Dielectrophoresis-assisted Raman micro-spectroscopy for pathogen identification
Analytical Chemistry
Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
Final Report Abstract
Die verwendeten Pathogene, E. coli und M. luteus Bakterien, wurden erfolgreich aus Suspensionen heraus aufkonzentriert und an Nanoelektrodenarrays angesammelt. Die hierzu verwendete elektrische Methode, Dielektrophorese, ist besonders vorteilhaft, da durch den Konzentrationseffekt auch Bakterien aus sehr niedrig konzentrierten Proben gefangen werden konnten. Durch Optimierung der elektrischen Feldeinstellungen konnte sowohl eine reversible als auch eine permanente Immobilisierung der Bakterien an den einzelnen Elektroden erreicht werden. Bei der reversiblen Immobilisierung verweilten die Bakterien nur während der Einwirkung des elektrischen Feldes bei den Elektroden und diffundierten nach Abschalten sofort weg. Eine reversible Immobilisierung ist für schnelle Analysen mit hoher Durchsatzgeschwindigkeit wünschenswert und ermöglicht eine Wiederverwendung des Elektrodenchips. Bei der permanenten Immobilisierung hafteten die Bakterien auch nach Abschalten des elektrischen Feldes an den Elektroden und erlaubten Spülvorgange. Im Anschluss konnten beliebig viele verschiedene Analysen durchgeführt werden. Auch hier war eine Wiederverwendung der Elektrodenchips nach mehreren Reinigungsschritten möglich. Als eine mögliche labelfreie Analysemethode wurde die Raman-Spektroskopie durchgeführt, wobei der Oberflächenverstarkungseffekt (SERS) durch Einsatz von Silbernanopartikeln ausgenutzt wurde. Vier verschiedene Strategien für die Modifikation mit Silbernanopartikeln wurden verglichen; alle führten zu einer deutlichen Signalverstarkung (Faktor 10^2 - 10^3), mit der auch einzelne Bakterien problemlos detektiert werden konnten. Die festgestellten Variationen der Ramanspektren können auf die grundsätzliche Ortsabhängigkeit des Oberflächenverstarkungseffektes und den komplexen Auftau der Bakterienzellen zurückgeführt werden. Diese lokalen Verstarkungseffekte sollten bei „homogeneren" Proben weniger Variationen zeigen, also beispielsweise bei Viren mit einer einheitlichen Proteinhülle oder bei Molekülen. Sind in der Probe mehrere verschiedene Pathogene enthalten, können diese spezifisch über die jeweiligen Antikörper gebunden werden. Auf den vier einzeln ansteuerbaren Teilarrays des Elektrodenchips konnen dafür vier verschiedene Antikorper immobilisiert werden. Die Durchführbarkeit der Antikorper-Immobilisierung wurde am Beispiel von Antikörpern gegen M. luteus gezeigt. Als Vorstufe zum Multiplexing der Pathogenidentifizierung wurden verschiedene Fluoreszenzbeads auf den einzelnen Elektroden-Teilarrays immobilisiert, was über die verschiedenfarbigen Emissionen der Fluoreszenzbeads sichtbar gemacht werden konnte. Nach diesem Prinzip sollte es möglich sein, vier verschiedene Antikörper zu immobilisieren und somit vier verschiedene Pathogene aus einer komplexen Probe heraus zu binden und im Anschluss nachzuweisen.
Publications
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10. Deutsches Biosensor Symposium/1. Europäisches Biosensor Symposium, Potsdam, 22. März 2017: Detection of dielectrophoretically accumulated bacteria at nanoelectrode arrays by surface enhanced Raman spectroscopy
Eva-Maria Laux
