Agarose-stabilized colloidal SERS sensors for the reliable detection of the antiepileptic drug Carbamazepine

In my Master Thesis I explored the production and characterization of new sensors where agarose is exploited to stabilize silver colloids used as SERS substrates for therapeutic drug monitoring (TDM) of antiepileptic drugs (AEDs). The case of Carbamazepine (CBZ) drug was selected because of its widespread use in treating Epilepsy, especially in Developing Countries. This kind of application requires sensitive sensors and reliable detection techniques, because of the implications of TDM in the clinical treatment of Epilepsy to improve the quality of life of patients. In this scenario, the straightforward use of SERS and silver colloids, even if very sensitive in qualitatively detecting analytes, is not acceptable because of its strong limitations in quantitative detection, mainly arising from uncontrolled aggregation. This is also well reflected by the lack of scientific literature on this specific subject. Herein I explored several strategies to stabilize silver colloids with agarose thus obtaining a SERS-active gel very versatile, stable and providing strong signal from CBZ-related species chemisorbed on silver nanoparticles. Application of the agarose SERS sensors to a series of controlled water solutions of CBZ has shown fairly reliable SERS quantification. Furthermore, through differential diffusion in the agarose sensor of CBZ with respect to the biomolecules present in human plasma it has been possible to detect the presence of the drug even in this very complex medium. This is a promising result which could pave the way for the clinical application of this sensor.

Nella mia tesi magistrale ho esplorato la produzione e caratterizzazione di un nuovo sensore, nel quale l'agarosio è stato sfruttato per stabilizzare un colloide d'argento poi utilizzato come substrato SERS per monitoraggio terapeutico di un farmaco antiepilettico. Il caso della Carbamazepina (CBZ) è stato scelto in quanto questo farmaco è di largo impiego nella terapia dell’epilessia, specialmente nei Paesi in via di sviluppo. Questo tipo di applicazione richiede sensori e tecniche di rilevamento affidabili in quanto il corretto monitoraggio terapeutico dei farmaci nel trattamento dell'epilessia può migliorare significativamente la qualità di vita dei pazienti. In questo scenario, l’utilizzo diretto della tecniche SERS e dei colloidi d'argento (pur se molto sensibili), non è accettabile a causa dei forti limiti alla quantificazione precisa dell’analita, dovuti principalmente a fenomeni non controllati di aggregazione dei colloidi stessi. Non a caso nella letteratura scientifica sono molto pochi gli esempi di applicazioni quantitative del SERS con colloidi di argento o oro. In questo lavoro sono mostrate varie strategie per stabilizzare colloidi d'argento con agarosio e ottenere un gel SERS-attivo molto versatile, stabile e in grado di fornire un segnale intenso originato da un derivato della CBZ chemisorbito sulle nanoparticelle d'argento. L'utilizzo dei sensori SERS in agarosio ha mostrato di poter quantificare in modo sufficientemente affidabile la CBZ in una serie di soluzioni acquose a concentrazione nota. Inoltre, è stato possibile identificare la molecola anche in un ambiente molto complicato come il plasma sanguigno umano, grazie alla diversa velocità di diffusione della CBZ nell'agarosio rispetto alle altre biomolecole presenti. Quest'ultimo risultato è estremamente promettente e può aprire la strada ad eventuali applicazioni cliniche.