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Novel surface imprinting strategies for selective and highly sensitive protein recognition
a case study based on QCM sensing of Bovine Serum Albumin
Nam Phan Van Ho
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Peter Lieberzeit
DOI
10.25365/thesis.32399
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29612.54293.484062-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Biologische und chemische Sensoren, welche auf molekulargeprägten Polymeren (MIP) basieren, haben sich wesentlich weiterentwickelt, jedoch gibt es immer noch Einschränkungen bei Anwendungen unter realen Bedingungen. Diese Limitierungen sind besonders stark bei proteinbasierten MIPs. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Sensormateriales für einen Proteinsensor. Zudem wurde die Sensitivität durch Einbringen von MIP Nanopartikeln verbessert. Methacrylsäure (MAA) / N-Vinylpyrrolidon (VP) Copolymersysteme wurden systematisch optimiert um sie in QCM Sensorsysteme für die Detektion von Bovine Serum Albumin (BSA) einzusetzen. Die Polymerisationsbedingungen wie pH-Wert, Temperatur und Atmosphäre (Stickstoff) wurden variiert, um die idealen Faktoren zu ermitteln welche zu einem Polymer fühten, welches länger als sieben Tage stabil ist. Die Effizienz der Prägetechnik kann mittels UV-Spektrometrie, STM Bildern und ATR gezeigt werden. Nach den einleitenden QCM Messungen wurde die Zusammensetzung des Polymers untersucht um den Mechanismus der Sensoreffizienz aufzuklären. Das Sensorsignal war umgekehrt proportional zur Menge an Quervernetzern, weil eine Erhöhung der Festigkeit gleichzeitig eine Erniedrigung der Flexibilität bedeutet, was wiederrum eine Verschlechterung der Affinität zum BSA zur Folge hat. Materialien mit einem Anteil von 70% Quervernetzern zeigen eine angemessene Messzeit (t90 Zeit = 0.78 Stunden), geringes Rauschen (etwa 5 Hz) und einen annehmbaren Imprinteffekt (MIP/NIP Verhältnis von 1.58). Monomerzusammensetzungen beeinflussen ebenso stark das Messsignal: Bei Polymeren ohne VP (d. h. Entfernen der Aminogruppen aus der Polymeroberfläche) war ein besserer Imprinteffekt (MIP/NIP Verhältnis 1.4 mal höher) zu erkennen, jedoch nahm die Sensitivität gegenüber Materialien, welche VP enthielten, stark ab und auch die Reaktionszeit verdoppelte sich. Dies führt dazu, dass VP für das Polymer unerlässlich ist. Beim Ersetzen von MAA durch Acrylsäure (AA) erhöhte sich sowohl das Ansprechen des Sensors als auch der Imprinteffekt. Der Grund dafür ist, dass die Methylgruppe im MAA eine geringere polare Interaktion mit den funktionellen Gruppen im BSA besitzt. Das optimale Polymer besitzt ein 2:3 (AA:VP) Verhältnis, welches zu einem Signalverhältnis zwischen MIP und NIP von 1.8 führt und einer angemessenen Sensoransprechzeit (t90 Zeit < 1 Stunde). Ebenfalls wurden organische Lösungsmittel bezüglich deren Einfluss auf die Qualität des MIPs untersucht. Erstaunlicherweise erhöhte eine kleine Menge DMSO (1%) im Wasser das MIP/NIP Verhältnis um mehr als das 2.5fache gegenüber den reinen Lösungsmitteln.
Zur Entwicklung einer neuen Prägetechnik für Proteine wurden Nanopartikel (NP) synthetisiert und als Template benutzt. Acetonitril wurde als Präzipationslösungsmittel, nach Vorstudien, verwendet. Durch QCM Messungen konnte gezeigt werden, dass BSA mit den NP interagiert. Die Messungen wurden mit Mischungen aus BSA und NP durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Zugabe der NP/BSA Mischung zu dem Dünnfilm BSA-MIP auf der Elektrode zu einer Signalverstärkung führte. Bei dem ungeprägten Dünnfilm trat dieser Effekt nicht auf. Dies zeigt, dass die auf BSA geprägten Polymere wie „künstliche Antikörper“ agieren.
Zum Schluss wurde noch ungewaschene BSA-NP als Prägungstemplate verwendet. Dieser Ansatz erhöhte die Sensorantwort um einen Faktor zwei im Vergleich zum „klassischen“ BSA MIP, wohingegen die NIP NP keinen Effekt zeigten. Der Erfolg bei der Verwendung ungewaschener MIP NPs, d. h. Polymerpartikel mit BSA auf ihrer Oberfläche, kam durch die Regressionssteigung der Sensorantwort: geprägtes MIP mit ungewaschenen BSA MIP NP resultierte in einer zweifach höheren Antwort als die „klassischen“ Dünnfilm BSA MIPs.
