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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-774495
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.77449
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 11 August 2025 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Antje J. Bäumner |
| Tag der Prüfung: | 30 Juni 2025 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, ehemals Prof. Wolfbeis) |
| Stichwörter / Keywords: | one-step, POCT, lateral flow assay, microfluidic, signal amplification, scale-up, fabrication, reader, magnetic bead, immunoassay, cardiac, one-step, point-of-care, Blood plasma separation, Sedimentation, Point-of-care diagnostics, Sample-to-answer |
| 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: | 77449 |
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis demonstrates the conversion of a conventional lateral flow assay (LFA) into a self-contained and compact membrane-free fluorescence lateral flow channel assay concept for clinical analysis. While most LFAs rely on membrane and paper materials for protein immobilization, sample preparation, sample flow, and reagent storage, they also bear unfavorable properties. These include ...
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis demonstrates the conversion of a conventional lateral flow assay (LFA) into a self-contained and compact membrane-free fluorescence lateral flow channel assay concept for clinical analysis.
While most LFAs rely on membrane and paper materials for protein immobilization, sample preparation, sample flow, and reagent storage, they also bear unfavorable properties. These include variations in flow rate and analysis time due to varying pore structure and sample viscosity. Additionally, obstruction of pores by matrix components, the requirement for relatively high sample volume due to its inherent absorbing properties, and inconsistency in the dispersion of the reagent to the membrane due to batch-to-batch variations further complicate their use. To address these performance-affecting factors, this thesis focuses on developing membrane- and paper-free one-step LFAs utilizing polyelectrolyte multilayer (PEM) and magnetic nanoparticles (MNPs) to enhance the controllability of the immunoreaction and reduce the sample volume. This approach improves overall assay performance and enables straightforward self-testing at home or in rural areas, with an emphasis on patient comfort.
Innovations in One-Step Point-of-Care Testing
The first part of this work reviews innovations in one-step point-of-care testing (POCT) within microfluidics and lateral flow assays (LFAs), examining how they are shaping the future of healthcare. These POCT platforms are carefully evaluated based on various factors, including ease of fabrication, scalability for mass production, simplicity of handling, long-term storage potential, cost-effectiveness, and the capability to integrate sample preparation.
Membrane-free Lateral Flow Assay
The second and third part of this work concentrate on developing membrane-free LFAs by exploring protein immobilization techniques on a flat PET foil, as opposed to the traditionally used nitrocellulose (NC) membrane as the immobilization matrix. By incorporating a PEM to electrostatically immobilize streptavidin and integrating streptavidin-functionalized MNPs into POCT platforms, low limits of detection (LODs) for both approaches were reached, while also reducing the required sample volume by a factor of 7.5. This makes the platforms more suitable for POCT applications, in which the sample volume is limited or when patients’ comfort is of utmost importance.
To be able to replicate the setup of the POCT platforms industrially, the test structure was designed in such a way that all fabrication steps are scalable. The LFAs comprise a PET foil substrate, a spacer with laser-cut capillaries, a cover foil with sample and outlet ports, and pressure-sensitive double-sided adhesive tape. This design enables cost-effective and straightforward manufacturing, allowing for reagent storage on the sensor and preserving the one-step process characteristic of traditional LFAs.
Despite the need for additional hardware, such as the micropump, its integration has enhanced the robustness and reliability of the assay for on-field applications. With limits of detection (LOD) of 56 pg·mL⁻¹ for the PEM-based LFA and 43.1 pg·mL⁻¹ for the MNP-based LFA in plasma, the platforms demonstrate equal or superior sensitivity compared to traditional LFA methods.
On-Chip Blood Plasma Separation
The fourth part of this work demonstrates the development of an integrated sedimentation-based blood plasma separation system for a fully integrated, ready-to-use POCT platform designed to detect NT-proBNP in undiluted whole blood. To enhance the gravity-based sedimentation, an aggregation agent was used to promote the clumping of red blood cells into bigger clusters. To achieve effective separation within the POCT platform, a physical filter trench was integrated into the system. This trench plays a crucial role in the process, ensuring that the separation of the blood cells is both efficient and reliable. The incorporation of this filter trench not only facilitates the separation of red blood cells but also enhances the overall performance and accuracy of the assay by preventing interference with the optical read-out. The device demonstrated high separation efficiency of 96.23 % and yield of 7.23 μL (=71.9 %). Furthermore, we elaborate on its user-friendly nature and demonstrate its proof-of-concept through an all-dried ready-to-go NT-proBNP lateral flow immunoassay with clinical blood samples.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
In dieser Arbeit geht es um die Umwandlung eines herkömmlichen Lateral-Flow-Assays (LFA) in ein eigenständiges und kompaktes membranfreies fluoreszenzbasiertes LFA-Konzept für die klinische Analyse. Während die meisten LFAs auf Membran- und Papiermaterialien für die Proteinimmobilisierung, Probenvorbereitung, Probenfluss und Lagerung der Reagenzien angewiesen sind, weisen sie auch ungünstige ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
In dieser Arbeit geht es um die Umwandlung eines herkömmlichen Lateral-Flow-Assays (LFA) in ein eigenständiges und kompaktes membranfreies fluoreszenzbasiertes LFA-Konzept für die klinische Analyse.
