Bioelectronic interfaces studied with scanning probe microscopy

Mgr. Zdeněk Farka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Díky vysoké specificitě poskytované protilátkami představují imunosensory a imunochemická stanovení vhodný přístup pro kvantifikaci analytů v komplexních vzorcích. Zatímco imunostanovení jsou velmi citlivá a robustní, imunosensory umožnují rychlou analýzu v místě potřeby. Pokročilé mikroskopické techniky jsou cenným nástrojem pro charakterizaci povrchů biosensorů a nanočástic. Vlastnosti materiálů mohou být cíleně optimalizovány na základě detailních informací o jejich struktuře, což je důležitým faktorem pro vývoj efektivnějších biosensorů a imunostanovení. Disertační práce poskytuje úvod do imunostanovení, biosensorů a mikroskopických technik a je doplněna přehledovým článkem zaměřeným na pokročilé aplikace nanomateriálů v oblasti imunosensorů. Experimentální část práce je reprezentována přiloženými publikacemi, které se zaměřují na různé aspekty biosensorů a nanomateriálů. Byly detailně prozkoumány možnosti detekce mikroorganismů za využití různých převodníků. Pro rychlou detekci biologických zbraní ve formě bioaerosolu a bakterie Salmonella v mléku byly vyvinuty biosensory na principu křemenných mikrovážek a elektrochemické impedanční spektroskopie. Imunosensor na bázi rezonance povrchovým plasmonů využívající zesílení signálu pomocí enzymaticky katalyzované precipitace byl vyvinut pro potvrzení bakteriálních kontaminací v laboratorních podmínkách. Díky anti-Stokesově luminiscenci, která umožňuje detekci bez rušivých interferencí optického pozadí, představují photon-upconverting nanočástice atraktivní značku pro imunostanovení. Syntetizované nanočástice byly konjugovány s protilátkou a sloužily jako značka v kompetitivním imunostanovení léčiva diclofenac v povrchových vodách. Aplikace nanomateriálů nebyla omezena pouze na imunochemická stanovení. S použitím templátu ze zesíťované želatiny byly připraveny zlaté nanostruktury s elektrokatalytickými vlastnostmi, které byly využity pro stanovení glukosy v krevním séru.

Abstract:

Immunosensors and immunoassays represent a convenient way of quantitative analysis within complex samples due to the high specificity provided by antibodies. The immunoassays are characterized by high sensitivity and robustness, immunosensors on the other hand provide fast analysis with potential for in-field applications. Advanced microscopic techniques are a valuable tool for characterization of biosensing surfaces and nanoparticles. Based on the detailed information about the structure, the material properties can be optimized in order to develop more efficient biosensors and assays. The thesis provides introduction to immunoassays, biosensing and microscopic techniques, which is supplemented by the overview of advanced applications of nanomaterials in immunosensing in the appended review article. The experimental part is represented by peer-reviewed articles that focus on various aspects of biosensors and nanomaterials. Detection of microorganisms using different kinds of transducers was explored in detail. Portable label-free immunosensors based on quartz crystal microbalance and electrochemical impedance spectroscopy were developed for rapid point-of-care detection of biological weapons in bioaerosols and Salmonella in milk. For the highly sensitive laboratory-based confirmation of microbial contaminations, signal enhancement by enzyme-catalyzed precipitation was developed for surface plasmon resonance sensing. Photon upconverting nanoparticles (UCNPs) have become an attractive label in immunoassays because their anti-Stokes luminescence can be detected without optical background interference. The conjugates of UCNPs with antibody were synthesized and employed in competitive upconversion-linked immunosorbent assay for the detection of pharmaceutical diclofenac in surface waters. The application of nanomaterials was not limited only to immunochemical sensing. Gold nanostructures with electrocatalytic properties were prepared by electrodeposition of gold through the pores of cross-linked gelatin and applied for non-enzymatic detection of glucose in serum.

Keywords

Biosensor, Immunosensor, Immunoassay, Nanoparticle, Bioconjugation, Atomic force microscopy, Imunosensor, Imunostanovení, Nanočástice, Biokonjugace, Mikroskopie atomárních sil

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 9. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 23. 11. 2017
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.
• Reader: doc. Ing. Jana Drbohlavová, Ph.D., doc. RNDr. Ludmila Zajoncová, Ph.D., Jakub Dostalek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Life Sciences / Structural Biology