Development of a voltammetric biosensor for thrombin detection

Abstract

Jährlich sterben in der Europäischen Union über eine halbe Million Menschen an tiefer Venenthrombose und den daraus resultierenden Erkrankungen [66]. Zusätzliche sterben 7 Millionen weltweit an Herzinfarkten und Artheriosclerose [55]. In allen dreien dieser Krankheiten spielt Thrombin eine wesentliche Rolle. Thrombin ist aber auch am Heranwachsen und Metastasieren von bestimmten Tumoren wie auch an der Entwicklung und Aufrechterhaltung menschlicher Gehirnfunktion und der Entstehung von Gehirnblutungen, Alzheimer und Parkinson beteiligt. In dieser Arbeit wird der NaCoS Sensor, ein Projekt des AIT in Zusammenarbeit mit ihrem Businesspartner Scio und der Shanghai Universität, gefördert von der FFG, charakterisiert, weiterentwickelt und benutzt um ein Bioassay zur Thrombin Detektion zu entwickeln. Der NaCoS Sensor wird amperometrisch ausgelesen, Kosten-günstig mittels Siebdruck hergestellt und im Tintenstrahldruck-Verfahren biofunktionalisiert. Er ist multiplex-fähig und kann bis zu vier Analyten synchron detektieren. Nachdem ein Messaufbau entwickelt wurde, wurden verschiedene Passivierungs- und Flüssigkeitsdamm-Materialien getestet, die Stabilität und Sensitivität der Pseudo-Referenzelektrode und der Arbeitselektroden untersucht. Auch eine Haltbarkeitsstudie wurde durchgeführt. Verschiedene Redoxpaare wurden auf Brauchbarkeit für das NaCoS System getestet. Hexaamminruthenium in TRIS Buffer hat sich als am geeignetsten herausgestellt und wurde für die meisten Zyklovoltammetrie-Messungen benutzt, welche für den Großteil aller Messungen verwendet wurde. Der Tintenstrahl-Druckprozess wurde verbessert. Erste molekulare Experimente, wie zum Beispiel die Hexaamminruthenium-Thrombin Aptamer Interaktion, das Blockieren von Graphene und Graphit-Oberflächen durch BSA und die Aptamer Immobilisation und Thrombin Detektion wurden durchgeführt. Diese Experimente weisen auf die Verwendbarkeit des vorgeschlagenen Systems zur Thrombin Detektion hin aber weitere Experimente sind notwendig um die Detektion noch zu verbessern.

In the European Union alone each year over half a million people die from deep-vein thrombosis diseases [66] and worldwide 7 million people die from heart attacks and atherosclerosis [55]. All three are conditions where thrombin plays a major role. Thrombin is also involved in growth and metastasis of some cancers, development and maintainance of brain function and development of intracerebral hemorrhage, Alzheimer's and Parkinson's disease. In this work the NaCoS sensor, a project of the AIT in cooperation with the business partner Scio and the Shanghai University, funded by the FFG, was characterized and used to develope a thrombin detection bioassay. The NaCoS sensor is an amperometric sensor produced by screen printing and biofunctionalized with an inkjet printing technique, which enables lowcost production. The sensor works multiplex-able and can detect up to four analytes at the same time. After a testing setup for the sensors was established, different procedures to characterize the passivation and fluid barrier materials, the stability and sensitivity of the pseudo-reference electrode and the working electrodes were performed, as well as a durability study. Various redox active compounds were studied for their usability with the sensor system. Hexaammine ruthenium in TRIS buffer was identified as best suitable for cyclic voltammetry which was used predominantely. The inkjet printing process was enhanced. Preliminary molecular experiments, such as the hexaammine ruthenium interaction with thrombin aptamer, the BSA blocking of graphene and graphite surfaces, as well as DNA aptamer immobilization and thrombin detection were carried out. These experiments indicate the system’s usability for thrombin detection. However, further experiments have to be performed to improve the thrombin detection.