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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-381660
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 19 Dezember 2019 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Antje J. Baeumner |
| Tag der Prüfung: | 19 Dezember 2018 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, ehemals Prof. Wolfbeis) |
| Stichwörter / Keywords: | Elektrochemilumineszenz;Liposome;Luminol |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 38166 |
Zusammenfassung (Englisch)
With the ascent of IT, and since Ashton has invented the term Internet of Things (IoT) in 1999, this future idea of connected machines that can do tasks and perform decision-control cycles without human input has become more and more attractive and is today an established future scenario. Obviously, in an IoT, “sensors for everything” are one crucial corner stone of its existence and Analytical ...
Zusammenfassung (Englisch)
With the ascent of IT, and since Ashton has invented the term Internet of Things (IoT) in 1999, this future idea of connected machines that can do tasks and perform decision-control cycles without human input has become more and more attractive and is today an established future scenario. Obviously, in an IoT, “sensors for everything” are one crucial corner stone of its existence and Analytical chemistry can and must deliver them. While many challenges towards a functioning IoT remain, we are on the verge of its beginning. This can be also seen with “Analytics 4.0” in research and on the market, tending to more IT-connected, portable, easier-controllable and integrated solutions. The entrance of mobility in the health sector or Point-of-Care (POC) diagnostics trends are alike influencing biosensing. Whether in mobile solutions or lab- and clinical environments, versatile, powerful and easy-to-adapt detection strategies like Electrochemiluminescence (ECL) are an attractive option.
The ECL molecules [Ru(bpy)3]2+ and luminol represent the most prominent and most abundantly investigated luminophores for ECL since Bard’s accomplishment to make ECL a well-known technique. Because both are also two of the most efficient ECL emitters that can be well-handled in bioanalysis, and are available on the market, they are still today frequently used in research and also commercial applications. To cope with current benchmarks of sensitive detection, however a combination with a certain signal enhancement strategy is recommended. Several different routes can here be employed and one option is dendrimers. PAMAM dendrimers can function as ECL coreactant in [Ru(bpy)3]2+-ECL via their amino groups and at the same time expose primary amino groups as possible bioconjugation elements. Exploring this multi-functionality of the dendrimers was investigated here. This was done on a model system employing PAMAM dendrimers with [Ru(bpy)3]2+-ECL together with biotin/streptavidin as biorecognition element and analyte, respectively. The dendrimer’s bi-functionality was successfully proven and a joint-role of a biorecognition element and a possible reporter function suggests an optimum application in homogeneous assays. A different toolset for ECL signal enhancement is offered by liposomes. Numerous signaling molecules can be encapsulated inside the inner cavity of these synthetic vesicles, while they provide protection from the environment and connection-functionality to probes via lipids and surface groups on the outside. That application was here explored, together with a newly synthesized luminol derivative obtained by a simple synthesis route from commercial starting materials and exhibiting a four times increased ECL efficiency versus standard luminol. That was necessary as a liposome enhancement was denied for the standard luminol through its poor aqueous solubility. The new m-carboxy luminol considerably improved this feature which allowed its own encapsulation in liposomes. The superior signal generation with this dual system was proven in a model sandwich hybridization assay which yielded a 150-times better detection performance than the equal fluorescence-based assay while being almost zero affected through matrices like serum, soil or river water. As such the good performance of luminol ECL together with liposomes for highly sensitive detection applications was demonstrated. A further necessary element with liposomal amplification, are surfactants to set free the signaling molecules. However, this case depicts only one example of a multitude of applications of surfactants in bioassays and biochemical methods. Hence, surfactants are commonly present solution constituents which also have to be considered in general with ECL because they can influence the ECL signals positively or negatively. This was further investigated for luminol ECL by exploring the effect of 13 different surfactants on the luminol ECL efficiency on four different electrode materials. A deeper understanding of the distinct effects was obtained by looking into ECL emission behavior, electrochemical effects, the surfaces and Chemiluminescence effects. After all, the revelation of a complicated mechanism that involves many contributing factors and as such directs signal quenching or enhancement is an important finding for assay design. In this way, the selection of a suitable surfactant is possible to exploit maximum reachable signal efficiencies.
