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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.
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.
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.
Extracellular acidification is a basic indicator for alterations in two vital metabolic pathways: glycolysis and cellular respiration. Measuring these alterations by monitoring extracellular acidification using cell-based biosensors such as LAPS plays an important role in studying these pathways whose disorders are associated with numerous diseases including cancer. However, the surface of the biosensors must be specially tailored to ensure high cell compatibility so that cells can represent more in vivo-like behavior, which is critical to gain more realistic in vitro results from the analyses, e.g., drug discovery experiments. In this work, O2 plasma patterning on the LAPS surface is studied to enhance surface features of the sensor chip, e.g., wettability and biofunctionality. The surface treated with O2 plasma for 30 s exhibits enhanced cytocompatibility for adherent CHO–K1 cells, which promotes cell spreading and proliferation. The plasma-modified LAPS chip is then integrated into a microfluidic system, which provides two identical channels to facilitate differential measurements of the extracellular acidification of CHO–K1 cells. To the best of our knowledge, it is the first time that extracellular acidification within microfluidic channels is quantitatively visualized as differential (bio-)chemical images.
An acetoin biosensor based on a capacitive electrolyte–insulator–semiconductor (EIS) structure modified with the enzyme acetoin reductase, also known as butane-2,3-diol dehydrogenase (Bacillus clausii DSM 8716ᵀ), is applied for acetoin detection in beer, red wine, and fermentation broth samples for the first time. The EIS sensor consists of an Al/p-Si/SiO₂/Ta₂O₅ layer structure with immobilized acetoin reductase on top of the Ta₂O₅ transducer layer by means of crosslinking via glutaraldehyde. The unmodified and enzyme-modified sensors are electrochemically characterized by means of leakage current, capacitance–voltage, and constant capacitance methods, respectively.
A new functionalization method to modify capacitive electrolyte–insulator–semiconductor (EIS) structures with nanofilms is presented. Layers of polyallylamine hydrochloride (PAH) and graphene oxide (GO) with the compound polyaniline:poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PANI:PAAMPSA) are deposited onto a p-Si/SiO2 chip using the layer-by-layer technique (LbL). Two different enzymes (urease and penicillinase) are separately immobilized on top of a five-bilayer stack of the PAH:GO/PANI:PAAMPSA-modified EIS chip, forming a biosensor for detection of urea and penicillin, respectively. Electrochemical characterization is performed by constant capacitance (ConCap) measurements, and the film morphology is characterized by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). An increase in the average sensitivity of the modified biosensors (EIS–nanofilm–enzyme) of around 15% is found in relation to sensors, only carrying the enzyme but without the nanofilm (EIS–enzyme). In this sense, the nanofilm acts as a stable bioreceptor onto the EIS chip improving the output signal in terms of sensitivity and stability.
Photoelectrochemical (PEC) biosensors are a rather novel type of biosensors thatutilizelighttoprovideinformationaboutthecompositionofananalyte,enablinglight-controlled multi-analyte measurements. For enzymatic PEC biosensors,amperometric detection principles are already known in the literature. In con-trast, there is only a little information on H+-ion sensitive PEC biosensors. Inthis work, we demonstrate the detection of H+ions emerged by H+-generatingenzymes, exemplarily demonstrated with penicillinase as a model enzyme on atitanium dioxide photoanode. First, we describe the pH sensitivity of the sensorand study possible photoelectrocatalytic reactions with penicillin. Second, weshow the enzymatic PEC detection of penicillin.
The treatment method to deactivate viable microorganisms from objects or products is termed sterilization. There are multiple forms of sterilization, each intended to be applied for a specific target, which depends on—but not limited to—the thermal, physical, and chemical stability of that target. Herein, an overview on the currently used sterilization processes in the global market is provided. Different sterilization techniques are grouped under a category that describes the method of treatment: radiation (gamma, electron beam, X-ray, and ultraviolet), thermal (dry and moist heat), and chemical (ethylene oxide, ozone, chlorine dioxide, and hydrogen peroxide). For each sterilization process, the typical process parameters as defined by regulations and the mode of antimicrobial activity are summarized. Finally, the recommended microorganisms that are used as biological indicators to validate sterilization processes in accordance with the rules that are established by various regulatory agencies are summarized.