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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-766152
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.76615
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 30 April 2025 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Antje Bäumner |
| Tag der Prüfung: | 28 März 2025 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, ehemals Prof. Wolfbeis) |
| Stichwörter / Keywords: | Elektrochemischer Sensor, Analytik, Glukose, Wasserstoffperoxid |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 76615 |
Zusammenfassung (Englisch)
Electrochemical sensors are ideal candidates for point-of-care diagnostics due to their low cost, sensitivity, and direct data readout. Nowadays, enzyme-based sensors dominate the electrochemical diagnostics market due to their outstanding selectivity. However, there are some drawbacks related to the use of enzyme like stability issues or high manufacturing costs. This thesis highlights the need ...
Zusammenfassung (Englisch)
Electrochemical sensors are ideal candidates for point-of-care diagnostics due to their low cost, sensitivity, and direct data readout. Nowadays, enzyme-based sensors dominate the electrochemical diagnostics market due to their outstanding selectivity. However, there are some drawbacks related to the use of enzyme like stability issues or high manufacturing costs. This thesis highlights the need for enzyme-free alternatives and provides a comprehensive overview of non-enzymatic sensors and their development. The definition, principles, and typical detection mechanisms of electrochemical sensing are explained. Various conventional strategies for fabricating enzyme-free electrochemical sensors, such as drop-casting, dip-coating, electro- and electroless deposition, screen/inkjet/3D-/roll-to-roll printing, and the emerging technology of laser scribing, are introduced and compared in terms of cost, complexity, mass production capability, and their individual pros and cons. Additionally, considerations regarding selectivity, sensitivity, and biofouling when applying these sensors to different matrices, such as clinical samples (blood, dermal interstitial fluid, sweat, saliva, urine, breath) and non-clinical samples (water from rivers, lakes, seas, food and beverages, cell culture media), are presented. Other challenges and potential solutions related to electrode fouling, measurements under physiological conditions, biocompatibility, long-term stability, storage, practical issues, and efficiency are also discussed.
In this thesis, a non-enzymatic electrochemical sensor based on laser-induced carbon nanofibers (LCNFs) for detecting hydrogen peroxide was developed. The working electrode was laser-scribed on polyimide nanofibers produced by electrospinning. These fibers contained either one or a mixture of both metal salts Pt(II)- and Ni(II)-acetylacetonate, which were converted to nanoparticles embedded within the LCNF during the laser treatment. The resulting nanoparticles consisted either of Pt- or Ni- metals and their oxides, or Pt-Ni-alloyed metal and its oxide in the case of a mixture. In the measurement setup, a Pt-wire and an Ag/AgCl electrode were used as the counter and reference electrodes, respectively, to investigate hydrogen peroxide detection. LCNFs with various compositions of the metal salts were tested towards the catalytic behavior to hydrogen peroxide and their selectivity. The best sensitivity (with a limit of detection (LOD) of 1.4 ± 0.4 μM) in an un-stirred approach was achieved by oxidizing hydrogen peroxide on a pure Pt-LCNF, but this led to unsatisfactory selectivity. Strategies such as increasing the metal content or using polymer coatings were applied to improve selectivity. Drop-coating the electrode with nylon also improved the recovery of hydrogen peroxide spiked in real matrices (undiluted and diluted human serum). Selectivity was further improved by reducing the measurement potential and switching from oxidation to reduction of hydrogen peroxide, although this came at the cost of sensitivity. Additionally, strategies to attach polyoxometalates as alternative catalysts onto the LCNF surface were explored but did not result in sensitive hydrogen peroxide detection.
A second project in this thesis focused on the non-enzymatic electrochemical detection of glucose under physiological conditions. It is well-known that glucose oxidation is catalyzed on Ni-surfaces at an alkaline pH. Therefore, the Pt/Ni-alloyed LCNF described in the previous project was used to efficiently generate a high local pH by an electrochemical pretreatment (-0.9 V for 20 s) on the Pt-sites of the LCNF, enabling glucose measurement on the Ni-sites of the alloy in a consecutive cyclovoltammetry measurement, even though the initial pH of the solution was 7.4. To enable long-term measurements, an electrochemical treatment after each measurement was introduced to clean the catalyst surface. After optimizing (i) the pretreatment, (ii) the catalyst cleaning, (iii) the measurement conditions, and (iv) the data treatment, glucose could be selectively detected in physiologically relevant concentrations with a LOD of 0.3 ± 0.1 mM. Furthermore, the aging of the electrode was investigated, where hydrophobicity is increasing with time, leading to a reduced contact between electrode and solution. To resolve this, a simple Tween-20 incubation was applied prior to measurement. Finally, the electrode performance was not affected after sterilization, and a recovery of 95 ± 10% in spiked, diluted human serum was achieved.
