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The incorporation of nanomaterials that are biocompatible with different types of biological compounds has allowed the development of a new generation of biosensors applied especially in the biomedical field. In particular, the integration of film-based nanomaterials employed in field-effect devices can be interesting to develop biosensors with enhanced properties. In this paper, we studied the fabrication of sensitive nanofilms combining ZnO nanocrystals and carbon nanotubes (CNTs), prepared by means of the layer-by-layer (LbL) technique, in a capacitive electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) structure for detecting glucose and urea. The ZnO nanocrystals were incorporated in a polymeric matrix of poly(allylamine) hydrochloride (PAH), and arranged with multi-walled CNTs in a LbL PAH-ZnO/CNTs film architecture onto EIS chips. The electrochemical characterizations were performed by capacitance–voltage and constant capacitance measurements, while the morphology of the films was characterized by atomic force microscopy. The enzymes glucose oxidase and urease were immobilized on film’s surface for detection of glucose and urea, respectively. In order to obtain glucose and urea biosensors with optimized amount of sensitive films, we investigated the ideal number of bilayers for each detection system. The glucose biosensor showed better sensitivity and output signal for an LbL PAH-ZnO/CNTs nanofilm with 10 bilayers. On the other hand, the urea biosensor presented enhanced properties even for the first bilayer, exhibiting high sensitivity and output signal. The presence of the LbL PAH-ZnO/CNTs films led to biosensors with better sensitivity and enhanced response signal, demonstrating that the adequate use of nanostructured films is feasible for proof-of-concept biosensors with improved properties that may be employed for biomedical applications.
The possibility of using the atomic-force microscopy as a method for detection of the analytical signal from plasticized polymeric sensor membranes was analyzed. The surfaces of cadmium-selective membranes based on two polymeric matrices were examined. The digital images were processed with multivariate image analysis techniques. A correlation was found between the surface profile of an ion-selective membrane and the concentration of the ion in solution.
In comparison to single-analyte devices, multiplexed systems for a multianalyte detection offer a reduced assay time and sample volume, low cost, and high throughput. Herein, a multiplexing platform for an automated quasi-simultaneous characterization of multiple (up to 16) capacitive field-effect sensors by the capacitive–voltage (C–V) and the constant-capacitance (ConCap) mode is presented. The sensors are mounted in a newly designed multicell arrangement with one common reference electrode and are electrically connected to the impedance analyzer via the base station. A Python script for the automated characterization of the sensors executes the user-defined measurement protocol. The developed multiplexing system is tested for pH measurements and the label-free detection of ligand-stabilized, charged gold nanoparticles.
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.
Magnetic immunoassays employing Frequency Mixing Magnetic Detection (FMMD) have recently become increasingly popular for quantitative detection of various analytes. Simultaneous analysis of a sample for two or more targets is desirable in order to reduce the sample amount, save consumables, and save time. We show that different types of magnetic beads can be distinguished according to their frequency mixing response to a two-frequency magnetic excitation at different static magnetic offset fields. We recorded the offset field dependent FMMD response of two different particle types at frequencies ƒ₁ + n⋅ƒ₂, n = 1, 2, 3, 4 with ƒ₁ = 30.8 kHz and ƒ₂ = 63 Hz. Their signals were clearly distinguishable by the locations of the extremes and zeros of their responses. Binary mixtures of the two particle types were prepared with different mixing ratios. The mixture samples were analyzed by determining the best linear combination of the two pure constituents that best resembled the measured signals of the mixtures. Using a quadratic programming algorithm, the mixing ratios could be determined with an accuracy of greater than 14%. If each particle type is functionalized with a different antibody, multiplex detection of two different analytes becomes feasible.