Nanostrukturované povrchy pro detekci klinických markerů a mikrobiálních buněk

Mgr. Tomáš Juřík, Ph.D.

Doctoral thesis

Nanostructured surfaces for the detection of clinical analytes and microbes

Abstract:

Elektrochemické senzory a biosenzory představují skvělý nástroj pro zkoumání mikro a nanosvěta. Díky jejich vysoké citlivosti a specificity lze snadno detekovat nejenom „velké“ bakteriální buňky nebo virové částice, ale i menší molekuly jako jsou proteiny či ještě menší glukóza, laktát nebo dopamin. Vývoj funkčního (bio)senzoru obvykle zahrnuje rozsáhlou a důkladnou práci. V úvahu je třeba brát zvolení vhodného uspořádání senzoru v podobě planárních, sítotiskových či mikrofabrikovaných elektrod s ohledem na jejich velikost, přenosnost, životnost a cenu. Různé elektrochemické metody – voltametrie, amperometrie, elektrochemická impedanční spektroskopie – mohou být použity za účelem dosažení žádoucího poměru signálu k šumu. Kompozice elektrody jak podkladového materiálu, tak materiálu pro 3D dekoraci je důležitá pro udržení stability senzoru a biokompatibility pro konjugované biomolekuly či buňky. Možnost pokrýt povrch elektrody nanostrukturami či nanočásticemi přináší zlepšené výkonnostní charakteristiky spojené se zvýšenou senzitivitou a sníženými limity detekce. Teoretická část dizertační práce zahrnuje všechny aspekty důležité pro zkonstruování efektivního elektrochemického (bio)senzoru. Nabyté poznatky byly využity ve výzkumné činnosti, tedy praktické části práce, která je zde zpracována v podobě recenzovaných vědeckých článků. Limitace a výzvy v oblasti elektrochemických (bio)senzorů kombinujících nanomateriály jsou shrnuty v diskuzi.

Abstract:

Electrochemical sensors and biosensors represent a great tool for exploration of the micro and nanoworld. Due to their high sensitivity and specificity not just “big” bacterial or viral cells can be readily detected, but also small molecules like proteins or even smaller glucose, lactate or dopamine. Construction of such functional (bio)sensors is accompanied by a comprehensive and laborious work. Selection of adequate system configuration, such as plannar, screen-printed or microfabricated electrode with respect to the sensor life-time, portability and cost should be taken into consideration. Various electrochemical methods - voltammetry, amperometry, electrochemical impedance spectroscopy – can be chosen to achieve desired signal-to-noise ratio. Composition of the electrodes, both matrix and fabricated material, is important to retain the sensor stability and biocompatibility for conjugated biomolecules or cells. Possibility of designing the electrode surface by the nanostructures or nanoparticles induces an advanced performance associated with increased sensitivity and improved limits of detection. The theoretical part of this dissertation thesis covers all the important aspects when constructing efficient electrochemical (bio)sensor. The knowledge was reflected in the research activities represented by the peer-reviewed articles. The limitations and future challenges for nanomaterial-based electrochemical (bio)sensors are summarized in the discussion part.

Keywords

Electrochemical, Sensor, Biosensor, Nanoparticle, Nanostructure, Biomarker

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 5. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.
• Reader: prof. RNDr. Jan Hrbáč, Ph.D., doc. Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry / Biochemistry