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The use of macromolecules and materials immobilized in the detection zone of test strips for indicator capture and focusing in label-free lateral flow assays (LFAs) is described, with emphasis on its future use in low number multiplexing. Several materials such as polyelectrolytes, functionalized mesoporous silica micro- and nanoparticles, chemically modified cellulose or glass fibre (GF) membranes and molecularly imprinted polymer gels coated onto membranes were studied in model assays, before the most promising materials were combined with antibody-gated indicator delivering (gAID) sensor materials. Cellulose, nitrocellulose and GF membranes were used as supports and highly fluorescent dyes of different charge states as model indicators. Combination of the best performing capture materials with gAID systems made it possible to distinctly increase the sensitivity and reduce the measurement uncertainty in the LFA testing of pentaerythritol tetranitrate (PETN) in aqueous samples. In addition, dual-plexing of PETN and 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) was realized on a single test strip containing two dedicated capture zones.
Die Kombination aus elektrogenerierter Chemilumineszenz (ECL) und Aptamer-gesteuerter Indikatorfreisetzung (gAID) aus magnetischen mesoporösen Silica-Nanopartikeln, die in mit Poly(ethylenglycol) und N-(3-Triethoxysilylpropyl) diethanolamin funktionalisiertes Glasfaserpapier eingebettet sind, ermöglichte die Entwicklung eines Schnelltests, mit dem sich Penicillin direkt in verdünnter Milch bis auf 50 +/- 9 ppt in <5 min nachweisen lässt. Die kovalente Bindung der Aptamer-Kappe an das Siliciumdioxid-Gerüst ermöglichte den Verschluss der Poren durch nicht-kovalente elektrostatische Wechselwirkungen mit Oberflächen-Aminogruppen. Die Bindung von Penicillin führte zu einer Faltung des Aptamers, wodurch der zuvor in das Material geladene ECL-Reporter Ru(bpy)32+ freigesetzt wurde und nach lateralem Fluss von einer Smartphone-Kamera nach elektrochemischer Anregung mit einer in einen 3D-gedruckten Halter eingesetzten Siebdruckelektrode detektiert wird. Der Ansatz ist einfach, generisch und bietet Vorteile hinsichtlich Empfindlichkeit, Messunsicherheit und Robustheit gegenüber konventioneller Fluoreszenz- oder elektrochemischer Detektion, insbesondere für Point-of-Need-Analysen anspruchsvoller Matrices und Analyten im Ultraspurenbereich.
Reported here is the production of molecularly imprinted polymer (MIP) films, integrating a fluorescent moiety that serves as both an element for template interaction and signalling, for the thermal and optical detection of the beta-lactam antibiotic nafcillin. Fluorescein methacrylate (FluMa) was synthesized and introduced during the molecular imprinting process as the sole monomer and in a 1 : 1 mixture with methacrylic acid (MAA), allowing to draw first conclusions on the MIP formation potential of such a rather large and rigid monomer. At first, MIP microparticles containing FluMa were prepared by free radical polymerisation. Optical batch rebinding experiments revealed that FluMa can act as a functional monomer for selective detection of nafcillin; however, the addition of MAA as co-monomer significantly improved performance. Subsequently, thin MIP films containing FluMa were deposited onto functionalised glass slides and the influence of porogen, drying time, and monomer composition was studied. These MIP-functionalised glass electrodes were mounted into a customised 3D-printed flow cell, where changes in the liquid were either evaluated with a thermal device or using fluorescence bright field microscopy. Thermal analysis demonstrated that multiple MIP layers enhanced sensor specificity, with detection in the environmentally relevant range. The fluorescence bright field microscope investigations validated these results, showing an increase in the fluorescence intensity upon exposure of the MIP-functionalised glass slides to nafcillin solutions. These are promising results for developing a portable sensor device that can be deployed for antibiotics outside of a dedicated laboratory environment, especially if sensor design and fluorophore architecture are optimised.
Vor dem Hintergrund der einzigartigen Modularität, hohen Empfindlichkeit und Selektivität von Antikörper‐gesteuerten Indikatorfreisetzungssystemen (gAID‐Systemen) wurde hier ein Multiplex‐Assay für drei organische Explosivstoffmoleküle (TATP, TNT, PETN) entwickelt, der es erlaubt, die Analyten gleichzeitig in flüssiger Phase mit einem einzelnen Teststreifen und einem Fluoreszenzlesegerät bzw. Smartphone als Detektor in Konzentrationen bis in den unteren ppb‐Bereich in <5 min nachzuweisen. Alle drei Systeme, darunter die hier neu entwickelten Systeme für TNT und PETN, tolerieren zudem nicht nur gepufferte wässrige Modelllösungen, sondern auch komplexere Matrices. Neben einem konventionellen Teststreifen mit einem Kanal erlaubte uns die Anwendung von Wachsdrucktechnologie das Herstellen von mehrkanaligen Streifen mit vergleichbarer analytischer Leistungsfähigkeit, was das enorme Potenzial der modular aufgebauten, hybriden Biosensormaterialien im Hinblick auf eine für den Endanwender maßgeschneiderte Vor‐Ort‐Analytik unterstreicht.
Playing with Droplets
(2018)
Microfluidic devices are powerful analytical tools with appealing features such as miniaturized size, low reagent and sample consumption, rapid response and short measurement times. As society wants to be ever better, earlier and more comprehensively informed about critical factors in life, work, and the environment, the demand for powerful measurement devices for use outside of the laboratory constantly increases.
Mit Tröpfchen Spielen
(2018)
Mikrofluidische Systeme sind leistungsstarke analytische Tools mit attraktiven Eigenschaften wie miniaturisierter Größe, geringem Reagenzien und Probenverbrauch, schneller Ansprech- und kurzer Messzeit. Der Bedarf solcher leistungsstarken, miniaturisierten und direkt vor Ort anwendbaren Sensorsysteme steigt kontinuierlich, hauptsächlich durch das Bedürfnis der Gesellschaft, schneller, besser und umfassender über kritische Faktoren im Lebens- und Arbeitsumfeld sowie der Umwelt informiert zu sein.
2,4-D ist ein in der Landwirtschaft weitverbreitetes Pflanzenschutzmittel, das Grundwasser kontaminiert, sich innerhalb der Nahrungskette anreichert und Umwelt- und Gesundheitsprobleme verursachen kann. Hier stellen die Autoren ein mikrofluidisches Nachweissystem für die Echtzeitdetektion von 2,4-D in Grund- oder Oberflächenwasser vor. Es basiert auf der Kombination 2,4-D-selektiver, fluoreszierender, molekular geprägter Polymer-(MIP-)Mikropartikel mit einem 3D-mikrofluidischen Extraktions- und Detektionssystem. Messungen vor Ort sollen damit künftig möglich sein.