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Ion-conducting Nanopores in Polymer Membranes for (Bio)Molecular Sensory Applications

Duznovic, Ivana (2021):
Ion-conducting Nanopores in Polymer Membranes for (Bio)Molecular Sensory Applications. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00014070,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Ion-conducting Nanopores in Polymer Membranes for (Bio)Molecular Sensory Applications
Language: English
Abstract:

In the recent years, track-etched nanopores became the major impulse in the development of nanofluidic biosensing devices. The fabrication is processed first by bombarding polymeric films with swift heavy ions. Subsequently, damaged zones within the polymer membrane are created, which are transformed into nanopores via chemical etching technique. Here, pore geometry and diameter are controlled by selecting a suitable chemical etchant and track-etching conditions. As-prepared nanopores are cation selective due to the presence of the ionized carboxylic acid moieties under physiological conditions, which are generated as a consequence of the ion-track etching process. The fixed surface charge polarity and concomitant ion-selectivity of nanopores is tuneable by the modification of native carboxylic acid groups. Moreover, these groups are used to attach desired receptors for biorecognition purpose through specific ligand-receptor interactions. Surface modification and biorecognition processes are monitored by measuring the changes in the electric response of the nanopore via current-voltage (IV) experiments. Regarding the design and miniaturization of nanopore-based biosensing devices, this thesis focusses on the three major challenges, which must be taken into account to enable applications in real systems: i) investigating the application of commercially available nanopore membranes and biodegradable membranes as alternative substrates for nanofluidic sensors. ii) Examining innovative receptor-analyte moieties towards their sensitive, selective and reproducible sensing performance. Here, a variety of receptors and analytes are investigated regarding the detection of metal cations, small molecules (histamine) and biomacromolecules (proteins) as well as polyelectrolytes. In case of metal cations, the selective recognition of potassium ion is achieved by immobilizing pseudo-crown ether-moieties on the pore surface. Moreover, ultrasensitive subnanomolar Cu(II)-detection is obtained by decorating nanopores with an amino-terminated copper and nickel (ATCUN) motif. Both metal cations play crucial roles within neuronal systems of living organisms. Hence, monitoring of ion level is beneficial regarding diagnostic applications. Further inflammatory indicators like histamine are also successfully detected by the use of nanopore membranes functionalized with Ni(II)-nitrilotriacetic acid (NTA)-complexes. In Addition, LBL-deposition is achieved inside nanopores through the electrostatic attraction between poly(allylamine hydrochloride) and poly(acrylic acid) with poly(4-vinylpyridine) (PVP) as a hydrogen-bond compound. After the cross-linking of stacked polyelectrolytes, the exposure to basic pH-conditions triggered the PVP-release, leading to the formation of porous networks in the nanopores as observed by changes in the electrical readout and an increased mass transport across the membrane. This represents the proof of concept for the stimulated release of drugs. Moreover, the highly selective and sensitive performance of pore-bounded camellia nanobody-protein is successfully investigated, which are single domain antibodies and, therefore, considered as highly efficient detectors within immune systems. The used nanobodies exhibit high affinity towards fluorescent proteins (GFP and mCherry) as evidenced by IV-changes of modified pore membranes and by CLSM-imaging methods. This study demonstrates novel analyte detection using nanobody as receptors on nanopore surfaces and to date receptor-analyte interactions were performed in macro-sized setup, whose implantation in real system is quite challenging due to their sampling volumes of about 7 mL. Therefore, nanoporous membranes were integrated in miniaturized Lab-on-Chips to investigate the modification and sensing performance. Further, the standard aqueous electrolyte used for IV-measurements is exchanged by human serum to investigate the IV-impact of a more complex medium on receptor-analyte interactions across nanopore membranes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Im Zuge der Entwicklung und des Designs nanofluidischer Biosensoren nimmt die Verwendung von ionenspur-geätzten Nanoporen eine essentielle Bedeutung ein. Deren Herstellung erfolgt in zwei Stufen, wobei zunächst Polymerfilme mit Schwerionen beschossen werden. Anschließend werden die hieraus resultierenden beschädigten Zonen innerhalb der Polymermembran, auch Spuren genannt, durch chemisches Ätzen in Nanoporen umgewandelt. Durch die Wahl