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Entwicklung und Charakterisierung eines Testsystems zur Analyse von druckbaren kolorimetrischen Biosensoren

Balles, Jacqueline (2021):
Entwicklung und Charakterisierung eines Testsystems zur Analyse von druckbaren kolorimetrischen Biosensoren. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00018533,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Entwicklung und Charakterisierung eines Testsystems zur Analyse von druckbaren kolorimetrischen Biosensoren
Language: German
Abstract:

Biosensoren sind Messfühler, welche einen nachzuweisenden Stoff (Analyten) unter Verwendung eines biologischen Erkennungselements detektieren. Sie werden immer wichtiger als diagnostische Instrumente, da sie bestehende Nachweisverfahren vereinfachen können. Insbesondere kolorimetrische Biosensoren basierend auf Gold-Nanopartikel-Aggregation können durch ihren visuell kenntlichen Farbumschlag leicht ausgelesen werden und sind in Flüssigkeit gut erforscht, was ihren Einsatzort allerdings auf das Labor beschränkt. Druckprozesse könnten den Einsatzort erweitern, allerdings gibt es noch keinen gedruckten Biosensor basierend auf Aggregation, da eine kontrollierte Aggregation der Gold-Nanopartikel auf einem Trägermaterial schwieriger zu realisieren ist als eine Redispersion. In dieser Arbeit wird ein druckbares und lagerbares Testsystem basierend auf Gold-Nanopartikel-Aggregation für einen unspezifischen Analyten vorgestellt und in Vorversuchen spezielle Parameter analysiert. Das Ziel ist, verschiedene Auslesearten zur Messung der Farbe zu vergleichen. Das Auslesen besteht dabei aus einer Farbmessung, der Weiterverarbeitung der Rohdaten zu Messdaten und deren Interpretation. Die Farbmessung wurde mit vier unterschiedlichen und gut charakterisierten Messaufbauten vorgenommen, um die Detektionsarten spektral und bildgebend sowie die Geometrien Auflicht und Durchlicht abzudecken. Bei der Weiterverarbeitung handelt es sich um eine Streukorrektur der Spektren und einen Weißabgleich und Segmentierung der Bilder. Bei der Interpretation findet eine Modellbildung und Anpassung einer Fitfunktion an die gemittelten Messdaten über der Analytkonzentration statt. Für die Messdaten aufgenommen mit der Geometrie Auflicht werden drei erfolgreiche Modelle aufgestellt mit denen die Analytkonzentrationen zu 67 % bis 86 % innerhalb von vier diskretisierten Bereichen bis 1000 mM zugeordnet werden können. Die Detektionslimits liegen dabei zwischen 0,1 mM und 1 mM und damit im erwarteten Bereich. Zum ersten Mal wurde ein druckbares Testsystem basierend auf Gold-Nanopartikel Aggregation realisiert und Auswertemethoden zur Quantifizierung des Farbumschlags getestet. Es wurde gezeigt, dass sich die Bilddaten neben der spektralen Messung im Auflicht ebenfalls zur Analytkonzentrationsbestimmung eignen, aber mit den vorgestellten Modellen noch nicht so gute Vorhersagen treffen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Biosensors are sensors which detect a substance (analyte) using a biological recognition element. They are becoming more and more important as diagnostic instruments because they can simplify existing detection methods. In particular, colorimetric biosensors based on gold nanoparticle aggregation provide a simple readout due to their visually recognizable color change and are well researched in liquid, which, however, limits their use to the laboratory. Printing processes could expand the field of application, but no printed biosensor based on aggregation has been published yet, because a controlled aggregation of gold nanoparticles on a carrier material is more difficult to realize than a redispersion. In this thesis, a printable and storable test system based on aggregation for a non-specific analyte is presented and specific parameters are analyzed in preliminary experiments. The aim is to compare different types of readout to measure the color. The readout consists of a color measurement, the further processing of the raw data to measurement data and their interpretation. The color measurement was carried out with four different and well characterized measurement setups to cover the detection types spectral and imaging as well as the geometries incident light and transmitted light. Further processing involves a scatter correction of the spectra and a white balance and segmentation of the images. During interpretation, a model is created and a fit function is adapted to the averaged measurement data over the analyte concentration. For the measurement data recorded with the geometry reflected light, three successful models are set up with which the analyte concentrations can be assigned to 67 % to 86 % within four discretized ranges up to 1000 mM. The detection limits are between 0,1 mM and 1 mM and thus within the expected range. For the first time, a printable test system based on gold nanoparticle aggregation was realized and evaluation methods for quantifying the color change were tested. It was shown that, in addition to spectral measurement in incident light, the image data are also suitable for analyte concentration determination, but do not yet provide such good predictions with the models presented.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: vi, 164 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
Date Deposited: 25 May 2021 07:04
Last Modified: 25 May 2021 07:05
DOI: 10.26083/tuprints-00018533
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-185338
Referees: Blaeser, Prof. Dr. Andreas and Dörsam, Prof. Dr. Edgar
Refereed: 20 April 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18533
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