[en] The aim of this PhD Thesis is the application of the optical properties of gold nanomaterials in the development of photonic biosensors for the determination of clinically relevant biomarkers. During this work, various gold nanomaterials have been synthetized, characterized and implemented in different biosensing schemes using both enzymes and antibodies as biological recognition elements. In fact, it was possible to develop novel nanobiosensing schemes with better analytical characteristics than the traditional ones, such as improved sensitivity and point-of-care adaptability. In all cases, the great selectivity reached was based on the selection of appropriate biological receptors for each target analyte and the optimization of their oriented binding to the corresponding nanomaterial. This allowed ensuring the most effective transduction between the biological recognition and the photonic mechanisms involved in each case. In particular, in this Thesis, new enzymatic nanobiosensors were developed using gold nanoclusters as Vis-NIR luminescent labels, avoiding the drawbacks of conventional fluorophores, such as chemical degradation and the existence of spectral interferences in biological samples. For this, two lines of research were explored; a) the covalent binding of gold nanoclusters close to the active site of a redox enzyme to promote an energy transfer phenomena that allow the fluorescent determination of the target analytes, and b) to take advantage of the quenching of gold nanoclusters fluorescence by oxygen to monitor oxidoreductase enzymatic reactions. The design of gold nanomaterials by means of directed and specific synthesis with biological recognition ligands (enzymes) was also proposed to explore two different NP-synthetic driven sensory concepts: a) the in-situ synthesis of gold nanomaterials by means of the reducing residues of the enzyme and b) the formation of gold nanoparticles taking advantage of the redox properties of the enzyme triggered by its interaction with the substrate. In all cases, the optical signal of the generated nanomaterial is related to the concentration of the target analyte. Finally, this Thesis has also explored the development of photothermal plasmonic immuno-nanobiosensors, based on the use of gold nanoprism bound to antibodies which can act as physicochemical transducers of the biological recognition of the analyte generating a quantifiable thermal signal. The use of gold nanoprism as thermal labels was implemented in biosensing schemes commonly used and therefore well accepted in the clinic (ELISA: Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay, and LFIA: lateral flow immunoassay). This allowed the development of a novel thermal-based concept of these traditional biosensing schemes (Thermo-LISA and Thermo-LFIA) with not only better analytical characteristics but also with real possibilities of transference to the market in the short-medium term. The optimization and the evaluation of the analytical response of the developed nanobiosensors, has allowed the quantitative determination of relevant analytes for cancer detection (gastrointestinal and prostate cancer biomarkers), control food quality (biogenic amines) and for other biomedical applications such as the determination of neurotransmitters (acetylcholine), and amino acids (L-phenylalanine) related to specific diseases.

[es] El objetivo de esta Tesis Doctoral es la aplicación de las propiedades ópticas de los nanomateriales de oro en el desarrollo de biosensores fotónicos para la determinación de biomarcadores clínicamente relevantes. Durante este trabajo, se han sintetizado, caracterizado e implementado varios nanomateriales de oro en diferentes esquemas de biodetección utilizando tanto enzimas como anticuerpos como elementos de reconocimiento biológico. De hecho, fue posible desarrollar nuevos esquemas de nanobiodetección con mejores características analíticas que las tradicionales, como sensibilidad mejorada y adaptabilidad en el punto de atención. En todos los casos, la gran selectividad alcanzada se basó en la selección de receptores biológicos apropiados para cada analito diana y la optimización de su unión orientada al nanomaterial correspondiente. Esto permitió asegurar la transducción más efectiva entre el reconocimiento biológico y los mecanismos fotónicos involucrados en cada caso. En concreto, en esta Tesis se desarrollaron nuevos nanobiosensores enzimáticos utilizando nanoclusters de oro como etiquetas luminiscentes Vis-NIR, evitando los inconvenientes de los fluoróforos convencionales, como la degradación química y la existencia de interferencias espectrales en muestras biológicas. Para ello, se exploraron dos líneas de investigación; a) la unión covalente de nanoclusters de oro cerca del sitio activo de una enzima redox para promover un fenómeno de transferencia de energía que permita la determinación fluorescente de los analitos objetivo, y b) aprovechar la extinción de la fluorescencia de los nanoclusters de oro por oxígeno para monitorear reacciones enzimáticas de la oxidorreductasa. También se propuso el diseño de nanomateriales de oro mediante síntesis dirigida y específica con ligandos de reconocimiento biológico (enzimas) para explorar dos conceptos sensoriales diferentes impulsados por NP-sintéticos: a) la síntesis in-situ de nanomateriales de oro mediante la reducción de residuos de la enzima yb) la formación de nanopartículas de oro aprovechando las propiedades redox de la enzima desencadenadas por su interacción con el sustrato. En todos los casos, la señal óptica del nanomaterial generado está relacionada con la concentración del analito objetivo. Finalmente, esta Tesis también ha explorado el desarrollo de inmuno-nanobiosensores plasmónicos fototérmicos, basados en el uso de nanoprismas de oro unidos a anticuerpos que pueden actuar como transductores fisicoquímicos del reconocimiento biológico del analito generando una señal térmica cuantificable. El uso de nanoprismas de oro como etiquetas térmicas se implementó en esquemas de biodetección comúnmente utilizados y, por lo tanto, bien aceptados en la clínica (ELISA: Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay y LFIA: lateral flow immunoassay). Esto permitió desarrollar un novedoso concepto térmico de estos esquemas tradicionales de biosensores (Thermo-LISA y Thermo-LFIA) no solo con mejores características analíticas sino también con posibilidades reales de transferencia al mercado en el corto-medio plazo. La optimización y evaluación de la respuesta analítica de los nanobiosensores desarrollados, ha permitido la determinación cuantitativa de analitos relevantes para la detección de cáncer (biomarcadores de cáncer gastrointestinal y de próstata), control de calidad de alimentos (aminas biogénicas) y para otras aplicaciones biomédicas como la determinación de neurotransmisores (acetilcolina) y aminoácidos (L-fenilalanina) relacionados con enfermedades específicas.