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Development of a microfluidic paper-based device for the detection and quantification of aluminium in urine : implications for Alzheimer's disease prevention and diagnosis
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Authors
Abstract(s)
This thesis reports a complete assessment of the development and application of a microfluidic paper-based analytical device (µPAD) for the quantitative detection of aluminium in urine, with considerable implications for Alzheimer's disease (AD) research and diagnostics. The core of the research focuses on the design, fabrication, and optimisation of a novel µPAD. This device utilizes the principles of capillary action and colorimetric detection to reach rapid and sensitive aluminium quantification. The µPAD's performance is rigorously assessed against established analytical methods, with particular emphasis on sensitivity, specificity, and reproducibility in complex urinary matrices. A key innovation of this work is centred on the integration of a carefully selected chromogenic reagent system within the paper substrate, enabling visual and instrumental quantification of aluminium. The study clarifies the chemical mechanisms essential the colorimetric reaction and explores strategies to enhance signal intensity and stability. Statistical analyses are employed to confirm the µPAD's analytical performance, including limit of detection (LOD) of 0.12 mg/L, limit of quantification (LOQ) of 0.40 mg/L, linear range, and inter- and intra-assay variability. The device's robustness is further evaluated through recovery studies and analysis of real urine samples from a cohort of subjects. This research contributes to the field of AD diagnostics by providing a cost-effective, portable, and user-friendly tool for aluminium detection in urine. The developed µPAD shows potential for both clinical and epidemiological applications, potentially facilitating early detection of elevated aluminium levels and monitoring of AD progression. Furthermore, this work lays the groundwork for future investigations into the utility of urinary aluminium as a biomarker for AD risk assessment and therapeutic monitoring.
Esta tese apresenta uma avaliação do desenvolvimento e aplicação de um microfluidic paper-based analytical device (µPAD) para a deteção quantitativa de alumínio na urina, com consideráveis implicações para a pesquisa e diagnóstico da doença de Alzheimer (DA). O estudo baseia-se na hipótese da implicação do alumínio na patogénese da DA, que indica uma relação causal potencial entre o acumular de alumínio nos tecidos neurais e o início dos processos neurodegenerativos. A metodologia de investigação inclui uma abordagem diversificada, começando com uma avaliação crítica da urina como uma matriz biológica não invasiva para a quantificação de alumínio. É realizada uma análise estruturada das abordagens analíticas atuais, incluindo espectrometria de absorção atómica (AAS) e espectrometria de emissão ótica por plasma acoplado indutivamente (ICP-OES), para estabelecer um modelo de desempenho analítico e identificar áreas para potenciais melhorias. O núcleo da pesquisa foca-se no design, fabricação e otimização de um novo µPAD. Este dispositivo utiliza os princípios da ação capilar e da deteção colorimétrica para executar uma quantificação rápida e sensível de alumínio. O desempenho do µPAD é rigorosamente avaliado através da comparação com métodos analíticos estabelecidos, com ênfase particular na sensibilidade, especificidade e reprodutibilidade em matrizes urinárias complexas. A chave da inovação deste trabalho centra-se na integração de um sistema de reagente cromogénico cuidadosamente selecionado dentro do substrato de papel, permitindo a quantificação visual e instrumental do alumínio. O estudo esclarece os mecanismos químicos essenciais à reação colorimétrica e explora estratégias para aumentar a intensidade e estabilidade do sinal. Análises estatísticas são empregues para confirmar o desempenho analítico do µPAD, incluindo o limite de deteção (LOD) de 0,12 mg/L, limite de quantificação (LOQ) de 0,40 mg/L, linear range e variabilidade inter- e intraensaio. A robustez do dispositivo é ainda avaliada através de estudos de recuperação e análise de amostras reais de urina de um grupo de dadores. Este dispositivo contribui para o diagnóstico da DA ao fornecer uma ferramenta económica, portátil e fácil de usar para a deteção de alumínio na urina. O µPAD desenvolvido mostra potencial tanto para aplicações clínicas quanto epidemiológicas, podendo facilitar a deteção precoce de níveis elevados de alumínio e a monitorização da progressão da DA. Além disso, este trabalho estabelece as bases para futuras investigações sobre a utilidade do alumínio na urina como biomarcador para a avaliação do risco da DA e monitorização terapêutica.
Esta tese apresenta uma avaliação do desenvolvimento e aplicação de um microfluidic paper-based analytical device (µPAD) para a deteção quantitativa de alumínio na urina, com consideráveis implicações para a pesquisa e diagnóstico da doença de Alzheimer (DA). O estudo baseia-se na hipótese da implicação do alumínio na patogénese da DA, que indica uma relação causal potencial entre o acumular de alumínio nos tecidos neurais e o início dos processos neurodegenerativos. A metodologia de investigação inclui uma abordagem diversificada, começando com uma avaliação crítica da urina como uma matriz biológica não invasiva para a quantificação de alumínio. É realizada uma análise estruturada das abordagens analíticas atuais, incluindo espectrometria de absorção atómica (AAS) e espectrometria de emissão ótica por plasma acoplado indutivamente (ICP-OES), para estabelecer um modelo de desempenho analítico e identificar áreas para potenciais melhorias. O núcleo da pesquisa foca-se no design, fabricação e otimização de um novo µPAD. Este dispositivo utiliza os princípios da ação capilar e da deteção colorimétrica para executar uma quantificação rápida e sensível de alumínio. O desempenho do µPAD é rigorosamente avaliado através da comparação com métodos analíticos estabelecidos, com ênfase particular na sensibilidade, especificidade e reprodutibilidade em matrizes urinárias complexas. A chave da inovação deste trabalho centra-se na integração de um sistema de reagente cromogénico cuidadosamente selecionado dentro do substrato de papel, permitindo a quantificação visual e instrumental do alumínio. O estudo esclarece os mecanismos químicos essenciais à reação colorimétrica e explora estratégias para aumentar a intensidade e estabilidade do sinal. Análises estatísticas são empregues para confirmar o desempenho analítico do µPAD, incluindo o limite de deteção (LOD) de 0,12 mg/L, limite de quantificação (LOQ) de 0,40 mg/L, linear range e variabilidade inter- e intraensaio. A robustez do dispositivo é ainda avaliada através de estudos de recuperação e análise de amostras reais de urina de um grupo de dadores. Este dispositivo contribui para o diagnóstico da DA ao fornecer uma ferramenta económica, portátil e fácil de usar para a deteção de alumínio na urina. O µPAD desenvolvido mostra potencial tanto para aplicações clínicas quanto epidemiológicas, podendo facilitar a deteção precoce de níveis elevados de alumínio e a monitorização da progressão da DA. Além disso, este trabalho estabelece as bases para futuras investigações sobre a utilidade do alumínio na urina como biomarcador para a avaliação do risco da DA e monitorização terapêutica.
Description
Keywords
Microfluidic paper-based analytical device (µPAD) Aluminum detection Urine analysis Alzheimer's disease (AD) Neurodegenerative processes Non-invasive biological matrix Capillary action Colorimetric detection Chromogenic reagent system Biomarker Deteção de alumínio Análise de urina Doença de Alzheimer (DA) Processos neurodegenerativos Matriz biológica não invasiva Ação capilar Deteção colorimétrica Sistema de reagente cromogénico Biomarcador
Pedagogical Context
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