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QCM studies for the detection of Staphylococcus epidermidis
Mathias Petsovits
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Peter Lieberzeit
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30124.96412.277462-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Staphylococcus epidermidis ist ein potentiell pathogenes, die menschliche Haut bewohnendes Bakterium, welches von Terroristen als biologischer Kampfstoff in Trinkwasserversorgungs-systemen eingesetzt werden könnte. Die Gefahr eines Terrorattentates erklärt die Notwendigkeit der konstanten Wasserüberwachung. Diese sollte mit günstig zu produzierenden, schnellen und verlässlichen Systemen erfolgen, was sich am leichtesten mit chemischen Sensoren realisieren lässt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines chemischen Sensors, welcher auf der Quarzmikrowaage (QCM) als Transducer und einem molekular geprägten Polymer (MIP) als sensitiver Schicht beruht.
Zuerst wurde eine Stabilitätsstudie gefrorener S. epidermidis Proben durchgeführt, welche zeigte, dass die gefrorenen Lösungen mindestens 7 Tage stabil sind. Ein Polymerscreening mit 5 verschiedenen Polymere, nämlich Polyurethan, Polymethacrylsäure, Polyvinylpyrrolidon, Polystyrol und Polyacrylamid, zeigte, dass Polyurethan die höchste natürliche Affinität zu S. epidermidis aufweist.
Optimierungsexperimente für die Sensorproduktion umfassten Schichtdickenbestimmungen, Variation der Polymerzusammensetzung, sowie die Entfernung der geprägten Organismen. Katalysiertes Polyurethan mit gleichen Mengen an OH und OCN Gruppen entpuppte sich als optimale Polymerzusammensetzung. 30 µl dieses Polymers bei 1500 rpm Rotations-geschwindigkeit und 5 s Rotationszeit mittels Spin Coating auf die QCMs aufzutragen stellte sich als optimal heraus. Sensoren, die unter optimierten Bedingungen hergestellt wurden, zeigten allerdings keine Selektivität gegenüber den Referenzorganismen Escherichia coli und Bacillus cereus, da die Signalintensität für die Referenzorganismen bis zu 3 mal höher war als für den Analyt. Daher wurde das eingesetzte Polymer gegen Polymethacrylsäure getauscht.
Für Polymethacrylsäure beinhalteten Optimierungsexperimente Schichtdickenbestimmungen und Entfernungsversuche der Mikroorganismen, da die Zusammensetzung des Polymers nicht variiert wurde. Die optimierten Herstellungsparameter waren 10 µl 1:4 verdünnte Polymerlösung bei 3000 rpm Rotationsgeschwindigkeit und 5 s Rotationszeit mittels Spin Coating auf die QCMs aufzutragen. Außerdem wurden Stempel durch Immobilisierung der Bakterien mittels APTES hergestellt, allerdings zeigte das Prägen mit diesen Stempeln keinen Erfolg. Dennoch konnten funktionstüchtige Sensoren mit der Sedimentationsprägemethode erzeugt werden, welche auf die Parameter Sensitivität, Selektivität, Reversibilität und Stabilität erfolgreich getestet wurden. Dabei konnten Sensitivitäten von 4,5 * 106 Zellen / ml erreicht werden. Außerdem zeigten die S. epidermidis Lösungen ein bis zu 70-mal stärkeres Signal als Lösungen von B. cereus und E. coli.
Abschließend wurde ein neuer Erkennungsmechanismus postuliert als auch ein Ausblick über zukünftiges Entwicklungspotential dargeboten.
Abstract
(Englisch)
Staphylococcus epidermidis is a potential pathogen and a skin colonizing bacterium, which may be used as biological weapon in water supply chains by terrorists. The risk of a terrorist attack triggers the need of a cheap, fast and reliable monitoring system, which can most easily be implemented by a chemical sensor.
This work therefore focuses on the development of a chemical sensor using the mass-sensitive quartz crystal microbalance as transducer and a molecularly imprinted polymer (MIP) thin film as the sensitive layer for the detection of S. epidermidis.
Firstly, a stability study of the analyte revealed that frozen analyte solutions are stable for at least 7 days. Then polymer screening for natural affinity of the microorganism featuring 5 different polymers, namely polyurethane, polymethacrylic acid, polystyrene, polyvinylpyrrolidone and polyacrylamide, revealed that polyurethane shows the highest inherent affinity for S. epidermidis.
Sensor optimization first comprised of layer thickness optimization and polymer composition. Secondly, it also required to assess removal of the bacterium from the polymers. QCMs produced under optimized conditions, namely using catalyzed polyurethane with the same amount of OH and OCN groups, spin coating with 30 µl polymer solution at a 7:3 dilution and 1500 rpm rotation speed at 5 s spin time, have then been tested for sensitivity and selectivity. They showed no selectivity against Bacillus cereus and Escherichia coli, as the signal intensities for these organisms were up to 3 times higher than those for the analyte. Therefore the polymer system was changed to polymethacrylic acid, the second best suited one.
For polymethacrylic acid optimization steps included layer thickness and removal studies, as the composition was not varied in this case. Stamps using immobilization with APTES were also tested as imprinting method, without success. Sedimentation imprinted QCMs using 10 µl 1:4 diluted polymer solution at 3000 rpm rotation speed for 5 s showed good results. Sensors produced under these conditions were tested for their sensor parameters, namely response time, selectivity, reversibility and limit of detection. The estimated limit of detection was 4.5 * 106 cells / ml and the response time 3 min ± 20 sec. The selectivity was estimated as ratio of the signal intensities of S. epidermidis and B. cereus solutions, where the target analyte showed responses 70 times higher than those for B. cereus.
Furthermore a new response mechanism is presented and prospects for future work on the topic of detecting S. epidermidis are briefly discussed.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
quartz crystal microbalance QCM Staphylococcus epidermidis MIP molecularly imprinted polyer polyurethane
Schlagwörter
(Deutsch)
Quarzmikrowaage QCM Staphylococcus epidermidis MIP molekular geprägtes Polymer Polyurethan
Autor*innen
Mathias Petsovits
Haupttitel (Englisch)
QCM studies for the detection of Staphylococcus epidermidis
Paralleltitel (Deutsch)
QCM Studien zur Detektion von Staphylococcus epidermidis
Publikationsjahr
2016
Umfangsangabe
82 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Peter Lieberzeit
AC Nummer
AC13290461
Utheses ID
38223
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |