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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-527112
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.52711
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 25 July 2023 |
| Referee: | Prof. Dr. Antje J. Bäumner |
| Date of exam: | 25 July 2022 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, formerly Prof. Wolfbeis) |
| Keywords: | silver nanoparticle, electrochemical biosensor, point-of-care, clinical analysis, blood analysis, differential pulse voltammetry, microfluidic |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 52711 |
Abstract (English)
In this thesis, the beneficial properties of silver nanoparticles (AgNPs) are employed in the development of electrochemical assays for clinical analysis. AgNPs are the most abundant commercialized nanocompound with a production of 350 t per year. Besides their manifold uses based on their antibacterial, antiviral, antifungal and antimicrobial properties, e.g. in coating of medicinal products, ...
Abstract (English)
In this thesis, the beneficial properties of silver nanoparticles (AgNPs) are employed in the development of electrochemical assays for clinical analysis. AgNPs are the most abundant commercialized nanocompound with a production of 350 t per year. Besides their manifold uses based on their antibacterial, antiviral, antifungal and antimicrobial properties, e.g. in coating of medicinal products, they are also employed for various clinical biosensors. While most sensing applications rely on optical detection techniques such as surface plasmon resonance (SPR), surface-enhanced-Raman-scattering (SERS), metal-enhanced fluorescence (MEF) or fluorescence emission, there has been some research in the field of electrochemical biosensors using AgNPs, as well. They are used for modification of the electrode surface or less commonly as labels. The suitability for the use of the respective biosensor at the point-of-care (POC) was assessed carefully based on criteria like ease of handling, storage ability, cost, time consumption and need of sample pretreatment.
Sandwich Immunoassay for NT-proBNP Detection
The first experimental part of this work focuses on the benefit of using AgNPs as electrochemical label, instead of the more commonly employed gold nanoparticles (AuNPs). Using an electrochemical detection strategy with a sequence of oxidation and reduction reactions, lowest limits of detection (LODs) were reached for both metallic nanoparticles (mNPs). When exchanging gold with silver in a simple sandwich immunoassay for the blood biomarker N-terminal prohormone brain natriuretic peptide (NT-proBNP) on screen-printed carbon electrodes (SPCEs), the LOD is decreased by a factor of 6, while maintaining the same or better assay reliability and ease of surface functionalization. Moreover, the addition of hydrochloric acid, inevitable for the electrochemical detection of gold due the high Au stability, is removed. This makes the AgNP assay better suited for POC applications. In order to adjust the procedure better to the needs at the POC, i.e. ease of handling and miniaturization, while increasing the analytical performance, this assay was transferred into a microfluidic chip. The chip comprises the SPCE, double-sided adhesive tape with cut out channel design and a PMMA top with in- and outlet as well as a cavity on the inside. This renders it low-cost and easy to produce and enables the integration of all-dried reagents into one chip. The use of a trehalose matrix in combination with a suitable oxygen scavenger stabilizes the AgNPs against oxidation by air oxygen and renders the chips stable over 18 weeks at 4 °C. With a LOD of 0.26 ng·mL-1 in buffer and 0.56 ng·mL-1 in undiluted human serum, the microfluidic sensor exhibits a sensitivity below the clinically relevant threshold for chronic heart failure (HF) of 1 ng·mL-1. Also, the reproducibility is greatly increased with a mean standard deviation (SD) of 6% in comparison to the standard immunoassay with 15%.
Aggregation Assay for Creatinine Detection
The second experimental part shows the development of an electrochemical aggregation assay for the detection of the renal function biomarker creatinine. In neutral or slightly acidic medium, picric acid (PA) interacts selectively with the tautomeric form of creatinine, while creatinine molecules form hydrogen bonds among each other as well. AgNPs can be functionalized with PA via electrostatic interactions. These picric acid-modified AgNPs (PA-AgNPs) aggregate in the presence of creatinine and the grade of aggregation is a measure for the concentration of the analyte. This system was employed by others in combination with an optical detection. Here, an electrochemical detection via differential pulse voltammetry (DPV) is investigated, which is based on the increasing distance between AgNP and electrode surface upon aggregation. Different nanoparticle (NP) sizes and modifications were tested and 10 nm AgNPs modified with 10 μM PA are ideal for electrochemical detection and show effective aggregation. To render it accessible for POC strategies, the detection was transferred into an all-dried approach without any loss of performance. It was found that the sensitivity can be controlled by changes in the PA-AgNP to sample ratio making the assay easily adjustable to various matrices with different concentration ranges. With a 2:3 ratio, a LOD as low as 76 μM was reached with a mean SD of 12%. This system was also successfully applied in 1:10 diluted synthetic urine (surin) matrix covering a majority of the physiological range (0.4-2 mM in 1:10 diluted surin) without further optimization.
Translation of the abstract (German)
In dieser Dissertation werden die vorteilhaften Eigenschaften von Silbernanopartikeln bei der Entwicklung elektrochemischer Assays für die klinische Analyse genutzt. AgNPs sind die am häufigsten kommerzialisierte Nanoverbindung mit einer Produktion von 350 t pro Jahr. Neben ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten aufgrund ihrer antibakteriellen, antiviralen, antimykotischen und antimikrobiellen ...
