In this report, a novel smart nanocantilever with self-deflection sensor using embedded piezo-resistor and self-actuation using integrated piezo-electric actuator is proposed, designed and simulated to enable highly sensitive label free biosensor and ultra-short cantilever probe for AFM applications. The smart nanocantilever comprises of a triangular Si3N4 nanocantilever (10µm long, 400nm width and 100nm thickness) connected to a multi-layer support structure (Si3N4 (100nm)/PZT (100nm)) having n-type silicon piezo resistor (7µm long ,2µm width and 20nm thickness) embedded in the Si3N4 layer in both the support structure and nanocantilever. The nanocantilever is designed to maximize the resonance frequency and lower spring constant whereas piezoelectric actuator and piezo resistor is designed to maximize excitation and maximize change in resistance of nanocantilever respectively. The results show that the nanocantilever enhances sensitivity in static mode by factor of 36.5 while in dynamic mode by a factor of 658 for AFM application. For biosensor application, the nanocantilever enhanced the sensitivity in static and dynamic mode by factors of 5.6 and 13.8, respectively. / I denna rapport presenteras en ny, smart nano-kantilever med självdetektion via sensorer som använder inbäddade piezoresistorer, och självpådrivning via integrerade piezoelektriska pådrivare. Dessa är designade och simulerade för att möjliggöra högsensitiva titelfria biosensorer och ultrakorta kantilever-prober för AFM-applikation. Den smarta nano-kantilevern består av en triangulär Si3N4 nano-kantilever (10µm lång, 400nm bred and 100nm djup) kopplad till en stödstruktur med flera lager (Si3N4 (100nm)/PZT (100nm)) och med en n-typ silikon piezoresistor (7µm lång ,2µm bred and 20nm djup) inbäddad i Si3N4 – lagret i både stödstrukturen och i nano-kantilevern. Denna är designad för att maximera resonansfrekvens och sänka fjädringskonstanten, medan den piezo-elektriska pådrivaren och piezo-resistorn är designade för att maximera excitering samt resistansändring för nano-kantilevern. Resultatet i denna rapport visar att nano-kantilevern förstärker känslighet i statiskt läge med en faktor på 36,5, med motsvarande faktor på 658 i dynamiskt läge för AMF- applikation. För biosenor-applikation förstärkte nano-kantilevern känsligheten i statiskt och dynamiskt läge med 5,6 och 13,8 respektive.

Um Terroranschläge zu verhindern, werden schnelle, hochempfindliche Detektoren für Sprengstoffe benötigt. Neben Sprengstoffen ist auch der Drogenhandel ein großes gesellschaftliches Problem, welcher kriminelle Organisationen finanziert. Da bereits geringe Mengen an TNT oder Kokain einen Hinweis auf einen Anschlag oder auf Drogenschmuggel darstellen, muss der verwendete Detektor schnell aber dabei gleichzeitig sensitiv und selektiv sein. In dieser Arbeit wurde daher ein Biosensor zur Drogen und Sprengstoff Detektion, der auf auf einem Immunoassay basiert, entwickelt. Um die Performance sicherzustellen, wurden die genutzten Antikörper gründlich auf Eignung untersucht. Für die Affinitätssäule wurden monolithische Säulen hergestellt, welche eine hohe Oberfläche aufweisen. Zur Beschichtung der Säulen wurden Protein-Konjugate synthetisiert. Die Affinitätssäulen waren robust und zeigten eine sehr hohe Binde-Effizienz. Als Detektor wurde ein Fluoreszenz-Mikroskop aus kommerziellen Bauteilen konstruiert. Für den genutzten Fluoreszenzfarbstoff wurde eine Nachweisgrenze von 2 pM sowie ein dynamischer Bereich bis 1000 pM erreicht. Für die Fluidik wurden eine Spritzenpumpe sowie mikrofluidische Bauteile genutzt, welche eine Detektionszeit von 1.5 Minuten ermöglichten. Für TNT wurde mit dem Biosensor eine Nachweisgrenze von 130 pM erzielt. Der Biosensor zeigte außerdem keine Kreuzreaktivität mit gängigen Sprengstoffen. Für Kokain wurde eine Nachweisgrenze von 15 pM im Biosensor erreicht. Zusätzlich wurde für Kokain ein Wischtest entwickelt, welcher in drei Minuten Kokainmengen von 300 pg detektieren kann. Der entwickelte Biosensor gehört zu den besten Sensoren zur TNT- und Kokaindetektion und zeigt eine vergleichbare oder bessere Performance als Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung. Die Flexibilität beim Analyten sowie der Verzicht auf Lösungsmittel machen diesen Biosensor zu einem interessanten Kandidaten für hochempfindliche Messsysteme. / The fast detection of explosives is essential to prevent terror attacks. Besides explosives, the trafficking of illegal drugs is a major problem, which must be addressed to reduce criminal organizations’ revenue streams. As low amounts of these substances may indicate trafficking or a bomb threat, sensitive, selective and fast detection methods are required. Therefore, a biosensor was developed in this work, which relies on an immunoassay. To ensure sensitive and selective performance the used antibodies were characterized in depth. To obtain affinity columns, glass columns were manufactured and used. As column coating affinity conjugates were synthesized. The affinity columns showed efficient antibody trapping and were long-term stable. As a detector an epi-fluorescence microscope was built to monitor the sample. The sensor features consumer-grade parts rendering it easily accessible. For the used fluorophore a limit of detection (LOD) of 2 ppt with a linear range up to 1000 pM was achieved. Due to the use of a syringe pump and an injection valve a continuous fluidic for the biosensor was obtained. The used microfluidic parts resulted in detection times of only 1.5 min. For TNT a LOD of 130 pM was achieved. Additionally, the biosensor showed no cross-reactivity with common high explosives. For cocaine a LOD of 15 pM in solution was achieved and a surface wipe sampling method was demonstrated, which was able to detect 300 pg cocaine on surfaces within three minutes reliably. This biosensor belongs to the fastest and most sensitive cocaine and TNT detectors with sensitivity on par or better than liquid chromatography coupled with mass spectroscopy. Furthermore, the biosensor is affordable, very modular analyte-wise and requires no solvents or microplastic carriers. Therefore, it is a fascinating approach for future high-sensitivity monitoring applications.

