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Development of a Novel Electrochemical Bismuth Sulfide-Based Biosensor for the Detection of Zn Ions in Cancer

Alexis Marion

Master's thesis (2023)

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Abstract

Cancer-related diseases are a leading cause of death and represent the greatest barrier to increasing life expectancy globally. With the burden of cancer increasing annually, there is a great need to develop new low-cost and performant sensors to help establish a diagnosis and/or prognosis in the point-of-care setting. To be applicable to the point of care, medical sensors must be cost efficient, easy to operate and miniaturized among other characteristics. Electrochemical sensors offer all these advantages with excellent detection capabilities for a multitude of disease biomarkers. Among cancer biomarkers, free metals and metal ion-containing biomarkers such as Zn are popular targets for the development of electrochemical sensors today because of their key activity in many disease-related processes. Recently, bismuth-based electrochemical sensors have shown great promise in high sensitivity Zn detection. In this work, we proposed the development of a bismuth sulfide nanoparticle-based microelectrochemical sensor for the detection of Zn. A novel and simple 3 reagents one-pot hydrothermal synthesis of carboxylated bismuth sulfide was developed, with the unique prosperity of having surface carboxylic acid functional groups, allowing further chemical modifications of the sensor surface. Cross-linking of amino acid l-histidine was investigated as a mean to enhance sensor performance. Sensors based on the bismuth sulfide nanoparticles and histidine-modified bismuth sulfide were prepared and tested electrochemically through voltametric techniques to optimize detection parameters. The sensor prepared from the unmodified nanoparticles showed a limit of detection of Zn in laboratory TBS buffer solution of 1.98 μg/mL and a linear relationship between current and concentration in the 5μM - 50μM range, which is biologically relevant. The histidine modified bismuth sulfide biosensor showed superior electrochemical performance in cyclic voltammetry compared to unmodified nanoparticles. However, Zn sensing in this system has not yet been optimized to reduce noise to a degree allowing precise sensor characterization and calibration. More experiments focusing on optimization of the detection parameters are needed on histidine-modified bismuth sulfide in order to fully develop the system prototype. In conclusion, a novel highly customizable bismuth sulfide framework for the electrochemical sensing of Zn was developed in this work, with highly desirable features for a potential point-of-care application.

Résumé

Les maladies liées au cancer sont l'une des principales causes de décès et représentent le plus grand obstacle à l'augmentation de l'espérance de vie dans le monde. Le fardeau du cancer augmentant chaque année, il est indispensable de mettre au point de nouveaux dispositifs médicaux performants et peu coûteux pour aider à établir un diagnostic et/ou un pronostic sur le lieu de soins. Pour être applicables sur le lieu de soins, les senseurs médicaux doivent être entre autres rentables, faciles à utiliser et miniaturisés. Les senseurs électrochimiques offrent tous ces avantages et d'excellentes performances en détection pour une multitude de biomarqueurs de maladies. Parmi les biomarqueurs du cancer, les métaux libres et les protéines contenant des ions métalliques tels que le Zn sont aujourd'hui des cibles populaires pour le développement de senseurs en raison de leur rôle dans de nombreux processus biologiques liés à la maladie. Récemment, des senseurs électrochimiques à base de bismuth se sont révélés très prometteurs pour la détection à haute sensibilité du Zn. Dans ce travail, nous proposons le développement d'un senseur microélectrochimique à base de nanoparticules de sulfure de bismuth pour la détection du Zn. Nous avons mis au point une synthèse hydrothermale simple et novatrice à trois réactifs pour du sulfure de bismuth carboxylé, qui présente l'avantage unique d'avoir des groupements fonctionnels d'acides carboxyliques en sa surface, ce qui permet d'autres modifications chimiques de la surface du dispositif. La réticulation de l'acide aminé l-histidine à la surface du senseur a été étudiée comme moyen d'en améliorer les performances électrochimiques. Des senseurs basés sur les nanoparticules de sulfure de bismuth et le sulfure de bismuth modifié par l'histidine ont été préparés et testés électrochimiquement par des techniques voltamétriques afin d'en optimiser les paramètres de détection. Le senseur préparé à partir des nanoparticules non modifiées a montré une limite de détection du Zn dans une solution tampon de TBS en laboratoire de 1,98 μg/mL et une relation linéaire entre le courant et la concentration de Zn dans la plage 5μM - 50μM, qui est d’une pertinence biologique. Le biocapteur de sulfure de bismuth modifié par l'histidine a montré une performance électrochimique supérieure en voltampérométrie cyclique par rapport aux nanoparticules non modifiées. Cependant, la détection du Zn dans ce système n'a pas encore été optimisée pour réduire le bruit des mesures à un degré permettant la caractérisation et l’étalonnage précis du dispositif.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Géraldine Merle
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/56668/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 18 Mar 2024 14:36
Last Modified: 05 Apr 2024 23:21
Cite in APA 7: Marion, A. (2023). Development of a Novel Electrochemical Bismuth Sulfide-Based Biosensor for the Detection of Zn Ions in Cancer [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/56668/

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