der chemischer Ätzmittel und -bedingungen während des Spurätzverfahrens lässt sich die Porengeometrie sowie der Durchmesser steuern. Solch hergestellte Nanoporen enthalten freigelegte Carboxylgruppen an den Porenwänden sowie an der Membranoberfläche. Dabei bewirkt die negative Ladung ionisierter Carbonsäureeinheiten unter physiologischen Bedingungen die Generierung kationenselektiver Membranen. Diese stabile oberflächliche Porenpolarität und die damit einhergehende Ionenselektivität der Nanopore ist durch Modifikation dieser nativen Carbonsäuregruppen manipulierbar. Darüber hinaus werden über diese Gruppen auch Rezeptoren angebracht, die in der Lage sind spezifische Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen innerhalb der Nanopore einzugehen. Die Oberflächenmodifikation sowie die Biokonjugation innerhalb der Pore werden überwacht, indem die Änderungen des elektrischen Wiederstands der Nanopore mittels Strom-Spannungs-Messungen (IV) analysiert werden. Der Rahmen dieser Doktorarbeit befasst sich mit dem Design von nanoporen-basierten Biosensoren sowie deren Miniaturisierung und konzentriert sich hierbei auf drei Herausforderungen, deren Berücksichtigung essenziell sind um eine spätere Anwendung in realen Systemen zu ermöglichen: i) Untersuchung von kommerziellen Nanoporenmembranen sowie deren biologisch abbaubare Pendants als mögliche alternative Substrate; ii) Ausarbeitung innovativer Rezeptor-Funktionalisierungen der Nanopore in Bezug auf ihre Empfindlichkeit, Selektivität sowie Reproduzierbarkeit gegenüber möglichen Biomarkern. Hierbei wird eine Vielzahl von Rezeptoren und Analyten zum Nachweis von Metallkationen, Molekülen (Histamin) und Biomakromolekülen (Proteinen) sowie Polyelektrolyten untersucht. Im Fall der Metallkationen wurde die selektive Erkennung von Kaliumionen über eine Immobilisierung von Pseudokronenether-Einheiten auf der Nanoporenoberfläche erreicht. Des Weiteren wurde der ultrasensitive Nachweis von Kupferionen in subnanomolaren Bereichen erzielt mittels molekularer Anbringung des aminoterminierten Kupfer- und Nickelmotifs (ATCUN). Beide Metallkationen spielen eine entscheidende Rolle im neuronalen System lebender Organismen, wobei die Überwachung des Ionen-Gehalts für diagnostische Anwendungen eingesetzt werden kann. Weitere Entzündungsindikatoren wie Histamin sind erfolgreich durch die Verwendung von Nanoporen nachgewiesen worden, welche zuvor mit Nickel-Nitrilotriessigsäure (NTA)-Komplexen modifiziert wurden. Ferner wurde die LBL-Schichtung durch die elektrostatische Anziehung zwischen Poly(allylaminhydrochlorid) und Poly(acrylsäure) mit Poly(4 vinylpyridin) (PVP) über Wasserstoffbrücken erzielt. Nach der erfolgreichen Vernetzung dieser Polyelektrolyten innerhalb dieser Schichtstruktur, löst die Exposition in basischem pH-Milieu die PVP-Komponente heraus, was zur Bildung poröser Netzwerke innerhalb der Nanoporen führt, bewiesen durch Änderungen der elektrischen Flusses sowie Zunahme des Massentransports durch die Membran. Weiterhin fungiert dieses Experiment als Machbarkeitsnachweis für eine stimulierte Freisetzung von Arzneimitteln. Darüber hinaus konnte die hochselektive und sensitive Leistung von porengebundenem kameliden Nanokörper-Proteinen erfolgreich untersucht werden. Diese Nanokörper zählen zu den Einzeldomänen-Antikörpern und sind hochselektive Detektoren für Biomarker innerhalb des Immunsystems. Der jeweilige Nanokörper zeigte eine hohe Affinität zu fluoreszierenden Proteinen (GFP und mCherry), wie aus den Änderungen der IV-Messung der modifizierten Nanopore und aus CLSM-Bildgebungsverfahren hervorgeht. Diese Studie demonstriert somit den erfolgreichen Nachweis von Analyten mit Nanoporen, welche mit Nanokörper-Einheiten funktionalisiert wurden. Bisher wurden die Messungen der Rezeptor-Analyt-Wechselwirkungen in praktikablen Labor-Aufbau durchgeführt, welche Probenvolumina von 7 mL benötigen und somit weniger für reale Systeme geeignet sind. Daher beschäftigt sich der letzte Abschnitt dieser Doktorarbeit mit der Integration nanoporöser Membranen in miniaturisierte Lab-on-Chips. Hierbei wurde die Modifikations- und Sensorleistung untersucht und mit der des Labor-Aufbaus verglichen. Ferner wurde der wasserbasierte Standard-Elektrolyt, welcher für die IV-Messungen verwendet wird gegen humanes Serum getauscht, um den Einfluss eines komplexeren Mediums auf die Rezeptor-Analyt-Wechselwirkungen und die Nanopore selbst zu studieren.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVIII, 179 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Material Analytics
LOEWE > LOEWE-Schwerpunkte > iNAPO – ion conducting NAnoPOres
Date Deposited: 23 Mar 2021 08:18
Last Modified: 23 Mar 2021 08:18
DOI: 10.26083/tuprints-00014070
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-140701
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Stein, Prof. Dr. Viktor
Refereed: 6 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14070
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