Hämoglobin-A1c (HbA1c) ist ein Hämoglobin (Hb)-Subtypus, der durch nicht-enzymatische Glykierung des N-terminalen Valinrestes der Hämoglobin-beta-Kette entsteht. Das gemessene Verhältnis von HbA1c zum Gesamt-Hämoglobin (5-20 % bei Diabetikern) repräsentiert den Mittelwert der Blutglucosekonzentration über einen zweimonatigen Zeitraum und stellt zur Beurteilung der diabetischen Stoffwechsellage eine Ergänzung zur Akutkontrolle der Glukosekonzentration dar.<br /> Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen amperometrischen Biosensor für die Bestimmung des medizinisch relevanten Parameters HbA1c zu entwickeln. Durch Selektion geeigneter Bioerkennungselemente und deren Immobilisierung unter Erhalt der Bindungsfunktion für die Zielmoleküle Hämoglobin bzw. HbA1c wurden spezifische, hochaffine und regenerationsstabile Sensoroberflächen geschaffen. Für die Entwicklung des HbA1c-Biosensors wurden zwei Konzepte - Enzymsensor und Immunosensor - miteinander verglichen. <br /> Die enzymatische Umsetzung von HbA1c erfolgte mit der Fructosylamin Oxidase (FAO) aus Pichia pastoris N 1-1 unter Freisetzung von H2O2, welches sowohl optisch über eine Indikatorreaktion als auch elektrochemisch nach Einschluss der FAO in PVA-SbQ und Fixierung des Immobilisats vor einer H2O2-Elektrode nachgewiesen wurde. Die Kalibration des Enzymsensors mit der HbA1c-Modellsubstanz Fructosyl-Valin ergab Nachweisgrenzen, die ausserhalb des physiologisch relevanten HbA1c-Konzentrationsbereich lagen. Aus der Umsetzung von glykierten Peptiden mit einer nicht HbA1c analogen Aminosäurensequenz, z.B. Fructosyl-Valin-Glycin wurde zudem eine geringe HbA1c-Spezifität abgeleitet.<br /> Für den Immunosensor wurden zwei heterogene Immunoassay-Formate unter Verwendung von hochaffinen und spezifischen Antikörpern in Kombination mit Glucose Oxidase (GOD) als Markerenzym zum Nachweis von HbA1c untersucht. Beim indirekt-kompetitiven Immunoassay wurde anstelle des kompletten HbA1c-Moleküls das glykierte Pentapeptid Fructosyl-Valin-Histidin-Leucin-Threonin-Prolin (glkPP) als Kompetitor und Affinitätsligand immobilisiert und so eine regenerierfähige Oberfläche geschaffen. Beim Sandwich-Immunoassay wurde im ersten Schritt Gesamt-Hämoglobin an die mit Haptoglobin (Hp) modifizierte Festphase angereichert und im zweiten Schritt der gebundene HbA1c-Anteil nachgewiesen. <br /> Für die Konstruktion des HbA1c-Immunosensors wurden Affinitätsmatrizen durch Modifizierung von Cellulose-Dialysemembranen mit glkPP bzw. Hp hergestellt. Grundlegend studiert wurde die Aktivierung der Cellulose-Membranen mit 1,1'-Carbonyldiimidazol (CDI) und 1-Cyano-4-dimethylaminopyridintetrafluoroborat (CDAP) als Aktivierungsagenzien. Eine gerichtete Immobilisierung der Liganden wurde realisiert, indem glkPP über dessen C-Terminus (einzige Carboxylatgruppe) und Hp über dessen periodat-oxidiertem Kohlenhydratrest an die amino- oder hydrazidfunktionalisierte Membranen kovalent gekoppelt wurden. <br /> Mit dem Einsatz der glkPP- und Hp-modifizierten Membranen in der elektrochemischen Messzelle war erstmalig der biosensorische Nachweis von HbA1c möglich. Als Transduktor diente eine Pt-Elektrode, an der das von der GOD generierte H2O2 umgesetzt und ein mit der HbA1c-Konzentration korrelierendes Stromsignal erzeugt wurde. Die Immunosensoren zeigten Ansprechzeiten von 3 s. Mit dem Immunosensor auf Basis des indirekt-kompetitiven Testprinzips wurde eine Kalibrationskurve für HbA1c im Bereich von 0,25-30 &#181;g/ml (3,9-465 nM, CV 3-9 %) mit Assayzeiten von 60 min und mit dem Immunosensor im Sandwich-Format eine Kalibrationskurve im Bereich von 0,5-5 &#181;g/ml (7,8-78 nM; 5-50 % HbA1c vom Gesamt-Hb, CV 6-10 %, 3 h) aufgenommen. / Hemoglobin-A1c (HbA1c) is a hemoglobin subtype formed by non-enzymatic reaction of glucose with the N-terminus of the beta-polypeptide chains. As it reflects the glycemic status of diabetics over