Während die meisten LFAs auf Membran- und Papiermaterialien für die Proteinimmobilisierung, Probenvorbereitung, Probenfluss und Lagerung der Reagenzien angewiesen sind, weisen sie auch ungünstige Eigenschaften auf. Dazu gehören Schwankungen in Flussrate und Analysezeit aufgrund variierender Porenstrukturen und Probenviskosität. Darüber hinaus erschweren die Verstopfung der Poren durch Matrixkomponenten, der Bedarf an relativ hohem Probenvolumen aufgrund der inhärenten absorbierenden Eigenschaften und Inkonsistenzen in der Verteilung des Reagenz auf der Membran aufgrund von Chargenunterschieden ihre Anwendung.
Zur Überwindung dieser leistungsbeeinflussenden Faktoren konzentriert sich diese Dissertation auf die Entwicklung von membran- und papierfreien einstufigen LFAs unter Verwendung von Polyelektrolytschichten (PEM) und magnetischen Nanopartikeln (MNPs), um die Kontrollierbarkeit der Immunreaktion zu verbessern und das Probenvolumen zu reduzieren. Dieser Ansatz verbessert die Gesamtleistung des Assays und ermöglicht einen einfachen Selbsttest zu Hause oder in ländlichen Gebieten, wobei der Komfort des Patienten im Vordergrund steht.
Innovationen im One-Step-Point-of-Care-Testing
Zuerst liegt der Fokus dieser Arbeit auf eine Zusammenfassung von Innovationen im einstufigen Point-of-Care-Testing (POCT) im Bereich der Mikrofluidik und Lateral-Flow-Assays (LFAs) und wie sie die Zukunft des Gesundheitswesens formen. Diese POCT-Plattformen werden sorgfältig basierend auf verschiedenen Faktoren bewertet, darunter die Einfachheit der Herstellung, die Skalierbarkeit für die Massenproduktion, die Benutzerfreundlichkeit in der Handhabung, das Potenzial für Langzeitlagerung, die Kosteneffektivität und die Fähigkeit zur Integration der Probenvorbereitung.
Membranfreie Lateral-Flow-Assays
Der zweite und dritte Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Proteinimmobilisierungstechniken auf einer flachen PET-Folie anstelle der üblicherweise verwendeten Nitrocellulose (NC)-Membran als Immobilisierungsmatrix. Durch den Einsatz eines Polyelektrolyt-Multischichtsystems (PEM), das Streptavidin elektrostatisch immobilisiert und Integration von Streptavidin-funktionalisierten magnetischen Nanopartikeln (MNPs), wurden niedrige Nachweisgrenzen (LODs) in Immunoassays für beide Ansätze erreicht, wobei gleichzeitig das benötigte Probenvolumen um den Faktor 7,5 reduziert wurde. Dies machen die Plattformen besser geeignet für POCT-Anwendungen, bei denen das Probenvolumen begrenzt ist oder der Komfort der Patienten von größter Bedeutung ist. Um den Aufbau der POCT-Plattformen industriell reproduzierbar zu machen, wurde die Teststruktur so konzipiert, dass alle Herstellungsschritte skalierbar sind. Die LFAs bestehen aus einem PET-Folien-Substrat, einer Folie mit lasergeschnittenen Kapillaren, einer Abdeckfolie mit Proben- und Auslassöffnungen sowie doppelseitigem, druckempfindlichem Kleber. Dieses Design ermöglicht eine kostengünstige und unkomplizierte Herstellung, erlaubt die Lagerung von Reagenzien auf dem Sensor und bewahrt den Ein-Schritt-Prozess, der für traditionelle LFAs charakteristisch ist.
Trotz des Bedarfs an zusätzlicher Hardware, wie einer Mikropumpe, hat dessen Integration die Robustheit und Zuverlässigkeit der Tests im Anwendungsbereich verbessert. Mit Nachweisgrenzen (LOD) von 56 pg·mL⁻¹ für den PEM-basierten LFA und 43,1 pg·mL⁻¹ für den MNP-basierten LFA in Plasma zeigen die Plattformen eine gleiche oder sogar höhere Empfindlichkeit im Vergleich zu traditionellen LFA-Methoden.
Blutplasma-Trennung
Der vierte experimentelle Teil zeigt die Entwicklung eines integrierten Sedimentationssystems zur Blutplasma-Trennung für eine vollständig integrierte, gebrauchsfertige POCT-Plattform zur Detektion von NT-proBNP in unverdünntem Vollblut. Um die gravitationsbasierte Sedimentation zu verbessern, wurde ein Aggregationsmittel verwendet, das die Verklumpung der roten Blutkörperchen zu größeren Clustern fördert. Zur effektiven Trennung innerhalb der POCT-Plattform wurde ein physischer Filtergraben in das System integriert. Dieser Filtergraben spielt eine entscheidende Rolle im Prozess, indem er sicherstellt, dass die Trennung der Blutkörperchen effizient und zuverlässig erfolgt. Die Einbindung dieses Filtergrabens erleichtert nicht nur die Trennung der roten Blutkörperchen, sondern verbessert auch die Gesamtleistung und Genauigkeit des Assays, indem Interferenzen mit der optischen Auswertung verhindert werden. Das Gerät zeigte eine hohe Separationsleistung mit einer Effizienz von 96,23 % und einer Ausbeute von 7,23 μL (entsprechen 71,9 %). Darüber hinaus wird die benutzerfreundliche Natur des Systems erläutert und das Konzept anhand eines gebrauchsfertigen NT-proBNP-Lateral-Flow-Immunoassays mit klinischen Blutproben demonstriert.
Metadaten zuletzt geändert: 11 Aug 2025 11:22
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