell (DSSC) and the electrical energy produced by the hybrid device depended on the concentration of cancer biomarker present. Moreover, this device also evolved to a self-signalling device, by coupling it to an electrochromic cell. This electrochromic cell consisted of a poly(3,4-ethylenedioxythiophene)- based electrochromic material and received the electrical energy generated by the hybrid system, converting it into a given colour. In this, the colour intensity was also concentration dependent. Overall, this work describes the highly innovative combination of sensing material, and photovoltaic and electrochromic cells, to produce a new generation of self-powered and selfsignalled devices devoted to cancer biomarker detection. This combination has zerorequirements, and only the sample shall be required to retrieve analytical data.