the preceding 8-12 weeks, the determination of HbA1c has become an established procedure in the management of diabetes mellitus. It is measured as the percentage of total hemoglobin. Up to 5 % HbA1c are considered as normal whereas in diabetic subjects it could be elevated from 5-20 %. In addition to amperometric biosensors for glucose self monitoring which have been successfully applied in diabetes management, biosensors for HbA1c would be an useful supplement for a comprehensive diabetes control. <br /> <br /> Objective of this work was to develop and compare amperometric biosensors for determination of HbA1c based on enzymatic and immunochemical methods. <br /> <br /> For the enzyme based HbA1c assay a novel fructosamine oxidase (FAO) derived from marine yeast Pichia pastoris, strain N1-1 was utilized. It recognizes and oxidatively degrades fructosyl-valine (FV) which corresponds to the glycated N-terminus of the beta-chain of HbA1c and therefore is regarded as a model compound for HbA1c. Hydrogen peroxide which is liberated by the FAO during FV conversion was indicated optically in a horseradish peroxidase (POD) coupled reaction and electrochemically. For the biosensor the FAO was embedded in polyvinyl alcohol-stylbazole (PVA-SbQ) and fixed it in front of a Pt-electrode. So far, the measuring range of FV did not cover the clinically relevant range of HbA1c. Low specificity was assumed since enzyme activity also was obtained with glycated peptides, e.g. fructosyl-valine-glycine, not corresponding to the glycated N-terminus of the hemoglobin-beta-chain.<br /> <br /> For the immunosensor two immunoassays formats - heterogeneous sandwich and heterogeneous competitive - were tested. The assays were designed as follows: The competitive immunoassay was based on the immobilized synthetic glycated pentapeptide fructosyl-valine-histidine-leucine-threonine-proline (glkPP) utilized as HbA1c analogue. The peptide has an amino acid sequence corresponding to the N-terminus of the hemoglobin beta-chains and is capable for competition together with the HbA1c of the sample for the amount of a glucose oxidase (GOD)-labelled anti-HbA1c antibody. In the sandwich-type assay haptoglobin (Hp), a natural hemoglobin binding molecule with antibody characteristic properties, was used as bioreceptor for enrichment of total hemoglobin onto the surface. In a subsequent step the HbA1c fraction was quantified by a GOD-labelled HbA1c specific antibody. <br /> <br /> Cellulose dialysis membrane was used as the solid support for immobilization of Hp and glkPP near the sensor surface. For activation of the membrane two reagents, 1,1&prime;-carbonyldiimidazole (CDI) and 1-cyano-4-dimethylamino pyridinium tetrafluoroborate (CDAP), were compared with respect to the degree of activation and coupling efficiency. Site-directed immobilization of Hp and glkPP was achieved by coupling Hp via its carbohydrate residue and glkPP via its C-terminus to the activated membrane using a bis-amine or bis-hydrazide spacer. <br /> <br /> The affinity membranes were placed in front of a modified Clark-type hydrogen peroxide electrode in an electrochemical measuring cell and HbA1c analysis was carried out within the stirred cell. Detection of the bound GOD-label was achieved by measurement of the electrocatalytic oxidation of hydrogen peroxide at +600 mV vs. Ag/AgCl. The indication was done in only 3 s. For the competitive principle a typical inhibition curve with a linear range between 0,25-30 &#181;g/ml (3,9-465 nM, CV 3-9 %, 60 min per sample) HbA1c was obtained. Due to the high functional stability of the peptide multiple regeneration of the affinity surface was possible without loss of binding capacity. With the sandwich assay configuration the clinically relevant range could easily be covered (calibration curve: 5-50 % HbA1c corresponding to 7,8-78 nM, CV 6-10 %, 3 h per sample).