In the last project, pure Ni-LCNF were laser-scribed as a 3-electrode system (LCNF was used as the working, counter, and reference electrode) and used to detect glucose in simulated breath. Glucose solutions with concentrations similar to those present in lung fluids were nebulized, captured on the porous LCNFs, and electrochemically measured in NaOH solution. With optimized manufacturing, glucose-capturing, and measurement parameters, glucose was detected selectively using cyclovoltammetry and a ratiometric data readout. To simulate variations in lung fluid concentration (reflecting blood sugar level variations), various glucose concentrations of the nebulized solutions were captured, measured, and could be distinguished from each other.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Elektrochemische Sensoren erweisen sich durch ihre Zuverlässigkeit, Beständigkeit, geringen Kosten, Sensitivität sowie der Möglichkeit, direkt vor Ort ausgelesen zu werden, als ideale Kandidaten der Vor-Ort-Diagnostik. Heutzutage dominieren vor allem auf Enzym basierende Sensoren den elektrochemischen Diagnostikmarkt, da diese äußerst selektiv sind. Jedoch haben Enzyme durchaus Nachteil bezüglich ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Elektrochemische Sensoren erweisen sich durch ihre Zuverlässigkeit, Beständigkeit, geringen Kosten, Sensitivität sowie der Möglichkeit, direkt vor Ort ausgelesen zu werden, als ideale Kandidaten der Vor-Ort-Diagnostik. Heutzutage dominieren vor allem auf Enzym basierende Sensoren den elektrochemischen Diagnostikmarkt, da diese äußerst selektiv sind. Jedoch haben Enzyme durchaus Nachteil bezüglich ihrer Stabilität und Fabrikationskosten. In dieser Arbeit wird die Wichtigkeit nicht-enzymatischer Sensoren als Alternative hervorgehoben. Des Weiteren wird ein umfangreicher Überblick nicht-enzymatischer elektrochemischer Sensoren und deren Entwicklung gegeben, welche mit der allgemeinen Definition, dem Messprinzip und einem beispielhaften Reaktionsmechanismus beginnt. Verschiedene etablierte und neue Herstellungsmethoden der nicht-enzymatischen Sensoren werden vorgestellt und miteinander in den Punkten Kosten, Komplexität, Umsetzbarkeit in die Massenproduktion und individueller Vor- und Nachteile verglichen. Unter den diskutierten Methoden sind Beschichten durch Auftropfen, Tauchbeschichten, galvanische und stromlose Abscheidung, Sieb-/Tintenstrahl-/3D-/Rollen-Druck und das Karbonisieren mit Hilfe eines Lasers. Zudem wird darauf hingewiesen, welcher Fokus (auf zum Beispiel Sensitivität, Selektivität oder Ablagerungen auf der Elektrode) bei den jeweiligen realen Probenmatrices gesetzt werden sollte. Diese beinhalten sowohl klinische (Blut, Interstitialflüssigkeit, Schweiß, Speichel, Urin, Atem) also auch nicht-klinische Matrices (Fluss-/See-/Meer-Wasser, Essen und Getränke, Zellkulturmedium). Weitere Herausforderungen und potenzielle Lösungen während der Sensorentwicklung, wie Ablagerungen auf der Elektrode während der Messung, die Messung unter physiologischen Bedingungen, Biokompatibilität, die Stabilität während Langzeit-Messungen, Lagerung, praktische Abwägungen und die Effizienz werden diskutiert.