A combination of signal enhancement tools like a better ECL molecule derivative, dendrimers, liposomes or surfactants has proven to boost the ECL performance considerably. A further means of signal enhancement is offered via miniaturization, which also makes the detection method better suited towards common application as liquid handling and easier automation are on hand. This can be used for single ECL assays or combinations of different ECL reagents in one system for multi-detection. Different strategies for the miniaturization of an ECL readout-capable system were investigated, taking requirements for [Ru(bpy)3]2+ and luminol as ECL reporters into account. This includes materials, electrochemical demands and simple design. Here, ITO electrodes – while advantageous for luminol ECL could not convince with their performance in [Ru(bpy)3]2+-ECL. Alternatively, laser scribed graphene electrodes have shown to be promising candidates for a future miniaturized system encompassing both, luminol and [Ru(bpy)3]2+ as ECL systems. Ultimately, the different signal amplifying strategies, investigated in this work that can be applied standalone or combined, offer a great toolset for state-of-the-art ECL detection applications in research and also for possible commercial applications.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Mit dem Aufstieg der Internettechnologie und seit Ashton 1999 den Begriff Internet of Things (IoT) prägte, ist diese Zukunftsidee von vernetzten Maschinen, die Aufgaben und Entscheidungs- und Kontrollzyklen ohne menschliches Zutun ausführen können, immer attraktiver geworden und heute ein etabliertes Zukunftsszenario. Für die dienliche Existenz eines IoT sind „Sensoren für alles“ ein ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Mit dem Aufstieg der Internettechnologie und seit Ashton 1999 den Begriff Internet of Things (IoT) prägte, ist diese Zukunftsidee von vernetzten Maschinen, die Aufgaben und Entscheidungs- und Kontrollzyklen ohne menschliches Zutun ausführen können, immer attraktiver geworden und heute ein etabliertes Zukunftsszenario. Für die dienliche Existenz eines IoT sind „Sensoren für alles“ ein entscheidender Grundpfeiler, welche die analytische Chemie liefern kann und muss. Während viele Herausforderungen für ein funktionierendes IoT bestehen bleiben, stehen wir kurz vor dem Beginn. Dies zeigt sich auch in der „Analytik 4.0“ sowohl in der Forschung als auch auf dem freien Markt, die zu mehr IT-vernetzten, portablen, einfacher steuerbaren und integrierten Lösungen neigt. Ob in mobilen Lösungen oder Labor- und klinischen Umgebungen - vielseitige, leistungsstarke und einfach zu adaptierende Detektionsstrategien wie Elektrochemilumineszenz (ECL) sind eine attraktive Option.
Die ECL-Moleküle [Ru(bpy)3]2+ und Luminol repräsentieren die bekanntesten und am häufigsten verwendeten Luminophore für ECL, seit der Pionierleistung von Bard ECL zu einer wohlbekannten Technik zu machen. Da beide zwei der effizientesten ECL-Emitter sind, die in der Bioanalytik gut gehandhabt werden können und kommerziell erhältlich sind, finden sie auch heute häufig in der Forschung und in kommerziellen Anwendungen Verwendung. Um zeitgemäßen Anforderungen für sensitive Nachweise zu entsprechen, ist jedoch eine Kombination mit verschiedenen Signalverbesserungsstrategien zu empfehlen. Hierzu können mehrere verschiedene Ansätze verwendet werden, wobei Dendrimere eine der Optionen darstellen. Polyamidoamin (PAMAM)-Dendrimere können mittels ihrer Aminogruppen als ECL-Coreactant in [Ru(bpy)3]2+-ECL fungieren und enthalten ebenso funktionelle primäre Aminogruppen, die eine Biokonjugation der Dendrimere ermöglichen. Für ein tieferes Verständnis dieser Multifunktionalität, wurden Dendrimere hier in ihrer Rolle als ECL-Coreactant parallel zu ihrer Funktion als Bioerkennungselements genutzt. Dies wurde an einem Modellsystem, mit PAMAM-Dendrimeren und [Ru(bpy)3]2+-ECL zusammen mit Biotin/Streptavidin als Bioerkennungselement bzw. Analyt untersucht. Die Nutzung der Bi-funktionalität der Dendrimere wurde erfolgreich gezeigt und ihre universelle Rolle als Bioerkennungselement und mögliche Reporterfunktionalität suggeriert eine optimale Anwendung in homogenen Assayformaten. Liposome stellen ein weiteres