This work was performed in the framework of two application-oriented research projects that focus on the generation and evaluation of fluorescent Saccharomyces (S.) cerevisiae-based sensor and reporter cells for white biotechnology as well as the extension of the conventional single-cell/single-construct principle of ordinary yeast biosensor approaches. Numerous products are currently generated by biotechnological processes which require continuous and precise process control and monitoring. These demands are only partially met by physical or physiochemical sensors since they measure parameters off-line or use surrogate parameters that consequently provide only indirect information about the actual process performance. Biosensors, in particular whole cell-based biosensors, have the unique potential to near-line and long-term monitor parameters such as nutrient availability during fermentation processes. Moreover, they allow for the assessment of an analyte’s biological relevance. Prototype yeast sensor and reporter strains derived from common laboratory strains were transformed with multicopy expression plasmids that mediate constitutive or inducible expression of a fluorescence reporter gene. Performance of these cells was examined by various qualitative and quantitative detection methods – representative of putative transducer technologies. Analyses were performed on the population level by microplate reader-based fluorometry and Western blot as well as on the single-cell level by fluorescence microscopy and flow cytometry. ‘Signature’ promoters that are activated or repressed during particular nutrient-limited growth conditions were selected in order to generate yeast nutrient sensor strains for monitoring the biological availability of nitrogen, phosphorus or sulphur. For each category, at least one promoter mediating at least threefold changed green fluorescence levels between sensor cells in non-limited and nutrient-limited conditions was identified. Sensor strains were evaluated in detail regarding sensitivity, analyte selectivity and the ability to restore basic fluorescence after shift from nutrient-limited to non-limited conditions (regeneration). The applicability for bioprocess monitoring purposes was tested by growth of yeast nutrient sensor cells in microalgae media and supernatants. Despite successful proof of principle, numerous challenges still need to be solved to realise prospective implementation in this field of white biotechnology. The major drawback of plasmid-borne detection constructs is a high fluorescence variance between individual cells. By generation of a nitrogen sensor strain with a genome-integrated detection construct, uniform expression on the single-cell level and simultaneous maintenance of basic properties (ability of fluorescence induction/regeneration and lack of cross-reactivity) was achieved. However, due to the singular detection construct per cell, significantly weaker overall fluorescence was observed. The traditional single-cell/single-construct approach was expanded upon in two ways. Firstly, a practical dual-colour sensor strain was created by simultaneous, constitutive expression of a red fluorescence reporter gene in green fluorescent nitrogen sensor cells. Secondly, an innovative cellular communication and signal amplification system inspired by the natural S. cerevisiae pheromone system and mating response was established successfully. It features the yeast pheromone alpha-factor as a trigger and alpha-factor-responsive reporter cells which express a fluorescence reporter gene from the pheromone-inducible FIG1 promoter as an output signal. The system was functional both with synthetic and cell-secreted alpha-factor, provided that recombinant cells were deleted for the alpha-factor protease Bar1p. Integration of amplifier cells which secrete alpha-factor in response to stimulation with the pheromone itself could increase the system\'s sensitivity further. Signal amplification was demonstrated for phosphorus sensor cells as a proof of concept. Therefore, the alpha-factor-based cellular communication and signal amplification system might be useful in applications that suffer from poor signal yield. Due to its modular design, the system could be applied in basically any cell-based biosensor or sensor-actor system. Immobilisation of the generated sensor and reporter cells in transparent natural polymers can be beneficial considering biosensor fabrication. Functionality of sensor and reporter cells in calcium-alginate beads or nano-printed arrays was successfully demonstrated. For the latter setup, fluorescence scanning and software-assisted fluorescence quantification was applied as a new detection method. In an experiment using an agarose-based two-compartment setup proposed by Jahn, 2011, properties of the alpha-factor-based cellular communication and signal amplification system after immobilisation were tested. These studies provide an initial experimental basis for an appropriate geometry of miniaturised immobilisation matrices with fluorescent yeast sensor and reporter cells in prospective biosensor designs.

