Die Wasserverschmutzung durch Seltenen Erden (REEs) und Schwermetallen verursacht viele Probleme für die Umwelt und die menschliche Gesundheit. Daher ist der Nachweis solcher Elemente von hoher Priorität. Derzeit verwendete Methoden haben einige Nachteile, wie hohe Messkosten, beschränke Selektivität, komplexe Handhabung oder der Bedarf von hochqualifiziertem Personal für die Probenanalyse. Die Kombination von biologischen Komponenten und Nanomaterialien zur Sensorentwicklung bietet eine Möglichkeit diese Nachteile ausgleichen. Mikroorganismen haben evolutionäre Strategien entwickelt, um sich vor toxischen Schwermetallen zu schützen, z.B durch Binden der Metallionen an ihrer Zelloberfläche mit speziellen Oberflächenproteinen (S-Layer). Diese bestehen aus einer Monolage identischer (Glyco-) Proteine, die sich selbst assemblieren und eine hochgeordnete kristalline Struktur unterschiedlicher Symmetrie bilden können. Studien haben die Bindung von Metallionen (einschließlich REEs) durch S-Layer-Proteine gezeigt.
In dieser Dissertation wurden drei Nanomaterialien (Goldnanopartikel (AuNPs), planare Goldoberflächen und Nanodiamanten (NDs)) mit acht verschiedene S-Layer-Proteinen beschichtet. Ziel war die Entwicklung von Biohybrid-Sensor-Systemen für die Detektion von bis zu 12 Metallionen in Wasser.
Ein kolorimetrisches Sensorsystem mit biofunktionalisierten AuNPs zur Detektion von REEs und Schwermetallen, einschließlich der aktuell vermehrt auftretenden Schadstoffe Lanthan und Gadolinium, wurde etabliert. Die Nachweisgrenzen lagen im Bereich vergleichbarer AuNPs-Systeme zum Nachweis von Schwermetallen, während die Slayer-AuNP-Biohybride ein breiteres Spektrum von Metallionen detektieren konnten.
Das Screening aller acht S-Layer-AuNP-Biohybride mit 12 Metallsalzlösungen ergab charakteristische Wechselwirkungsmuster für jede der Kombinationen und ermöglichte den spezifischen Nachweis einer einzelnen Metallionenspezies in unbekannten Lösungen.
Eine Kosten- und Ressourcenoptimierung ist über die Lagerung bis zu drei Monate und Wiederverwendbarkeit gegeben.
Auf planaren Goldoberflächen ermöglichten die SPR-Spektroskopie die Messung der Adsorption von S-Layer-Proteinen, sowie die anschließende Detektion von CuSO4, NiCl2 und YCl3. Die Detektionslimits lagen dabei unter den kolorimetrischen Biohybridsystemen.
Die SPR-Chips wurden erfolgreich regeneriert und für mehrere Funktionalisierungen mit S-Layer-Proteinen wiederverwendet.
Das S-Layer-Protein SslA von S. ureae ATCC 13881 wurde erstmals an NDs adsorbiert. Die NDs/SslA-Biohybride wurden zur Detektion von CuCl2 und NiCl 2 verwendet, indem die Agglomeration und das Fluoreszenzquenching gemessen wurden.
Es hat sich gezeigt, dass die vorgestellten Systeme viele der Nachteile ausgleichen,
die mit derzeit verwendeten Systemen verbunden sind. Sie detektieren eine Vielzahl von Metallionen und minimieren so den Bedarf für mehrere Methoden. Die Nachweisgrenzen waren vergleichbar mit aktuellen kolorimetrischen und chemischen Kit-Systemen. Die S-layer-AuNPs und NDs/S-layer-Biohybride waren schnell und einfach zu handhaben, wodurch der Bedarf an hochqualifiziertem Messpersonal minimiert werden kann. Darüber hinaus führt die Verwendung von kostengünstigen Materialien wie NDs und die Wiederverwendbarkeit der Biohybride zu einem ressourceneffizienten und kostengünstigen Nachweissystem. Diese Dissertation hat das enorme Potenzial von S-Layer-Proteinen für den Nachweis von REEs und Schwermetallen in Wasser unter Verwendung verschiedener Nachweissysteme wie kolorimetrischer AuNPs-Assays, SPR-Spektroskopie
und NDs gezeigt. / The pollution of aqueous systems with rare earth elements (REEs) and heavy metals causes serious problems for environmental and human health. Therefore, the detection of such elements is of uttermost importance. Currently used methods have some disadvantages, such as high measurement costs, limited selectivity, complex sample handling, or the need for highly qualified personnel for sample analysis. The combination of biological components and nanomaterials for sensor development offers a way to offset these disadvantages. Microorganisms have developed strategies to protect themselves from heavy metal toxicity, e.g. by binding the metal ions on their cell surface with special Surface layer (S-layer) proteins. They consist of a monolayer of identical (glyco-) proteins, which can self-assemble and form a highly ordered crystalline structure of varying symmetry. Studies on the heavy metal binding of S-layer proteins have demonstrated their affinity for metal ions, including REE. The combination of nanomaterials with S-layer proteins enables the development of new sensors for these elements.
Within this dissertation several nanomaterials in combination with S-layer proteins were investigated to obtain sensors for REEs and heavy metals. Eight different S-layer proteins were used to functionalize AuNPs, flat gold surfaces and nanodiamonds (NDs) for the detection of up to 12 metal ions in water.
Colorimetric sensor systems with biofunctionalized AuNPs for the detection of REE and heavy metals, including the newly emerging pollutants lanthanum and gadolinium, were established. The detection limits of reference measurements and spiked tapwater samples were in the range of comparable AuNPs systems for the detection of heavy metals, while offering a broader range of metal ions to detect. The screening of all eight S-layer-AuNP biohybrids with 12 metal ions revealed specific interaction patterns for each of the combinations. The optimization cost and resource is achieved by storage up to three months and reusability of the S-layer-AuNP biohybrids. Surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy enabled the measurement of S-layer proteins binding to flat gold surfaces, resulting in a stable protein layer used for the subsequent detection of CuSO4, NiCl2 and YCl3. The SPR chips were succesfully regenerated and reused for multiple functionalizations with S-layer proteins.
The S-layer protein SslA from S. ureae ATCC 13881 was successfully adsorbed to the pristine NDs by physical conjugation. The NDs/SslA conjugates were used for the detection of CuCl2 and NiCl2, by measuring the agglomeration of the NDs and fluorescence quenching.
The presented systems compensate many of the disadvantages associated with currently used techniques. They detect a broad variety of metal ions, minimizing the need for multiple methods. The detection limits were comparable to current colorimetric and chemical kit systems. The S-layer-AuNPs and NDs/S-layer biohybrids were quick and easy to handle, minimizing the need for highly qualitified personnel. In addition, the use of cost-effective materials such as NDs and the reusability of the biohybrids results in resource-efficient and cost-effective sensor systems. This project has shown the tremendous potential of S-layer proteins for the detection of REE and metal ions in water, by utilizing different detection systems like colorimetric AuNPs assays, SPR spectroscopy and NDs.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:38408 |
| Date | 20 February 2020 |
| Creators | Jung, Jonas |
| Contributors | Cuniberti, Gianaurelio, Stintz, Michael, Bühler, Katja, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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