Mobile Biosensorik auf Basis funktionalisierter, nanostrukturierter, optischer Wellenleiter

Jahns, Sabrina

In dieser Arbeit wird ein kompakter Biosensor zur mobilen, markerfreien Detektion von mehreren Proteinen präsentiert. Ein photonischer Kristall, der mit Rezeptoren lokal funktionalisiert ist, dient hier als optischer Signalumwandler. Dafür wurden zwei Herstellungsprozesse zur Vervielfältigung von photonischen Kristallen und zwei Prozesse zur lokalen und kovalenten Anbindung von Rezeptoren an die Kristalloberfläche entwickelt. Zur Auslesung dieses photonischen Kristall-Sensors wurden verschiedene intensitätsbasierte Messsysteme in Form von zwei Smartphone-Adaptern und einem Kamera-basierten Messgerät evaluiert. Diese Messsysteme wandeln die Proteinanbindung an die Sensoroberfläche in ein Intensitätssignal um, über dessen Amplitude die Proteinkonzentration bestimmt werden kann. Mit dem Kamera-basierten Messgerät konnte die parallele und spezifische Anbindung der drei Proteine CD40 Ligand Antikörper (13.5 μg/ml), EGF Antikörper (13.5 μg/ml) und Streptavidin (30 μg/ml) anhand von sechs Rezeptorstellen nachgewiesen werden. In einem weiteren Experiment ist die detektierbare Konzentration des Proteins CD40 Ligand Antikörper auf 1,35 μg/ml reduziert worden. Um die Detektionsgrenze weiter zu verbessern, werden hier photonische Kristalle mit einer multi- und aperiodischen Gitterstruktur simulativ und experimentell untersucht.Zusätzlich wurde ein Testchip zur Filterung von Vollblut und für die bildgebende, markerfreie Detektion von mehreren Risikomarkern entworfen. Dieser beinhaltet Kapillarkanäle zum Transport des Blutes, eine Filtermembran und eine Sensorkammer, in der der photonische Kristall-Sensor eingeklebt wird. Die Eigenschaften des Testchips wurden evaluiert und die Assoziation von 500 nmol/l Biotin in Puffer an zwei Bindungsstellen und in Vollblut an einer Bindungsstelle kann im Intensitätssignal beobachtet werden. Abschließend wurden mono- und zweiperiodische Gitter in nanostruktierten Wellenleitern zur Steigerung des Fluoreszenzsignals für die Marker-basierte Biosensorik experimentell und theoretisch betrachtet.

In this thesis a compact biosensor for mobile, label-free detection of multiple proteins is presented. A photonic crystal functionalized with specific receptors forms the optical transducer. Two fabrication processes to duplicate photonic crystals as well as two processes for coupling the receptors covalently and locally to the crystal surface are developed. Different intensity based measuring systems are evaluated in the form of two smartphone adapters and a camera-based measuring instrument to read-out the photonic crystal sensor. These measuring systems transform the binding kinetics of the protein into a detectable intensity signal, whose amplitudes can be used to determine protein concentration. With the compact, camera-based measuring instrument the parallel and specific association of the three proteins CD40 ligand antibody (13.5 μg/ml), EGF antibody (13.5 μg/ml) and streptavidin (30 μg/ml) could be observed on six binding positions. In a further experiment the detectable protein concentration is reduced down to 1.35 μg/ml for CD40 ligand antibody. To improve the limit of detection photonic crystals with multiperiodic and aperiodic grating structures are investigated in simulation and in experiment. Additionally, a test chip for human blood filtration and imaging label-free detection of multiple biomarkers is designed. The chip contains capillary channels for blood transportation, a filter membrane and a cavity open on one side for sensor bonding. The performance of the test chip is evaluated and the accociaten of 500 nmol/l biotin in buffer on two receptor positions and in human blood on one receptor position is observed in the intensity signal. Concluding monoperiodic and twoperiodic gratings in nanostructured waveguides are investigated in experiment and in simulation to enhance the fluorescence signal of labelled biosensors.

Quote

Citation style:

Jahns, Sabrina: Mobile Biosensorik auf Basis funktionalisierter, nanostrukturierter, optischer Wellenleiter.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export