Die Lungen werden von einem oberflächenaktiven Gemisch, dem Surfactant ausgekleidet, das für die Regulation der Oberflächenspannung der Alveolen und die Immunabwehr der Lunge von Bedeutung ist. Bestandteile des Surfactants sind zu 90% Lipide und zu 10% vier durchalphabetisierte Surfactantproteine A bis D, von denen SP-A das mengenmäßig häufigste darstellt. Die Funktionen dieses Proteins liegen vermutlich in der Surfactanthomöostase und dabei im Phospholipid-Turnover der Hauptkomponente des Surfactants Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) und als Collektin in der Immunabwehr. In vitro ist die SP-A induzierte, calciumabhängige Liposomenaggregation eine charakteristische Eigenschaft des Proteins. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung von SP-A mit Phospholipidliposomen mit der Resonant Mirror Spektroskopie und der Nah-Infrarot-Lichtstreuung untersucht. Durch den vergleichenden Einsatz der kinetischen Methoden ist es möglich, die Bindung von SP-A an Liposomen von der Aggregationsreaktion zu unterscheiden. Es konnte erstmals gezeigt werden, daß beide Reaktionen von mikromolaren Calciumkonzentrationen abhängig sind, die halbmaximale Reaktion erfolgt bei freien Calciumkonzentrationen < 20 µM. Die Ca2+-induzierte Interaktion zwischen SP-A und Liposomen zeigt eine hohe Kooperativität und ist durch Zugabe von Calciumchelatoren reversibel. Die Dissoziation der Liposomenbindung erfolgt schneller als der Zerfall der Aggregate (0,3 s vs. 30 s). Es sind zwei Konformationen des SP-A zu unterscheiden, eine lipidbindende Form in Gegenwart von Calcium und eine nichtbindende Form. Neben Calcium können auch mikromolare Strontium- und Bariumkonzentrationen die Konformationsänderung induzieren, Magnesium hingegen nicht. Die Liposomenbindung und nachfolgende Aggregation erfolgt bei SP-A von Rind, Ratte und Schaf in gleicher Weise in Abhängigkeit von mikromolaren Calciumkonzentrationen. Die Bindungseigenschaften des SP-A zeigen eine Abhängigkeit von der Art des verwendeten Phospholipids. Dabei zeigt sich eine "Affinität", im Sinne einer verstärkten Wechselwirkung mit DPPC, aber die postulierte Spezifität wurde in der kinetischen Analyse nicht bestätigt. SP-A interagiert bevorzugt mit Phospholipiden, die langkettige, gesättigte Fettsäureseitenketten besitzen (DPPC, Distearoylphosphatidylcholin), sowie mit Phosphatidylcholin und ähnlichen Kopfgruppen (Sphingomyelin, Phosphatidylinositol). Da neben den Kopfgruppen auch die Seitenketten bei der Erkennung durch das Protein bedeutsam sind, liegt nahe, daß die Packungsdichte der Lipidmoleküle in den Liposomen für die Interaktion wichtig ist. Die Ergebnisse werden als reversible, sequentielle Reaktionsfolge interpretiert: Diese ist ein Modell für die mögliche Wirkung von SP-A bei der Surfactanthomöostase, indem das Protein als Lipidtransporter zwischen alveolärer Hypophase und Typ-II-Pneumozyten funktioniert und erklärt, wie SP-A und Liposomen gemeinsam in die Zelle aufgenommen und auf unterschiedlichen Wegen wieder ausgeschleust werden könnten. / Surfactant protein A (SP-A) is crucial for lung function, including tubular myelin formation and lipid uptake by type II pneumocytes. Known properties of SP-A in vitro are ist Ca2+ dependent interaction with phospholipids and ist role in the aggregation of liposomes. To dissect and to analyze these processes, the SP-A was immobilized and liposome binding was measured by resonant mirror technique. Liposome aggregation was followed seperately by kinetic light scattering in suspensions. It was found that SP-A mediated binding and aggregation of liposomes depend on micromolar calcium concentrations in the range of < 20 µM, independent of the species (sheep, rat or cow) and of the phospholipid composition tested. The interaction between SP-A and liposomes shows cooperativity and reversibility. Liposomes dissociate from SP-A in < 0.3 s whereas disaggregation takes approx. 30 s. The interpretation of the results leads to a rapid and reversible reaction of three reactions: a cooperative Ca2+ dependent conformational change in SP-A, binding of Ca2+-bound SP-A to liposomes, and aggregation of the Ca2+/SP-A - bound liposomes. With palmitoyloleoylphosphatidylcholine (POPC), the complex formation proceeds two fold slower compared to DPPC, leading to a lower final equilibrium level of SP-A/lipid interaction. Regarding the phospholipid headgroups, phosphatidylinositol (PI) and sphingomyelin (SM) interact comparable to PC, whole less interaction is seen with phosphatidylethanolamine (PE) or phosphatidylserine (PS) or with phosphatidylglycerol (PG). Thus, both headgroup and fatty acid composition determine SP-A/phospholipid interaction. However, the protein has no high specificity, neither for the polar nor for the apolar moiety of phospholipids.

In den letzten Jahren gerieten phenolische Substanzen, wie z.B. Chlor-, Nitrophenol oder Alkylphenolethoxylate aufgrund ihrer Toxizität sowie ihres kanzerogenen und endokrinen Potentials in das Interesse der Öffentlichkeit. Diese Substanzen gelangen in großen Mengen, z.B. aus industriellen Prozessen (Papier-, Kunststoff-, oder Lederindustrie) oder als Abbauprodukte von Pflanzenschutzmitteln in die Umwelt.<br /> <br /> Ziel dieser Arbeit war es, einfache biochemische Bestimmungsmethoden für verschiedene phenolische Umweltschadstoffe auf Basis biochemischer Erkennungselemente zu entwickeln. Diese sollten als Screeningmethoden in der Vor-Ort-Analytik einsetzbar sein. Die Anwendung sollte kostengünstig und einfach durchzuführen sein, so dass die Messung kein hochwissenschaftliches Personal erfordert. Daher stand im Hintergrund der Arbeit die Integration der Analysenmethode in ein kompaktes Handgerät.<br /> <br /> Zu diesem Zweck wurde ein Biosensor entwickelt der zur direkten Messung und in Kombination mit einem Immunoassay einsetzbar ist:<br /> <br /> 1.) Elektrochemischer Biosensor<br /> Ein elektrochemischer Biosensor stellt die Verbindung zwischen einer Elektrode und der biologischen Komponente dar. Als Messprinzip wurde die Amperometrie gewählt. Hierbei wird die Präsenz des nachzuweisenden Stoffes durch die angelegte Spannung am Sensor visualisiert, da beim Vorhandensein ein Stromfluss gemessen wird.