The aim of this work was to functionalize silicon dioxide surfaces with biochemical molecules in such a way that biorecognition of target molecules in solution will be possible. By introducing a tool set of different molecules and characterization methods, a more universal approach towards various biosensor setups is presented.
This includes on the one hand preparation of the biosensor surfaces to allow further molecule attachment via their reactive functional groups. Secondly, the selection of chemical molecules providing suitable counterparts for abundant functional groups of potential receptors is discussed. Two detection schemes are introduced – based on an antibody to detect the antibiotic amoxicillin and aptamers to detect thrombin.
The antibody was implemented in an inverse competition assay to probe such small target molecules. Antibiotic residues are often present in wastewater. Aptamers, so-called artificial antibodies, were selected as they provide many advantages over antibodies. As a model system, two different thrombin binding aptamers were chosen which allowed to perform sandwich assays as well. The protein thrombin plays an important role in the blood coagulation cascade. To probe the individual modification steps, different techniques for analysis were applied. Surface micropatterning was introduced to improve recognition of modified areas and fluorescence-to-background ratios resulting in a thrombin detection limit down to 20 pM. One important goal was the integration in ion-sensitive field-effect transistor devices. Aptamers are small in size which might enable a higher sensitivity of these devices compared to the use of antibodies because of the Debye layer thickness.
As a final step, first measurements towards silicon nanowire based field-effect transistor biosensors were carried out on devices with bottom-up and top-down fabricated nanowires using both proposed receptor-analyte combinations. The potential of these devices as portable sensors for real-time and label-free biosensing is demonstrated. / Ziel dieser Arbeit war es Siliziumdioxidoberflächen so mit biochemischen Molekülen zu funktional- isieren, dass die biologisch spezifische Erkennung von Zielmolekülen in Lösung möglich wird. Hier wird eine Auswahl an geeigneten Molekülen und Charakterisierungsmethoden für einen vielseitigen Ansatz gezeigt, der auf verschiedene Biosensorsysteme anwendbar ist.
Das beinhaltet zum Einen die Präparation der Biosensoroberflächen, so dass die Moleküle über reaktive funktionelle Gruppen angebunden werden können. Als zweites ist die Auswahl der chemischen Moleküle wichtig, da diese die passenden Gegenstücke zu potentiellen funktionellen Gruppen der Rezeptoren darstellen. Zwei verschiedene Detektionsvarianten werden eingeführt – Antikörper gegen das Antibiotikum Amoxicillin und Aptamere gegen Thrombin.
Der Antikörper wurde in einen inversen Wettbewerbsassay integriert um einen solch kleinen Ana- lyten detektieren zu können. Rückstände von Antibiotika sind häufig in Abwässern zu finden. Ap- tamere, sogenannte künstliche Antikörper, weisen gegenüber Antikörpern viele Vorteile auf. Als ein Modellsystem wurden zwei unterschiedliche Thrombin bindende Aptamere verwendet, was auch die Durchführung von Sandwich Assays ermöglichte. Das Protein Thrombin spielt eine wichtige Rolle bei der Blutgerinnung. Um die einzelnen Modifikationsschritte zu untersuchen, wurden verschiedene Charakterisierungsmethoden angewendet. Die Mikrostrukturierung der Funktionalisierung erleichterte die Erkennung der modifizierten Flächen und verbesserte das Fluoreszenz-zu-Hintergrund Verhältnis. Das führte zu einer Detektionsgrenze von 20 pM für Thrombin. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit war die Integration der Funktionalisierung in einen ionen-sensitiven Feldeffekttransistor. Die kleinen Aptamere könnten dabei aufgrund der geringen Debye-Schichtdicke bei diesen Sensoren eine höhere Sensitivität als mit Antikörpern ermöglichen.
Zuletzt wurden erste Messungen hin zu Silizium Nanodraht basierten Feldeffekttransistor Biosen- soren mit beiden untersuchten Rezeptor-Analyt-Kombinationen durchgeführt. Sowohl die Chips mit bottom-up als auch mit top-down gewachsenen Nanodrähten zeigen dabei ihr Potential als handliche Sensoren zur markerfreien Detektion in Echtzeit.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:14-qucosa-148666 |
| Date | 21 July 2014 |
| Creators | Römhildt, Lotta |
| Contributors | Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen, Prof. Dr. Gianaurelio Cuniberti, Dr. Larysa Baraban, Prof. Dr. Gianaurelio Cuniberti, Prof. Dr. Sven Ingebrandt |
| Publisher | Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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