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Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.
Muscular activity in terms of surface electromyography (sEMG) is usually normalised to maximal voluntary isometric contractions (MVICs). This study aims to compare two different MVIC-modes in handcycling and examine the effect of moving average window-size. Twelve able-bodied male competitive triathletes performed ten MVICs against manual resistance and four sport-specific trials against fixed cranks. sEMG of ten muscles [M. trapezius (TD); M. pectoralis major (PM); M. deltoideus, Pars clavicularis (DA); M. deltoideus, Pars spinalis (DP); M. biceps brachii (BB); M. triceps brachii (TB); forearm flexors (FC); forearm extensors (EC); M. latissimus dorsi (LD) and M. rectus abdominis (RA)] was recorded and filtered using moving average window-sizes of 150, 200, 250 and 300 ms. Sport-specific MVICs were higher compared to manual resistance for TB, DA, DP and LD, whereas FC, TD, BB and RA demonstrated lower values. PM and EC demonstrated no significant difference between MVIC-modes. Moving average window-size had no effect on MVIC outcomes. MVIC-mode should be taken into account when normalised sEMG data are illustrated in handcycling. Sport-specific MVICs seem to be suitable for some muscles (TB, DA, DP and LD), but should be augmented by MVICs against manual/mechanical resistance for FC, TD, BB and RA.
Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a novel human infectious disease provoked by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Currently, no specific vaccines or drugs against COVID-19 are available. Therefore, early diagnosis and treatment are essential in order to slow the virus spread and to contain the disease outbreak. Hence, new diagnostic tests and devices for virus detection in clinical samples that are faster, more accurate and reliable, easier and cost-efficient than existing ones are needed. Due to the small sizes, fast response time, label-free operation without the need for expensive and time-consuming labeling steps, the possibility of real-time and multiplexed measurements, robustness and portability (point-of-care and on-site testing), biosensors based on semiconductor field-effect devices (FEDs) are one of the most attractive platforms for an electrical detection of charged biomolecules and bioparticles by their intrinsic charge. In this review, recent advances and key developments in the field of label-free detection of viruses (including plant viruses) with various types of FEDs are presented. In recent years, however, certain plant viruses have also attracted additional interest for biosensor layouts: Their repetitive protein subunits arranged at nanometric spacing can be employed for coupling functional molecules. If used as adapters on sensor chip surfaces, they allow an efficient immobilization of analyte-specific recognition and detector elements such as antibodies and enzymes at highest surface densities. The display on plant viral bionanoparticles may also lead to long-time stabilization of sensor molecules upon repeated uses and has the potential to increase sensor performance substantially, compared to conventional layouts. This has been demonstrated in different proof-of-concept biosensor devices. Therefore, richly available plant viral particles, non-pathogenic for animals or humans, might gain novel importance if applied in receptor layers of FEDs. These perspectives are explained and discussed with regard to future detection strategies for COVID-19 and related viral diseases.
Electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) field-effect sensors belong to a new generation of electronic chips for biochemical sensing, enabling a direct electronic readout. The review gives an overview on recent advances and current trends in the research and development of chemical sensors and biosensors based on the capacitive field-effect EIS structure—the simplest field-effect device, which represents a biochemically sensitive capacitor. Fundamental concepts, physicochemical phenomena underlying the transduction mechanism and application of capacitive EIS sensors for the detection of pH, ion concentrations, and enzymatic reactions, as well as the label-free detection of charged molecules (nucleic acids, proteins, and polyelectrolytes) and nanoparticles, are presented and discussed.
In this study, we describe the manufacturing and characterization of silk fibroin membranes derived from the silkworm Bombyx mori. To date, the dissolution process used in this study has only been researched to a limited extent, although it entails various potential advantages, such as reduced expenses and the absence of toxic chemicals in comparison to other conventional techniques. Therefore, the aim of this study was to determine the influence of different fibroin concentrations on the process output and resulting membrane properties. Casted membranes were thus characterized with regard to their mechanical, structural and optical assets via tensile testing, SEM, light microscopy and spectrophotometry. Cytotoxicity was evaluated using BrdU, XTT, and LDH assays, followed by live–dead staining. The formic acid (FA) dissolution method was proven to be suitable for the manufacturing of transparent and mechanically stable membranes. The fibroin concentration affects both thickness and transparency of the membranes. The membranes did not exhibit any signs of cytotoxicity. When compared to other current scientific and technical benchmarks, the manufactured membranes displayed promising potential for various biomedical applications. Further research is nevertheless necessary to improve reproducible manufacturing, including a more uniform thickness, less impurity and physiological pH within the membranes.