<br /> <br /> Um die Signalintensität zu erhöhen können Enzyme als Katalysatoren genutzt werden, die in der Lage sind die Rückreaktion der Elektrodenreaktion zu realisieren. In diesem Fall wurde Glucose-Dehydrogenase (GDH) verwendet, die oxidierte phenolische Verbindungen reduzieren kann. Zusammen mit der Oxidation an der Sensoroberfläche bildet sich ein Verstärkungszyklus aus, der das ursprüngliche Signal vielfach erhöht.<br /> <br /> Wir waren in der Lage, GDH durch Einbetten in ein Polymerennetzwerk auf der Oberfläche einer gedruckten Platin-Dickschicht-Elektrode zu immobilisieren. Als Resultat erhielten wir einen sehr empfindlichen und äußerst stabilen Biosensor. Seine schnelle Ansprechzeit ermöglicht den Einsatz in automatisierten Fließsystemen zur Messung großer Probenzahlen. Der Einsatz in einem manuell betriebenen Handgerät konnte ebenfalls realisiert werden und brachte nur geringe Beeinträchtigungen in bezug auf die Empfindlichkeit der Messung. Die erfolgreiche Implementierung des Biosensors in das Handgerät wurde in Rahmen eines internationalen Workshops in Barcelona, anhand der Überprüfung der Reinigungsleistung von Klärwerken, gezeigt.<br /> <br /> 2.) Kombination mit Immunoassays<br /> Der Einsatzbereich der GDH-Biosensoren lässt sich durch die Kombination mit anderen Techniken erweitern, wobei der Sensor zur Visualisierung der Nachweisreaktion dient. In diesem Fall kann der Sensor zur Bestimmung der Enzymaktivität von ß?Galactosidase (ßGal) verwendet werden. Der Nachweis geringster Enzymmengen wurde realisiert. Die ßGal wird zur Markierung eines Analytanalogen in Immunoassays verwendet, um die Bindung von Antikörper und Analytmolekül sichtbar zu machen. Im Immunoassay bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Antikörper, unmarkiertem Analyt und markiertem Analytanalog (Tracer) aus. Über die Bestimmung der Enzymaktivität kann man die Analytkonzentration in der Probe errechnen.<br /> <br /> Wir haben unseren GDH-Biosensor erfolgreich mit zwei Techniken kombiniert. Zum Einen mit einem Assay zur Bestimmung von Nitrophenol, der in einem automatisiertem Fließsystem realisiert wurde. Hier wird die Mischung aus Antikörpern, Analyt und Tracer über eine Säule gegeben und gespült. Die gebundenen Bestandteile werden durch den GDH-Biosensor quantifiziert.<br /> <br /> Zum Anderen wurde ein Kapillarimmunoassay entwickelt, der in das Handgerät integriert werden kann. Dabei wird der Antikörper direkt an der Kapillare fixiert. Die Probe wird mit Tracer vermischt und in die Kapillare gegeben. Dort bildet sich das Gleichgewicht aus und weitere Probenbestandteile werden im Spülschritt eliminiert. Die Analytkonzentration wird durch die Bestimmung des gebunden Tracers (Aktivität der ßGal) mit Hilfe des GDH-Biosensors realisiert. / The development of fast and reliable biochemical tools for on-site screening in environmental analysis was the main target of the present work. Due to various hazardous effects such as endocrine disruption and toxicity phenolic compounds are key analytes in environmental analysis and thus were chosen as model analytes.<br /> <br /> Three different methods were developed:<br /> <br /> For the enzymatic detection of phenols in environmental samples an enzyme-based biosensor was developed. In contrast to reported work using tyrosinase or peroxidases, we developed a biosensor based on glucose dehydrogenase as biorecognition element. This biosensor was devoted for an application in a laboratory flow system as well as in a portable device for on-site measurements.<br /> <br /> This enzymatic detection is applicable only for a limited number of phenols due to substrate specificity of the enzyme. For other relevant compounds based on a phenolic structure (i.e. nitrophenol, alkylphenols and alkylphenol ethoxylates) immunological methods had to be developed. The electrochemical GDH-biosensor was used as the label detector in these immunoassays.<br /> <br /> Two heterogeneous immunoassays were developed where ßGal was used as the label. An electrochemical method for the determination of the marker enzyme activity was processed. The separation step was realized with protein A/G columns (laboratory flow system) or by direct immobilization of the antibodies in small disposable capillaries (on-site analysis). <br /> <br /> All methods were targeted on the contemporary analysis of small numbers of samples.

Analytische Chemie heute meint nicht länger nur die große Messtechnik, die zeit- und kostenintensiv ist, die außerdem nur von qualifiziertem Personal zu bedienen ist und deren Resultate nur durch dieses Personal auswertbar sind. Meist erfordert diese sagen wir 'klassische analytische Messtechnik' auch noch spezielle Räumlichkeiten und oft eine relative große Menge an speziell vorbereiteten Proben. Neben dieser klassischen analytischen Messtechnik hat sich besonders in den letzten Jahren eine auf bestimmte Stoffgruppen und Anforderungen zugeschnittene Messtechnik durchgesetzt, die oft auch durch einen Laien bedient werden kann. Meist sind es sehr kleine Geräte. Auch die benötigten Probenvolumina sind klein und eine spezielle Probenvorbereitung ist nicht erforderlich. Ausserdem sind die Geräte einfach zu handhaben, billig sowohl in ihrer Herstellung als auch im Gebrauch und meist erlauben sie sogar eine kontinuierliche Messwerterfassung. <br /> <br /> Zahlreiche dieser in den letzten Jahren entwickelten Geräte greifen zurück auf 40 Jahre Forschung auf dem Gebiet der Biosensorik. Seit Clark und Lyons im Jahr 1962 in der Lage waren, mit