Translation of the abstract (German)
In dieser Dissertation werden die vorteilhaften Eigenschaften von Silbernanopartikeln bei der Entwicklung elektrochemischer Assays für die klinische Analyse genutzt. AgNPs sind die am häufigsten kommerzialisierte Nanoverbindung mit einer Produktion von 350 t pro Jahr. Neben ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten aufgrund ihrer antibakteriellen, antiviralen, antimykotischen und antimikrobiellen Eigenschaften, z.B. in der Beschichtung von medizinischen Produkten, werden sie auch für verschiedene klinische Biosensoren eingesetzt. Während die meisten Sensoranwendungen auf optischen Detektionstechniken wie SPR, SERS, MEF oder Fluoreszenzemission beruhen, wurde auch auf dem Gebiet der elektrochemischen Biosensoren mit AgNPs geforscht. Sie werden zur Modifikation der Elektrodenoberfläche oder seltener als Marker verwendet. Die Eignung für den Einsatz des jeweiligen Biosensors am Point-of-Care wurde anhand von Kriterien wie einfache Handhabung, Lagerfähigkeit, Kosten, Zeitaufwand und Notwendigkeit der Probenvorbehandlung sorgfältig bewertet.
Sandwich-Immunoassay für die Detektion von NT-proBNP
Der erste experimentelle Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Vorteile der Verwendung von AgNPs als elektrochemischer Marker anstelle der häufiger verwendeten Goldnanopartikel. Unter Verwendung einer elektrochemischen Nachweisstrategie mit einer Folge von Oxidations- und Reduktionsreaktionen wurden niedrigste Nachweisgrenzen für beide metallischen Nanopartikel erreicht. Beim Austausch von Gold gegen Silber in einem einfachen Sandwich-Immunoassay für den Blutbiomarker NT-proBNP auf siebgedruckten Kohlenstoffelektroden wird der LOD um den Faktor 6 verringert, während die gleiche oder bessere Assay-Zuverlässigkeit und einfache Oberflächenfunktionalisierung beibehalten werden. Außerdem entfällt der für den elektrochemischen Nachweis von Gold aufgrund der hohen Au-Stabilität unumgängliche Zusatz von Salzsäure. Dadurch eignet sich der AgNP-Assay besser für POC-Anwendungen. Um das Verfahren besser an die Bedürfnisse am POC anzupassen, d. h. einfache Handhabung und Miniaturisierung, bei gleichzeitiger Erhöhung der analytischen Leistung, wurde dieser Assay in einen mikrofluidischen Chip überführt. Der Chip besteht aus einer SPCE, doppelseitigem Klebeband mit ausgeschnittenem Kanaldesign und einer PMMA-Oberseite mit Ein- und Auslass sowie einem Hohlraum auf der Innenseite. Dies macht es günstig und einfach herzustellen und ermöglicht die Integration aller getrockneten Reagenzien in einen Chip. Die Verwendung einer Trehalose-Matrix in Kombination mit einem geeigneten Sauerstofffänger stabilisiert die AgNPs gegen Oxidation durch Luftsauerstoff und macht die Chips über 18 Wochen bei 4 °C stabil. Mit einer LOD von 0,26 ng·mL-1 in Puffer und 0,56 ng·mL-1 in unverdünntem Humanserum weist der mikrofluidische Sensor eine Sensitivität unterhalb der klinisch relevanten Schwelle für chronische Herzinsuffizienz von 1 ng·mL-1 auf. Die Reproduzierbarkeit ist mit einer mittleren Standardabweichung von 6 % im Vergleich zum Standard-Immunoassay mit 15 % stark erhöht.
Aggregations-Assay für die Detektion von Kreatinin
Der zweite experimentelle Teil zeigt die Entwicklung eines elektrochemischen Aggregationsassays zum Nachweis des Nierenfunktions-Biomarkers Kreatinin. In neutralem oder leicht saurem Medium interagiert Pikrinsäure selektiv mit der tautomeren Form von Kreatinin, während Kreatinin-Moleküle auch untereinander Wasserstoffbrückenbindungen eingehen. AgNPs können über elektrostatische Wechselwirkungen mit PA funktionalisiert werden. Diese Pikrinsäure-modifizierten AgNPs aggregieren in Anwesenheit von Kreatinin und der Grad der Aggregation ist ein Maß für die Konzentration des Analyten. Dieses System wurde schon von Anderen in Kombination mit einer optischen Detektion eingesetzt. Hier wird eine elektrochemische Detektion mittels DPV untersucht, die auf dem zunehmenden Abstand zwischen AgNP und Elektrodenoberfläche bei Aggregation basiert. Es wurden verschiedene Nanopartikel-Größen und -Modifikationen getestet, und 10-nm-AgNPs, modifiziert mit 10 μM PA, sind ideal für die elektrochemische Detektion und zeigen eine effektive Aggregation. Um sie für POC-Strategien zugänglich zu machen, wurde die Detektion ohne Performanceverlust in einen All-Dryed-Ansatz überführt. Es wurde festgestellt, dass die Empfindlichkeit durch Änderungen des PA-AgNP-zu-Probe-Verhältnisses gesteuert werden kann, wodurch der Assay leicht an verschiedene Matrizes mit unterschiedlichen Konzentrationsbereichen angepasst werden kann. Bei einem Verhältnis von 2:3 wurde ein niedriger LOD von 60 μM mit einer mittleren SD von 16 % erreicht. Dieses System wurde auch ohne weitere Optimierung erfolgreich in einer 1:10 verdünnten Matrix aus synthetischem Urin angewendet, die einen Großteil des physiologischen Bereichs abdeckt (0,4–2 mM in 1:10 verdünntem Surin).
Metadata last modified: 25 Jul 2023 05:07
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