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Monitoring and imaging pH in biofilms utilizing a fluorescent polymeric nanosensor

  • Biofilms are ubiquitous in nature and in the man-made environment. Given their harmful effects on human health, an in-depth understanding of biofilms and the monitoring of their formation and growth are important. Particularly relevant for many metabolic processes and survival strategies of biofilms is their extracellular pH. However, most conventional techniques are not suited for minimally invasive pH measurements of living biofilms. Here, a fluorescent nanosensor is presented for ratiometric measurements of pH in biofilms in the range of pH 4.5–9.5 using confocal laser scanning microscopy. The nanosensor consists of biocompatible polystyrene nanoparticles loaded with pH-inert dye Nile Red and is surface functionalized with a pH-responsive fluorescein dye. Its performance was validated by fluorometrically monitoring the time-dependent changes in pH in E. coli biofilms after glucose inoculation at 37 °C and 4 °C. This revealed a temperature-dependent decrease in pH over a 4-h periodBiofilms are ubiquitous in nature and in the man-made environment. Given their harmful effects on human health, an in-depth understanding of biofilms and the monitoring of their formation and growth are important. Particularly relevant for many metabolic processes and survival strategies of biofilms is their extracellular pH. However, most conventional techniques are not suited for minimally invasive pH measurements of living biofilms. Here, a fluorescent nanosensor is presented for ratiometric measurements of pH in biofilms in the range of pH 4.5–9.5 using confocal laser scanning microscopy. The nanosensor consists of biocompatible polystyrene nanoparticles loaded with pH-inert dye Nile Red and is surface functionalized with a pH-responsive fluorescein dye. Its performance was validated by fluorometrically monitoring the time-dependent changes in pH in E. coli biofilms after glucose inoculation at 37 °C and 4 °C. This revealed a temperature-dependent decrease in pH over a 4-h period caused by the acidifying glucose metabolism of E. coli. These studies demonstrate the applicability of this nanosensor to characterize the chemical microenvironment in biofilms with fluorescence methods.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Ch. Kromer, K. Schwibbert, A. K. Gadicherla, D. Thiele, Nithiya Nirmalananthan-Budau, P. Laux, Ute Resch-GengerORCiD, A. Luch, H. R. Tschiche
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Scientific reports
Jahr der Erstveröffentlichung:2022
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.2 Biophotonik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Nature Publishing Group
Verlagsort:London
Jahrgang/Band:12
Ausgabe/Heft:1
Aufsatznummer:9823
Erste Seite:1
Letzte Seite:10
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Freie Schlagwörter:Bacteria; Biofilm; Corrosion; Dye; Fluorescence; MIC; Microorganism; Nano; Nanoparticle; Ph; Polymer; Quantum yield; Sensor; Signal enhancement; Synthesis
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Chemie und Prozesstechnik
Material
Material / Nano
Umwelt
Umwelt / Sensorik
Umwelt / Umwelt-Material-Interaktionen
DOI:10.1038/s41598-022-13518-1
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-550751
ISSN:2045-2322
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:20.06.2022
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:20.06.2022
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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