Diese Arbeit konzentriert sich auf die LSPR-basierte Bioanalytik unter Verwendung kostengünstiger Messgeräte mit chemisch synthetisierten Gold-Nanopartikeln als Transducer für Bioassays in Einzel- und Array-Formaten. Die Interaktionen von Analytmolekülen werden sowohl direkt an der Oberfläche von Goldnanopartikeln als auch an unterschiedlich immobilisierten Fängermolekülen untersucht. Verschiedene Lösungen wie Glycerin in unterschiedlichen Konzentrationen und die schichtweise Aufbringung von positiv und negativ geladenen Polyelektrolyten werden verwendet, um die Empfindlichkeiten der Sensoren in der Umgebung und an der Oberfläche zu bestimmen. Um die optimalen Bedingungen für den Nachweis von Biomolekülen zu ermitteln, werden auch die spezifischen Wechselwirkungen von Proteinen und DNA-Molekülen untersucht. Für den Proteinnachweis wurden die Auswirkungen verschiedener Immobilisierungsmethoden der Fängermoleküle, die zu unterschiedlichen Abständen der Analyt-Bindungsmotive zur Goldoberfläche führen, auf das Analytsignal nachgewiesen. Es hat sich gezeigt, dass toxizitätsrelevante Untersuchungen von Proteininteraktionen an der Oberfläche von Goldnanopartikeln mit den verwendeten LSPR-Instrumenten ähnlich gut durchgeführt werden können wie z.B. mit der etablierten Methode der Fluoreszenzspektroskopie. Allerdings nimmt die Signalstärke für spezifische Proteinnachweise erwartungsgemäß mit dem Abstand des Analyt-Bindungsmotivs (Fängermolekül) zur Goldoberfläche ab. Dennoch ist das vorgestellte System in der Lage, selbst bei größtem Abstand noch Nachweisgrenzen für CRP im klinisch relevanten Bereich zu erreichen. Die Auswirkung von Analyten unterschiedlicher Größe auf ihr LSPR-Signal wurde anhand von DNA-Molekülen untersucht. Das Ergebnis war, dass die kürzesten Analyten am besten abschnitten (höchstes Signal), was aber wahrscheinlich auf sterische Hindernisse durch die größeren Moleküle zurückzuführen ist. Darüber hinaus konnten mit unserem kostengünstigen System auch Analyte mit einzelnen Basenfehlpaarungen von der vollständig komplementären Sequenz unterschieden werden. Schließlich wird die Optimierung der plasmonischen Array-Sensoren mit Hilfe eines neu entwickelten Auslesegeräts demonstriert. Die Homogenität der Arrays konnte durch die Anpassung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit (20°C & 70% relative Luftfeuchtigkeit) während des Spotting-Prozesses deutlich verbessert werden und es konnte gezeigt werden, dass das LED-basierte Auslesegerät trotz seines kosteneffizienten Designs durch relativ kurze Messzeiten und geringes Signalrauschen sehr gut abschneidet. Langfristig kann auf Basis dieser Untersuchungen ein Array mit Auslesegerät entwickelt werden, um z.B. verschiedene Antibiotikaresistenzgene parallel in kürzester Zeit nachweisen zu können.
This work is focused on LSPR-based bioanalysis using low-cost sensor devices with chemically synthesized gold nanoparticles as transducer for bioassays in single and array formats. Interactions of analyte molecules are investigated both directly on the surface of gold nanoparticles and on differently immobilized capture molecules. Various solutions like glycerol of different concentrations and layer by layer depositions of positively and negatively charged polyelectrolytes are used to determine the bulk and surface sensitivities of the sensors. To determine the optimal conditions for biomolecule detection, the specific interactions of proteins and DNA molecules are investigated. For protein detection, the effects of different immobilization methods of capture molecules leading to different distances of analyte binding motifs to the gold surface on the analyte signal were demonstrated. It has been shown that toxicity-relevant studies of protein interactions at the surface of gold nanoparticles can be observed similarly well with the LSPR instrument as, for example, with the well-established method of fluorescence spectroscopy. However, the signal strength for specific protein detections decreases with the distance of the analyte binding motif (capture molecule) to the gold surface as expected. Nevertheless, the presented system is able to achieve detection limits for CRP in the clinically relevant range even at the largest distance. The effect of analytes of different sizes on their LSPR signal was investigated using DNA molecules. The result was that the shortest analytes performed best (highest signal), but this is probably due to steric hindrance by the larger molecules. In addition, analytes with single base mismatches could also be distinguished from the fully complementary sequence using the established low-cost system. Finally, the optimization of plasmonic array sensors using a newly developed readout device was demonstrated. The homogeneity of the arrays could be significantly improved by adjusting the temperature and humidity (20°C & 70% relative humidity) during the spotting process and it could be shown that the LED-based readout device performs very well due to relatively short measurement times and low signal noise despite its cost-efficient design. In the long term, an array with a readout device can be developed on the basis of these investigations in order to be able, for example, to detect different antibiotic resistance genes in parallel in the shortest possible time.
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