Werkzeug zur ECL-Signalverstärkung dar. Zahlreiche Signalmoleküle können dabei innerhalb des inneren Hohlraums dieser synthetischen Vesikel verkapselt werden, während diese Schutz vor der Umwelt und über Lipide, mit deren vielseitigen funktionellen Oberflächengruppen auf der Außenseite, eine einfache Kopplung zu Sonden ermöglichen. Diese Anwendung wurde hier zusammen mit einem neu synthetisierten Luminolderivat untersucht, das mittels eines einfachen Synthesewegs aus kommerziellen Ausgangsmaterialien erhalten wurde und eine vierfach höhere ECL-Effizienz als Standard-Luminol zeigte. Dies wurde notwendig, da eine Liposom-basierte Signalverstärkung mit Standard-Luminol aufgrund dessen schlechten Wasserlöslichkeit verwehrt wurde. Das neue m-Carboxy-Luminol verbesserte dieses Merkmal beträchtlich, was dessen eigene Verkapselung in Liposome ermöglichte. Die herausragende Eignung zur Signalerzeugung dieses dualen Systems wurde in einem Modell-Sandwich-Hybridisierungsassay nachgewiesen, der eine 150-fach bessere Detektionsleistung als der gleiche fluoreszenzbasierte Assay ergab, während ein möglicher Einfluß durch Matrizen wie Serum, Boden oder Flusswasser vernachlässigbar blieb. Anhand dieses Assays wurde die überragende Leistung von Luminol ECL kombiniert mit Liposomen für hochempfindliche Detektionsanwendungen offensichtlich. Ein weiteres notwendiges Element bei Liposom-basierter Verstärkung sind Tenside, zur kontrollierten Freisetzung der Signalmoleküle. Diese Nutzung von Tensiden stellt jedoch nur ein Beispiel aus einer Vielzahl an Anwendungen in Bioassays und biochemischen Verfahren dar. Daher sind Tenside üblicherweise vorhandene Lösungsbestandteile, die im Allgemeinen auch in der ECL berücksichtigt werden müssen, da sie die ECL-Signalintensität positiv oder negativ beeinflussen können. Dies wurde für Luminol-ECL untersucht, indem die Wirkung von 13 verschiedenen Tensiden auf die Luminol-ECL-Effizienz an vier verschiedenen Elektrodenmaterialien erforscht wurde. Ein tieferes Verständnis der verschiedenen Effekte wurde durch Untersuchungen des ECL-Emissionsverhaltens, der elektrochemischen Effekte, der Oberflächen und der Chemilumineszenzeffekte erworben. Dabei stellt die Entdeckung eines komplizierten Mechanismus, zu dem viele Faktoren beitragen und welcher die Signallöschung oder -verstärkung lenkt, einen wichtigen Befund für das Design neuer Assays dar. Auf diese Weise ist die Auswahl eines geeigneten Tensids möglich, um entweder die maximal erreichbare Signaleffizienz zu erhalten oder, falls dies nicht notwendig ist, die Wahl des bestgeeigneten Tensids auszunutzen.
Eine Kombination mit Signalverstärkungswerkzeugen wie beispielsweise einem verbesserten Derivats eines ECL Moleküls, Dendrimeren, Liposomen oder Tensiden kann die ECL-Leistung erheblich steigern. Eine weitere Möglichkeit zur Signalverbesserung bietet hier Miniaturisierung, die die Detektionsmethode auch hinsichtlich der allgemeinen Anwendung verbessert, da eine gesteuerte Handhabung von Flüssigkeiten und eine einfachere Automatisierung zur Verfügung stehen. Dies kann in einzelnen ECL-Assays oder bei Kombinationen von verschiedenen ECL-Reagenzien in einem System zur Mehrfachdetektion genutzt werden. Unterschiedliche Strategien zur Miniaturisierung eines Systems, das mit ECL-Detektion genutzt werden kann, wurden hier untersucht, wobei Anforderungen für [Ru(bpy)3]2+ und Luminol als ECL-Reporter berücksichtigt wurden. Dies beinhaltet Materialien, elektrochemische Anforderungen und einfaches Design. Hier konnten ITO-Elektroden - obwohl vorteilhaft für Luminol ECL - mit ihrer Leistung für [Ru(bpy)3]2+ -ECL nicht überzeugen. Alternativ haben sich laser-scribed-Graphen Elektroden als vielversprechende Kandidaten für ein zukünftiges miniaturisiertes System erwiesen, das sowohl zur ECL Detektion von Luminol als auch [Ru(bpy)3]2+ geeignet ist. Letztendlich bieten die verschiedenen Signalverstärkungsstrategien, die in dieser Arbeit untersucht wurden und die einzeln oder kombiniert angewendet werden können, einen umfassenden Werkzeugsatz für moderne ECL-Detektionsanwendungen in der Forschung und auch für zukünftige kommerzielle Anwendungen.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 15:43
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