In dieser Arbeit wurde ein nicht-enzymatischer elektrochemischer Sensor auf Basis von Laser-induzierten Kohlenstoffnanofasern zur Detektion von Wasserstoffperoxid entwickelt. Die Arbeitselektrode wurde mittels Laser auf Polyimid-Nanofasern geschrieben, nachdem diese durch Elektrospinnen hergestellt wurden. Diese Fasern enthielten entweder eines der beiden oder beide Metallsalze Pt(II)- und Ni(II)-acetylacetonat, die während der Laserbehandlung in Nanopartikel umgewandelt und in die Kohlenstoffnanofasern eingebettet wurden. Die entstandenen Nanopartikel bestanden entweder aus Platin- oder Nickelmetall und deren Oxide oder einer Platin-Nickel Legierung zusammen mit dem entsprechenden Oxid im Falle einer Salzmischung. Um Wasserstoffperoxid zu detektieren, wurde als Gegen- bzw. Referenzelektroden ein Platin Draht und eine Silber/Silberchlorid-Elektrode verwendet. Kohlenstoffnanofasern mit verschiedenen Zusammensetzungen der Metallsalze wurden auf das katalytische Verhalten gegenüber Wasserstoffperoxid und deren Selektivität getestet. Die beste Sensitivität in einem nicht gerührten Ansatz wurde mit einer Nachweisgrenze von 1,4 ± 0,4 μM durch das Oxidieren von Wasserstoffperoxid an einer Platin-Kohlenstoffnanofasern-Elektrode erreicht, was jedoch zu einer unbefriedigenden Selektivität führte. Strategien, wie die Erhöhung des Metallgehalts der Elektrode oder die Verwendung von Polymerbeschichtungen wurden verwendet, um die Selektivität zu verbessern. Eine Nylon-Beschichtung verbesserte die Signalausbeute von Wasserstoffperoxid, welches in realen Matrices (unverdünntes und verdünntes menschliches Serum) hinzugefügt wurde. Die Selektivität wurde weiter verbessert, indem das Messpotential reduziert und somit statt der Oxidation eine Reduktion von Wasserstoffperoxid durchgeführt wurde, was aber auf Kosten der Sensitivität ging. Darüber hinaus wurden Strategien zur Anbringung von Polyoxometallaten als alternative Katalysatoren auf der Oberfläche der Kohlenstoffnanofasern untersucht, was jedoch nicht zu einer sensitiven Wasserstoffperoxid-Detektion führte.
Ein zweites Projekt dieser Arbeit konzentrierte sich auf die nicht-enzymatische elektrochemische Detektion von Glucose unter physiologischen Bedingungen. Es ist bekannt, dass die Glucose-Oxidation auf Nickel-Oberflächen bei alkalischem pH-Wert katalysiert wird. Daher wurden die im vorherigen Projekt beschriebenen Pt/Ni-legierten Kohlenstoffnanofasern verwendet, um effizient mit Hilfe einer elektrochemischen Vorbehandlung (-0,9 V für 20 s) einen hohen lokalen pH-Wert an den Platin-Atomen der Legierung zu erzeugen, wodurch die Glucose-Detektion an den Nickel-Atomen der Legierung in einer darauffolgenden Cyclo Voltammetrie-Messung ermöglicht wurde, obwohl der anfängliche pH-Wert der Lösung 7,4 betrug. Um eine Langzeitmessung zu ermöglichen, wurde eine elektrochemische Reinigung der Katalysatoroberfläche nach jeder Messung eingeführt. Nach der Optimierung (i) der lokalen pH-Vorbehandlung, (ii) der Katalysatorreinigung, (iii) der eigentlichen Messungsparameter und (iv) der Datenauswertung konnte Glucose selektiv in physiologisch relevanten Konzentrationen und mit einer Nachweisgrenze von 0,3 ± 0,1 mM bestimmt werden. Darüber hinaus wurde die Alterung der Elektroden untersucht, bei der mit voranschreitender Zeit die Hydrophobie zunimmt, welche den Kontakt zwischen Elektrode und Lösung verschlechtert. Diese Problematik wurde mit einer einfachen Inkubation einer Tween-20-Lösung vor der Messung behoben. Außerdem wurde die Leistung der Elektrode nach einer Sterilisation nicht beeinträchtigt und es wurde eine Signalausbeute der Glucose von 95 ± 10 % in verdünntem (20 % in PBS) menschlichen Serum erreicht.
Zuletzt wurden Nickel enthaltende Laser-induzierte Kohlenstoffnanofasern als 3-Elektrodensystem hergestellt (Kohlenstoffnanofasern wurden als Arbeits-, Gegen- und Referenzelektrode verwendet) und zur Detektion von Glukose in simuliertem Atem verwendet. Glukoselösungen mit Konzentrationen ähnlich denen in der Lungenflüssigkeit wurden mit Hilfe eines Inhalators vernebelt, auf den porösen Kohlenstoffnanofaser-Elektroden aufgefangen und elektrochemisch in einer NaOH-Lösung vermessen. Mit optimierten Herstellungs-, Glukosefang- und Messparametern wurde Glukose selektiv mithilfe von Cyclo Voltammetrie und einer ratiometrischen Datenauswertung detektiert. Um Schwankungen in der Lungenflüssigkeitskonzentration (die die Schwankungen des Blutzuckerspiegels widerspiegeln) zu simulieren, wurden Änderungen in der Konzentration der Inhalator-Lösung vorgenommen, welche nach auffangen und vermessen durch den Sensor unterschieden werden konnten.
Metadaten zuletzt geändert: 30 Apr 2025 09:15
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