Entwicklung neuartiger funktioneller laser-induzierter Kohlenstoffnanofasern für miniaturisierte elektrochemische Biosensoren

• Antragstellerin: Nongnoot Wongkaew, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457100614

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Möglichkeit, gesuchte Analyten direkt vor Ort (engl. “point of need” = PON) zu erfassen wird in vielen Anwendungsbereichen immer wichtiger, so z.B. im Gesundheitswesen, im Umweltschutz, in der Landwirtschaft, sowie in der Lebensmittelindustrie und biotechnologischen Produktion. Elektrochemische Messmethoden haben sich als zuverlässig und effizient in PON-Anwendungen erwiesen - exemplarisch ist hier das allseits bekannte Glukometer zu nennen. Laser-induzierte Kohlenstoffnanofasern (engl. laser-induced carbon nanofibers = “LCNFs”) haben eine große spezifische Oberfläche, sind günstig herzustellen und leicht modifizierbar. Damit eignen sich LCNF hervorragend als funktionelle Signalwandler in mikroanalytischen Testsystemen, also auch für kostengünstige PON-Geräte. In einer vorangegangenen Studie haben wir die elektroanalytische Leistungsfähigkeit von LCNFs und die ausschlaggebenden Herstellungsparameter ausgiebig untersucht. Außerdem haben wir metallische Nanopartikel als Katalysatoren in LCNF eingebracht und deren Anwendbarkeit in enzymlosen Messungen untersucht. Auf diesen vorhergehenden Untersuchungen aufbauend, haben wir im aktuellen Projekt bimetallische Platin-Nickel Nanopartikel in LCNF (Pt/Ni-LCNF) entwickelt und ihre Anwendbarkeit für die Messung von H2O2 und Glukose in Lösungen mit physiologischem pH-Wert untersucht. Die morphologischen und chemischen Eigenschaften von Pt/Ni-LCNF sowie elektroanalytische Leistungsfähigkeit wurden gründlich untersucht. Bei der Messung von Glukose wurde ein synergistischer Effekt der Pt/Ni Partikel genutzt: OH- Ionen wurden in-situ an Platin generiert, um die elektrokatalytische Umsetzung von Glukose an Ni zu ermöglichen. Die freistehenden LCNFs wurden in eine miniaturisierte Apparatur für PON-Messungen integriert, und verbesserten deren analytische Leistungsfähigkeit in herausragender Weise. In einem weiteren Schritt wurde das Material als Interdigitalelektrode hergestellt und die Sensitivität durch Redox-Cycling weiter verbessert. Die LCNFs wurden anschließend in einen Lateral- Flow-Assay integriert, ein Format u.a. bekannt durch die verbreiteten COVID-19-Schnelltests, und erfolgreich zum DNA-Nachweis per Hybridisierung eingesetzt. Schließlich wurden die LCNF-Elektroden zur Erfassung von Biomarkern aus Atemaerosolen eingesetzt und die hervorragende Durchlässigkeit der LCNF für Flüssigkeiten und Gase macht ihre weitere Integration in eine Gesichtsmaske als nicht-invasives Diagnoseinstrument vielversprechend. Obwohl wir in dem Projekt zeigen konnten, dass LCNF ein attraktives Elektrodenmaterial für zukünftige PON-Geräte ist, bestehen auf einigen Gebieten noch Herausforderungen, z. B. bezüglich Lagerstabilität und Selektivität, sowie weitere Einschränkungen, die angegangen werden müssen, um den Nutzen von LCNFs in der Praxis zu fördern.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Freestanding 3D-interconnected carbon nanofibers as high-performance transducers in miniaturized electrochemical sensors. Microchimica Acta, 189(11).
  Perju, Antonia; Baeumner, Antje J. & Wongkaew, Nongnoot
  
• Flow-Through Carbon Nanofiber-Based Transducer for Inline Electrochemical Detection in Paper-Based Analytical Devices. ACS Applied Materials & Interfaces, 15(38), 44641-44653.
  Perju, Antonia; Holzhausen, Ferdinand; Lauerer, Anna-Maria; Wongkaew, Nongnoot & Baeumner, Antje J.
  
• Investigating nanocatalyst-embedding laser-induced carbon nanofibers for non-enzymatic electrochemical sensing of hydrogen peroxide. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 415(18), 4487-4499.
  Bruckschlegel, Christoph; Schlosser, Marc & Wongkaew, Nongnoot
  
• Carbon nanofiber electrodes for flow-through electrochemical sensors and sensor. WO 2023/046675
  Baeumner, Antje, Wongkaew, Nongnoot & Perju, Antonia-teodora
  
• Front Cover: Laser‐Induced Carbon Nanofiber‐Based Redox Cycling System (ChemElectroChem 5/2024). ChemElectroChem, 11(5).
  Perju, Antonia & Wongkaew, Nongnoot
  
• Functional nanofibers in microfluidic biosensors, Habilitation thesis
  Wongkaew, N.
  
• Novel Electrospun Zwitterionic Nanofibers for Point‐Of‐Care Nucleic Acid Isolation Strategies Under Mild Conditions. Advanced Materials Interfaces, 11(30).
  Wieberneit, Alissa J.; Wongkaew, Nongnoot & Baeumner, Antje J.
  
• Laser-Induced Carbon Nanofibers as Permeable Nonenzymatic Sensor for Biomarker Detection in Breath Aerosol. Analytical Chemistry, 97(8), 4293-4298.
  Fiori, Selene; Bruckschlegel, Christoph; Weiss, Katharina; Su, Keyu; Foedlmeier, Michael; Della Pelle, Flavio; Scroccarello, Annalisa; Compagnone, Dario; Baeumner, Antje J. & Wongkaew, Nongnoot
  
• Non-enzymatic electrochemical sensors for point-of-care testing: Current status, challenges, and future prospects. Talanta, 291, 127850.
  Bruckschlegel, Christoph; Fleischmann, Vivien; Gajovic-Eichelmann, Nenad & Wongkaew, Nongnoot