einer einfachen Sauerstoffelektrode, ergänzt durch ein Enzym, Glucose zu messen, war die Entwicklung neuer Messtechnik nicht mehr aufzuhalten. Biosensoren, spezielle Messfühler, die aus einer Kombination aus biologischer Komponente (erlaubt eine spezifische Erkennung des Analyten auch ohne vorherige Reinigung der Probe) und einem physikalischen Messfühler (wandelt den primären physikochemischen Effekt in ein elektronisch messbares Signal um) bestehen, eroberten den Markt. <br /> <br /> Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden verschiedene Tyrosinasesensoren entwickelt, die je nach Herkunft und Eigenschaften der verwendeten Tyrosinase unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Beispielsweise wurde einer dieser Tyrosinasesensoren für die Bestimmung phenolischer Verbindungen in Fluss- und Seewasserproben eingesetzt, und die mit diesem Sensor gemessenen Ergebnisse konnten sehr gut mit dem entsprechenden DIN-Test zur Bestimmung phenolischer Verbindungen korreliert werden. Ein anderer entwickelter Sensor zeigte eine sehr hohe Empfindlichkeit für Catecholamine, Substanzen die speziell in der medizinischen Diagnostik von Wichtigkeit sind. <br /> <br /> Ausserdem zeigten die ebenfalls im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführten Untersuchungen zweier verschiedener Tyrosinasen, dass, will man in Zukunft noch empfindlichere Tyrosinasesensoren entwickeln, eine spezielle Tyrosinase (Tyrosinase aus Streptomyces antibioticus) die bessere Wahl sein wird, als die bisher im Bereich der Biosensorforschung verwendete Tyrosinase aus Agaricus bisporus. <br /> <br /> Desweiteren wurden erste Erfolge auf molekularbiologischem Gebiet erreicht, das heisst, dass Tyrosinasemutanten mit speziellen, vorher überlegten Eigenschaften, hergestellt werden sollen. Diese Erfolge können dazu genutzt werden, eine neue Generation an Tyrosinasesensoren zu entwickeln, Tyrosinasesensoren in denen Tyrosinase gerichtet gebunden werden kann, sowohl an den entsprechenden physikalischen Messfühler oder auch an ein anderes Enzym. Davon verspricht man sich deutlich minimierte Wege, die die zu bestimmende Substanz (oder deren Produkt) sonst zurücklegen müsste, was am Ende zu einer deutlich erhöhten Empfindlichkeit des resultierenden Biosensors führen sollte. / Today, analytical chemistry does not longer consist of only the big measuring devices and methods which are time consuming and expensive, which can furthermore only be handled by the qualified staff and in addition the results can also only be evaluated by this qualified staff. Usually, this technique, which shall be described in the following as 'classic analytic measuring technique', requires also rooms equipped especially and often a relative big quantity of the test compounds which should be prepared especially. Beside this classic analytic measuring technique, limited on definite substance groups and requests, a new measuring technique has gained acceptance particularly within the last years, which one can often be used by a layman, too. Often the new measuring technique has very little pieces of equipment. The needed sample volumes are also small and a special sample preparation isn't required. In addition, the new measuring instruments are simple to handle. They are cheap both in their production and in the use and they permit even a continuous measurement recording usually. <br /> <br /> Numerous of this new measuring instruments base on the research in the field of Biosensorik during the last 40 years. Since Clark and Lyon in the year 1962 were able to measure glucose with a simple oxygen electrode, completed by an enzyme the development of the new measuring technique did not have to be held back any longer. Biosensors, special pickups which consists of a combination from a biological component (permits a specific recognition of the analyte also without purification of the sample previously) and a physical pickup (convert the primary physicochemical effect into an electronically measurable signal), conquered the market. <br /> <br /> In the context of this thesis different tyrosinasesensors were developed which fulfilling the various requests, depending on origin and features of the used tyrosinase. One of the tyrosinasesensors for example was used for quantification of phenolic compounds in river and sea water and the results could correlated very well with the corresponding DIN-test for the determination of phenolic compounds. An other developed tyrosinasesensor showed a very high sensitiveness for catecholamines, substances which are of special importance in the medical diagnostics. <br /> <br /> In addition, the investigations of two different tyrosinases, which were carried out also in the context of this thesis, have shown, that a special tyrosinase (tyrosinase from Streptomyces antibioticus) will be the better choice as tyrosinase from Agaricus bisporus, which is used in the area of biosensor research till now, if one wants to develop in future even more sensitive tyrosinasesensors. <br /> <br /> Furthermore, first successes became reached on a molecular biological field, the production of tyrosinasemutants with special, before well-considered features. These successes can be used to develop a new generation of tyrosinasesensors, tyrosinasesensors in which tyrosinase can be bound directionally both to the corresponding physical pickup or also to another enzyme. From this one expects to achieve ways minimized which the substance to be determined (or whose product) otherwise must cover. Finally, this should result in an clearly visible increase of sensitivity of the Biosensor.

Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Eignung bakterieller Hüllproteine als Bindungsmatrix für die Kopplung funktionaler Moleküle mit dem Ziel, sensorische Schichten zu erzeugen. Bakterielle Hüllproteine sind biologische SAMs, anderen Oberfläche sich modifizierbare COOH-, NH2- und OH-Gruppen befinden. Die Ausbildung polymerer Strukturen erfolgt dabei in wässrigen Systemen und auf Oberflächen. Im Zuge der boomenden Entwicklung von Biosensoren werden insbesondere Biotemplate gesucht, die zwischen biologischer Komponente und Sensoroberfläche vermitteln. Bakterielle Hüllproteine stellen eine solche Zwischenschicht dar. Als Anwendungsbeispiel wurden die Proteine daher mit einem FRET-Paar und Thrombin und Kanamycin-Aptameren modifiziert. Hierbei wurden das FRET-Paar H488 und H555 an die bakteriellen Hüllproteine der beiden Haldenisolate A12 und B53 mittels EDC mit einer Modifizierungsrate von 0,54 molFarbstoff/molProtein kovalent gebunden. Bei der vorhandenen p4-Symmetrie bedeutet dies, dass ein FRET-Paar pro Einheitszelle vorhanden war. Der Nachweis eines Energietransfers zwischen den beiden am Protein gebundenen Fluoreszenzfarbstoffen H488 und H555 erfolgte mittels statischer und zeitaufgelöster Fluoreszenzmessung. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Energietransfer nur möglich war, wenn die Proteine in polymerer Form vorlagen, unabhängig davon, ob sich die Proteine immobilisiert an einer Oberfläche oder in wässriger Lösung befanden. Mittels Variieren des Donor-Akzeptor-Verhältnisses konnte ein maximaler Energietransfer von 40 % generiert werden, wenn das Verhältnis der Fluoreszenzfarbstoffe von Donor und Akzeptor 4 betrug. Die Fluoreszenzintensität der Fluorophore wurde durch die Bindung an die Proteine nicht verringert oder gelöscht. Dies legt nahe, dass die Farbstoffe in den hydrophoben Poren immobilisiert wurden und die Poren die Fluoreszenzfarbstoffe schützen. Um weitere Aussagen über die Lage der gebundenen Fluoreszenzfarbstoffe zu erhalten, wurden die bakteriellen Hüllproteine der Stämme A12 und B53 enzymatisch verdaut und die Fragmente mittels SEC und SDS-PAGE untersucht. Dabei zeigten sich je nach Enzym und Protein unterschiedliche Bandenmuster bezüglich modifizierter und nativer Hüllproteine. Dies belegt, dass die Fluoreszenzfarbstoffe an NH2-und COOH-Gruppen der Proteine gebunden wurden und so teilweise den enzymatischen Verdau hinderten. Die SEC deutet an, dass die Fluoreszenzfarbstoffe an verschiedenen Stellen am Protein gebunden wurden. In einem zweiten Beispiel wurde das bakterielle Hüllprotein von A12 mit einem Aptamer modifiziert. Aptamere sind kurze einzelsträngige Oligonukleotide, die u.a. mittels ihrer ausgebildeten 3D-Struktur spezifisch Zielstrukturen reversibel binden können. Die hier verwendeten Aptamere binden spezifisch Thrombin und Kanamycin. Die Aptamere wurden mit Hilfe einer der beiden Vernetzer PMPI oder Sulfo-SMCC an die bakteriellen Hüllproteine kovalent gebunden. Nach dem Modifizieren der Proteine wurden diese auf entsprechenden Sensorchips immobilisiert und die Aktivität des gekoppelten Aptamers mittels Affinitätsmessungen, SPR-Spektroskopie und QCM-D-Messungen analysiert. Die Funktion des gebundenen Thrombinaptamers konnte mittels Affinitätsmessungen und QCM-D nachgewiesen werden und entspricht in beiden Fällen einer Bindung von 2 nmol Thrombin pro Quadratzentimeter. Die Funktionalität des Kanamycinaptamers sollte mittels SPR bestimmt werden, jedoch konnte keine Funktionalität des gekoppelten Kanamycinaptamers nachgewiesen werden. Alle Messungen bestätigten jedoch, dass die Bindungsmatrix aus bakteriellen Hüllproteinen keinerlei oder nur ein sehr geringes Hintergrundsignal liefert. Werden nun beide Komponenten, FRET-Paar und Aptamere, an das Protein gebunden, ist es möglich, eine sensorische Schicht zu erzeugen. Die Zielstruktur, welche detektiert werden soll, wird an das Aptamer gebunden und so in räumliche Nähe zur Sensorfläche gebracht. Stell die Zielstruktur einen Fluoreszenzlöscher dar, so wird der Energietransfer durch die räumliche Nähe des Fluoreszenzlöscher gestört. Die Detektion des Zielmoleküls erfolgt nun über die Änderung von Fluoreszenzintensitäten. Die hier vorgelegte Arbeit soll einen Grundstein legen für die Entwicklung eines solchen Sensors und insbesondere die Detektion eines Energietransfers optimieren und Schwachstellen in der Detektion nachweisen. Die systematische Untersuchung der Fluoreszenzfarbstoffe auf dem Protein ermöglichen es, in zukünftigen Arbeiten einen FRET zweifelsfrei zu detektieren. Die Modifizierung von bakteriellen Hüllproteinen von A12 mit Aptameren und die Detektion der Funktionalität der Aptamere mittels verschiedener Methoden zeigte auf, dass die bakteriellen Hüllproteine als universelle Bindungsmatrix für sensorische Moleküle dienen können, bei denen Affinitätsmessungen, SPR- oder QCM-D-Messungen genutzt werden. Besonders hervorzuheben ist, dass bakterielle Hüllproteine nahezu kein Hintergrundsignal liefern und aufgrund ihrer dünnen Monolage von etwa 6 - 9 nm die Sensitivität der Messungen nur gering beeinträchtigen.

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In this doctoral thesis we study novel analogues based on R06 aptamers and targeting TAR hairpins of the HIV virus by means of surface plasmon resonance biosensor, which allows for sensitive and real-time monitoring of molecular interactions. We investigate seven different modifications placed at nine different positions on the R06 aptamer in order to find out their applicability in the construction of efficient and stable anti-TAR oligonucleotides. We also determine which positions are suitable for substitutions with a modification and interpret the results in the context of the local nucleotide geometries and interactions in the TAR/anti-TAR complex. In this doctoral thesis we further develop a new fluidic system. This fluidic system eliminates sample dispersion and intermixing effects and thus enables accurate monitoring of molecular interactions on the surface of an SPR chip. We also characterize experimental conditions on the surface of an oligonucleotide chip and their relations towards bio-molecular assays. Specifically, we study the shielding effect of monovalent and divalent cations, which are crucial for the interaction of negatively charged oligonucleotides.