Nanofluidic biosensor for the investigation of catalytic enzyme activities on the single-event level
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde eine Chip-basierte Methode für die elektrochemische Detektion von redox-aktiven Molekülen entwickelt. Die Methode beruht auf einer schnellen Folge von Oxidations- und Reduktionsreaktionen (Redox-Cycling) in nanofluidischen Kanälen und ermöglicht eine Verstärkung der Signale um mehrere Größenordnungen. Mit den entwickelten Sensoren konnten extrem geringe Mengen redox-aktiver Stoffe bis zu ca. 24 Molekülen in einem Volumen von weniger als 2 Femtolitern elektrochemisch detektiert werden. Die verwendete Methode ermöglicht die sensitive Echtzeit-Detektion Catecholbasierter Moleküle, welche eine Gruppe von Hormonen und Neurotransmittern umfassen. Typische störende Einflüsse anderer redox-aktiver Komponenten wie zum Beispiel der Ascorbinsäure konnten dabei durch geeignete Wahl des Sensordesigns reduziert werden. So wurde gezeigt, dass Catechol, selbst im Beisein einer 500-fach höheren Konzentration von Ascorbinsäure, problemlos in Echtzeit detektiert werden kann. Die Notwendigkeit einer vorherigen Elektrodenbeschichtung oder die Auftrennung der Komponenten entfällt bei diesem Ansatz. Die hohe selektive Verstärkung innerhalb der nanofluidischen Kanäle ermöglicht zudem den Einsatz sehr kleiner Sensoren oder Sensorfelder mit guter örtlicher Auflösung. Dieser Aspekt ist insbesondere für parallele Untersuchungen an individuellen Zellen eines Netzwerks interessant. Abhängig von den eingestellten Elektrodenpotenzialen lässt sich die Detektion auf andere Moleküle erweitern. Zum Beispiel konnte gezeigt werden, dass sich geringe Mengen Paracetamol nahezu unabhängig vom Ascorbinsäure-Hintergrund detektieren lassen. Neben Anwendungen in der molekularen Detektion bzw. Sensorik eignet sich die nanofluidische Redox-Cycling Technik auch für grundlagenorientierte elektrochemische Experimente. Hierbei ist besonders interessant, dass die kurzen Diffusionswege im nanofluidischen Kanal die Untersuchung schneller kinetischer Effekte an den Elektrodenübergängen ermöglichen. So konnten wir zeigen, dass das umgebende Medium einen Einfluss auf die heterogene Geschwindigkeitskonstante von Ferrocen-Dimethanol hat. Trotz einiger technologischer Herausforderungen, die noch zu bewältigen sind, erscheint die Chip-basierte elektrochemische Detektion einzelner Moleküle in greifbare Nähe gerückt. Die Stabilität und die vielseitige Einsetzbarkeit der nanofluidischen Sensoren, sowohl in der molekularen Detektion als auch in der Grundlagenforschung, lassen erwarten, dass sich diese Technik zu einem verbreiteten Werkzeug für elektrochemische Messungen entwickelt.
Publications
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Mesoscopic Concentration Fluctuations in a Nanofluidic Device. Proceedings of the 11th Micro Total Analysis Systems Conference, Paris (2007) 388-390
M.A.G. Zevenbergen, B. Wolfrum, and S.G. Lemay
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Nanofluidic redox cycling amplifier for the selective detection of catechols. Annual Dutch meeting on Molecular and Cellular Biophysics, Veldhoven The Netherlands (2007) (talk)
B. Wolfrum, M.A.G. Zevenbergen, D. Heering, and S. Lemay
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Nanotechnology tools for on-chip biosensors. Graduate School InterNeuro, Leipzig Germany (2007)
B. Wolfrum
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Fluidic nanodevices for electrochemical sensing. American Chemical Society Spring Meeting, New Orleans (2008)
M. Zevenbergen, B. Wolfrum, S. Lemay
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Nanofluidic redox cycling amplification for the selective detection of catechol. Analytical Chemistry, 80 (2008) 972- 977
B. Wolfrum, M.A.G. Zevenbergen, and S.G. Lemay
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Nanofluidic redox cycling in electrochemical biosensing applications. American Physical Society March Meeting, New Orleans (2008)
B. Wolfrum, M. Zevenbergen, S. Lemay
