Graphene field-effect transistor biosensors for differential diagnosis of severe acute respiratory syndrome (sars) in seasonal influenza co-epidemic scenario

• Autores: Laura Lozano Chamizo
• Directores de la Tesis: Marco Filice (dir. tes.), Marzia Marciello (dir. tes.), Victor Gonzalez Rumayor (dir. tes.), Andrés Rafael Alcántara Leon (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Transistores de efecto campo basados en grafeno como biosensores para el diagnóstico diferencial de síndromes agudos respiratorios (SARS) en escenario de co-epidemia de gripe estacional
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel Bautista Santa Cruz (presid.), Susana Campuzano (secret.), Sara Abalde Cela (voc.), Estanislao Nistal Villán (voc.), Francisco Gámiz Pérez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Farmacia por la Universidad Complutense de Madrid y la Universidad de Alcalá
• Menciones:
  • Industrial
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La crisis global de COVID-19 puso en valor la necesidad crítica de herramientas de diagnóstico rápidas y sensibles en situaciones de emergencia sanitaria. En ese momento, los métodos de diagnóstico disponibles para la detección del SARS- CoV-2 presentaban diversas limitaciones, como largos tiempos de procesamiento, la necesidad de personal y equipos de laboratorio especializados y una sensibilidad reducida en las etapas tempranas de la infección. Los biosensores, por su parte, representan una solución prometedora para superar estas limitaciones, ya que permiten realizar una detección en tiempo real, sin procesamiento de muestra y con altas sensibilidad y selectividad. La incorporación de nanomateriales bidimensionales, en particular el grafeno, debido a sus excelentes propiedades eléctricas, en este tipo de dispositivos médicos representa una estrategia innovadora con el potencial de revolucionar el campo diagnóstico. Más concretamente, los biosensores basados en transistores de efecto de campo de grafeno (GFET) han sido identificados como candidatos prometedores para esta aplicación.

    Sin embargo, el grafeno por sí solo no es selectivo para la detección biológica; para funcionar eficazmente como biosensor, debe ser funcionalizado y modificado con biomole culas que permitan el reconocimiento específico del agente a detectar. A pesar de los avances en el desarrollo de biosensores GFET, la relación entre la modificación de la superficie del grafeno y su efecto en los para metros de detección sigue sin estar completamente clara.

    Así , el objetivo general de esta tesis es realizar un estudio en profundidad sobre el diseño o y la funcionalización de biosensores GFET para su aplicación en diagnóstico viral, con especial énfasis en la optimización de la biofuncionalización de la superficie de grafeno para mejorar la eficiencia de detección, la reproducibilidad y la sensibilidad.

    En ma s detalle, la tesis se centra en analizar la influencia de la funcionalización controlada de la superficie de grafeno en los para metros de detección de un biosensor GFET, mediante una estrategia innovadora de inmovilización orientada de un anticuerpo IgG anti-spike del SARS-CoV-2. Además, aborda una limitación clave de los biosensores GFET-el efecto de la longitud de Debye- empleando un fragmento de anticuerpo de cadena sencilla (scFv) anti-spike del SARS-CoV-2, obtenido mediante la tecnología de phage display. Este estudio evalúa como impacta la reducción la distancia entre la zona de reconocimiento antígeno-anticuerpo y la superficie de grafeno sobre la sensibilidad y el rendimiento del sensor. Por último, se centra en el diagnóstico diferencial del SARS-CoV-2 y los virus de Influenza A/B mediante un biosensor GFET diseñado con una biofuncionalización controlada y orientada. Con ello, se busca demostrar la capacidad del sensor para distinguir entre distintos virus, garantizando una detección precisa y confiable en aplicaciones clínicas.

    En su conjunto, los resultados obtenidos confirman la hipo tesis de que una funcionalización adecuada de los biosensores GFET mejora significativamente su rendimiento diagnóstico. Este avance no solo abre nuevas posibilidades en la detección de virus, sino que también representa un hito en el campo del diagnóstico en general, evidenciando el impacto de una ingeniería precisa de superficies en la eficiencia y fiabilidad de los biosensores

  • English

    The global CÓVID-19 crisis has highlighted the critical necessity for disposing a highly sensitive diagnostic tools in a context of sanitary emergences. The available diagnostic methods for detecting SARS-CoV-2 at that moment faced several limitations, including lengthy processing times, the need for specialized laboratory equipment, and reduced sensitivity in early infection stages. Biosensors offer a promising solution to overcome these limitations by enabliñg real-time, label-free detection with high sensitivity and portability. The use of two-dimensional nanomaterials, particularly graphene with its excellent electrical properties, into these types of medical devices represents an innovative strategy with the potential to revolutionize diagnostics. More concretely, graphene field-effect transistor (GFET) biosensors have been identified as potential candidates for this purpose