Development of nanoparticle based technologies for food safety

Background Nanoscience and nanotechnology are highly promising and rapidly emerging areas for research and industrial innovation. Due to the remarkable physicochemical properties of manufactured nanomaterials, several promising applications were recently developed in the areas of agriculture and food production. Recently, a new method to synthesize superparamagnetic nanoparticles has been developed. These nanoparticles consist of stoichiometric maghemite, γ-Fe2O3, with unique spectroscopic properties and well-defined crystalline structure, and have been called “surface-active maghemite nanoparticles” (SAMNs). They form stable colloidal suspensions in water without any organic or inorganic coating to prevent their aggregation. At the same time, they are able to specifically and reversibly bind organic molecules, leading to composite colloidal materials, which can be exploited for biotechnological applications. In recent years nanotechnology was combined with various sensing techniques to develop the so-called "nano-sensors". Several promising applications were recently developed in the areas of agriculture and food production, with the capacity to impact both food industry and consumers. These sensors can be an effective alternative to the traditional methods for the detection of toxins and pathogens in food. Electrochemical detection is a popular method involving nanomaterial-based sensors with applications in the food industry. SAMNs show remarkable electrocatalytic properties and were used for the development of electrodes and biosensors. In this thesis, a set of different hybrids that include SAMNs are presented and the electrochemical features of the hybrids are reported. Results Tannic acid (TA), Quaternized Carbon Dots (Q-CD) and hexavalent chromium (CrVI) were successfully immobilized on SAMN surface. SAMN@TA was characterized using electrical impedance spectroscopy, voltammetry and chronoamperometry. The nanostructured ferric tannate interface showed improved conductivity and selective electrocatalytic activity toward the oxidation of polyphenols. A carbon-paste electrode modified with SAMN@TA was used for the determination of polyphenols in blueberry extracts by square-wave voltammetry. Q-CD @SAMN revealed specific electrocatalytic behavior toward the oxidation of phenols and the system was applied to develop a sensor for the coulometric determination of polyphenols from plant extracts. which displayed peculiar electrocatalytic properties attributable to the influence of the strong electrostatic interactions exerted by Q-CDs on the SAMN surface. The sensor is composed of a simple carbon paste electrode in a small volume electrochemical flow cell (1 μL), and is used for the complete direct electro-oxidation of polyphenols from plant extracts. Finally, SAMNs were successfully applied to remove CrVI from water. The hybrid SAMN@CrVI was used to immobilize bovine serum amine oxidase (BSAO) and this complex was electrochemical showed good performances toward H2O2 detection. SAMN@CrVI-BSAO was applied for the development of a polyamine biosensor, which was successfully exploited for the discrimination of tumorous and healthy tissues obtained from liver extracts. Conclusions Sensing strategies based on SAMNs offer unique advantages over other techniques. They are produced by a low-cost procedure, they are physically and chemically stable, biocompatible and environmentally safe. In this thesis, SAMNs were utilized to prepare three different hybrids and were successfully applied for the construction of three different electrochemical sensors, showing good performances, and successfully applied to real samples.

La nanoscienza e la nanotecnologia sono aree altamente promettenti e rapidamente emergenti per la ricerca e l'innovazione industriale. A causa delle notevoli proprietà fisico-chimiche dei nanomateriali prodotti, sono state recentemente sviluppate diverse applicazioni promettenti nelle aree dell'agricoltura e della produzione alimentare. Recentemente, è stato sviluppato un nuovo metodo per sintetizzare nanoparticelle superparamagnetiche. Queste nanoparticelle consistono di maghemite stechiometrica, γ-Fe2O3, con proprietà spettroscopiche uniche e struttura cristallina ben definita, e sono state chiamate surface active maghemite nanoparticles (SAMN). Formano sospensioni colloidali stabili in acqua senza alcun rivestimento organico o inorganico per impedire la loro aggregazione. Allo stesso tempo, sono in grado di legare in modo specifico e reversibile molecole organiche, portando a materiali colloidali compositi, che possono essere sfruttati per applicazioni biotecnologiche. Negli ultimi anni la nanotecnologia è stata combinata con varie tecniche di rilevamento per sviluppare i cosiddetti "nano-sensori". Diverse applicazioni promettenti sono state recentemente sviluppate nei settori dell'agricoltura e della produzione alimentare, con la capacità di influenzare sia l'industria alimentare che i consumatori. Questi sensori possono essere un'alternativa efficace ai metodi tradizionali per la rilevazione di tossine e patogeni negli alimenti. Il rilevamento elettrochimico è un metodo popolare che coinvolge sensori basati su nanomateriali con applicazioni nell'industria alimentare. Le SAMN mostrano notevoli proprietà elettrocatalitiche e sono stati utilizzati per lo sviluppo di elettrodi e biosensori. In questa tesi vengono presentati un insieme di diversi ibridi che includono SAMN e vengono riportate le caratteristiche elettrochimiche degli ibridi. Risultati L'acido tannico (TA), quantum dots di carbonio (Q-CD) e il cromo esavalente (CrVI) sono stati immobilizzati con successo sulla superficie del SAMN. SAMN@TA è stato caratterizzato mediante spettroscopia di impedenza elettrica, voltammetria e cronoamperometria. L'interfaccia di tannato ferrico nanostrutturata mostrava conduttività migliorata e attività elettrocatalitica selettiva verso l'ossidazione dei polifenoli. Un elettrodo di pasta di carbone modificato con SAMN@TA è stato utilizzato per la determinazione dei polifenoli negli estratti di mirtillo mediante voltammetria. Q-CD@SAMN ha rivelato un comportamento elettrocatalitico specifico verso l'ossidazione dei fenoli e il sistema è stato applicato per sviluppare un sensore per la determinazione coulometrica dei polifenoli dagli estratti vegetali. che mostrava proprietà elettrocatalitiche peculiari attribuibili all'influenza delle forti interazioni elettrostatiche esercitate dai Q-CD sulla superficie del SAMN. Il sensore è composto da un semplice elettrodo di pasta di carbone in una cella a flusso elettrochimico di piccolo volume (1 μL), ed è utilizzato per l'elettro-ossidazione diretta completa di polifenoli da estratti vegetali. Infine, i SAMN sono stati applicati con successo per rimuovere CrVI dall'acqua. L'ibrido SAMN@CrVI è stato utilizzato per immobilizzare l'ammina ossidasi del siero bovino (BSAO) e questo complesso era elettrochimico ha mostrato buone prestazioni per il rilevamento di H2O2. SAMN@CrVI-BSAO è stato applicato per lo sviluppo di un biosensore in poliammide, che è stato sfruttato con successo per la discriminazione dei tessuti tumorali e sani ottenuti da estratti di fegato. Conclusioni Le strategie di sensing basate sui SAMN offrono vantaggi unici rispetto ad altre tecniche. Sono prodotti con una procedura a basso costo, sono fisicamente e chimicamente stabili, biocompatibili e sicuri per l'ambiente. In questa tesi, i SAMN sono stati utilizzati per preparare tre diversi ibridi e sono stati applicati con successo per la costruzione di tre diversi sensori elettrochimici, mostrando buone prestazioni e applicati con successo a campioni reali.