Abstract
(Englisch)
Biologische und chemische Sensoren, welche auf molekulargeprägten Polymeren (MIP) basieren, haben sich wesentlich weiterentwickelt, jedoch gibt es immer noch Einschränkungen bei Anwendungen unter realen Bedingungen. Diese Limitierungen sind besonders stark bei proteinbasierten MIPs. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Sensormateriales für einen Proteinsensor. Zudem wurde die Sensitivität durch Einbringen von MIP Nanopartikeln verbessert. Methacrylsäure (MAA) / N-Vinylpyrrolidon (VP) Copolymersysteme wurden systematisch optimiert um sie in QCM Sensorsysteme für die Detektion von Bovine Serum Albumin (BSA) einzusetzen. Die Polymerisationsbedingungen wie pH-Wert, Temperatur und Atmosphäre (Stickstoff) wurden variiert, um die idealen Faktoren zu ermitteln welche zu einem Polymer fühten, welches länger als sieben Tage stabil ist. Die Effizienz der Prägetechnik kann mittels UV-Spektrometrie, STM Bildern und ATR gezeigt werden. Nach den einleitenden QCM Messungen wurde die Zusammensetzung des Polymers untersucht um den Mechanismus der Sensoreffizienz aufzuklären. Das Sensorsignal war umgekehrt proportional zur Menge an Quervernetzern, weil eine Erhöhung der Festigkeit gleichzeitig eine Erniedrigung der Flexibilität bedeutet, was wiederrum eine Verschlechterung der Affinität zum BSA zur Folge hat. Materialien mit einem Anteil von 70% Quervernetzern zeigen eine angemessene Messzeit (t90 Zeit = 0.78 Stunden), geringes Rauschen (etwa 5 Hz) und einen annehmbaren Imprinteffekt (MIP/NIP Verhältnis von 1.58). Monomerzusammensetzungen beeinflussen ebenso stark das Messsignal: Bei Polymeren ohne VP (d. h. Entfernen der Aminogruppen aus der Polymeroberfläche) war ein besserer Imprinteffekt (MIP/NIP Verhältnis 1.4 mal höher) zu erkennen, jedoch nahm die Sensitivität gegenüber Materialien, welche VP enthielten, stark ab und auch die Reaktionszeit verdoppelte sich. Dies führt dazu, dass VP für das Polymer unerlässlich ist. Beim Ersetzen von MAA durch Acrylsäure (AA) erhöhte sich sowohl das Ansprechen des Sensors als auch der Imprinteffekt. Der Grund dafür ist, dass die Methylgruppe im MAA eine geringere polare Interaktion mit den funktionellen Gruppen im BSA besitzt. Das optimale Polymer besitzt ein 2:3 (AA:VP) Verhältnis, welches zu einem Signalverhältnis zwischen MIP und NIP von 1.8 führt und einer angemessenen Sensoransprechzeit (t90 Zeit < 1 Stunde). Ebenfalls wurden organische Lösungsmittel bezüglich deren Einfluss auf die Qualität des MIPs untersucht. Erstaunlicherweise erhöhte eine kleine Menge DMSO (1%) im Wasser das MIP/NIP Verhältnis um mehr als das 2.5fache gegenüber den reinen Lösungsmitteln.
Zur Entwicklung einer neuen Prägetechnik für Proteine wurden Nanopartikel (NP) synthetisiert und als Template benutzt. Acetonitril wurde als Präzipationslösungsmittel, nach Vorstudien, verwendet. Durch QCM Messungen konnte gezeigt werden, dass BSA mit den NP interagiert. Die Messungen wurden mit Mischungen aus BSA und NP durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Zugabe der NP/BSA Mischung zu dem Dünnfilm BSA-MIP auf der Elektrode zu einer Signalverstärkung führte. Bei dem ungeprägten Dünnfilm trat dieser Effekt nicht auf. Dies zeigt, dass die auf BSA geprägten Polymere wie "künstliche Antikörper" agieren.
Zum Schluss wurde noch ungewaschene BSA-NP als Prägungstemplate verwendet. Dieser Ansatz erhöhte die Sensorantwort um einen Faktor zwei im Vergleich zum "klassischen" BSA MIP, wohingegen die NIP NP keinen Effekt zeigten. Der Erfolg bei der Verwendung ungewaschener MIP NPs, d. h. Polymerpartikel mit BSA auf ihrer Oberfläche, kam durch die Regressionssteigung der Sensorantwort: geprägtes MIP mit ungewaschenen BSA MIP NP resultierte in einer zweifach höheren Antwort als die "klassischen" Dünnfilm BSA MIPs.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Molecularly Imprinted Polymers Bovine Serum Albumin Quartz crystal microbalance nanoparticles
Schlagwörter
(Deutsch)
Mokular geprägte Polymere Bovine Serum Albumin Quarzkristall Mikrowaage Nanopartikel
Autor*innen
Nam Phan Van Ho
Haupttitel (Englisch)
Novel surface imprinting strategies for selective and highly sensitive protein recognition
Hauptuntertitel (Englisch)
a case study based on QCM sensing of Bovine Serum Albumin
Paralleltitel (Deutsch)
Innovative Strategien zur Oberflächenprägung für selektive und hochempfindliche Proteindetektion ; eine Fallstudie am Beispiel von QCM-Sensoren für Bovines Serumalbumin
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
120 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Peter Taylor ,
Patrick Wagner
Klassifikation
35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines
AC Nummer
AC12050791
Utheses ID
28785
Studienkennzahl
UA | 791 | 419 | |