A carbon-based electrochemical aptasensor for detection of vancomycin

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2023-08-21

Department

Major/Subject

Biosystems and Biomaterials Engineering

Mcode

CHEM3036

Degree programme

Master’s Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

107+8

Series

Abstract

Labelled, carbon-based electrochemical aptasensor was developed for detecting vancomycin from biologically relevant samples in the therapeutically relevant concentration ranges below 50µM. Both hand-prepared and commercially manufactured electrodes were used to measure vancomycin using square wave voltammetry (SWV) in measurement buffers such as phosphate buffered saline (PBS) and human plasma. In contrast to traditional gold-based electrochemical aptasensors, the electrode materials investigated in this work were carbon-based, with single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) being the electrode material tested and tried, ultimately hoping for the carbon-based aptasensor architecture to function as an electrochemical platform technology for the detection of various different biomolecules for point-of-care (POC) testing. A couple of different aptamer functionalisation techniques were tested: (1) direct carbodiimide crosslinking via EDC/NHS chemistry, (2) using the 𝜋 − 𝜋 stacking to our advantage by using an aromatic linker molecule 1-pyrenebutyric acid with an NHS-ester and finally (3) trying to use carboxymethyl cellulose (CMC) as a monolayer for aptamer functionalisation via EDC/NHS coupling. Unfortunately the adsorptive tendencies of SWCNTs and unsuccessful coupling protocols seemingly hindered the sensor development process, as the AttoMB2-labelled aptamers seem to, against all hypotheses, adsorb to the SWCNT surfaces via the labelled end, compromising the degree of freedom required for optimal functioning. The ferrocene-labelled aptamers were seemingly unusable with these functionalisation trials at every stage of the project, due to inherent instability arising from uncertain phenomena. The result was a long project full of sensor development via the “trial-and-error”- method, with the end-product being capable of sensing vancomycin in rather limiting circumstances via the loss of current, most likely arising from the net loss of non- specifically attached aptamers due to the binding of vancomycin. Further development and testing volume is necessary for the future development of such a sensor, with consideration of other carbonaceous electrode materials recommended as well.

Tässä työssä kehitettiin merkitty, hiilipohjainen sähkökemiallinen aptasensori vankomysiinin pitoisuusmääritykseen biologisesti relevanteista näytteistä terapeuttisesti relevanteissa konsentraatioissa (<50µM). Sekä käsintehtyjä että teollisuudessa tuotettuja elektrodeja testattiin vankomysiinimittauksissa käyttäen square wave-voltammetriaa (SWV) näyteliuoksissa kuten fosfaattipuskuroidussa fysiologisessa suolaliuoksessa (PBS) sekä ihmisplasmassa. Kontrastina perinteisille kultapohjaisille sähkökemiallisille aptasensoreille, tässä työssä tutkitut materiaalit olivat puhtaasti hiilipohjaisia, keskittyen yksiseinämäisiin hiilinanoputkiin (SWCNTs) elektrodimateriaalina, perimmäisenä tavoitteena luoda hiilipohjaisesta elektrodista ja aptameereistä sähkökemiallinen alustateknologia erilaisten biomolekyylien pitoisuusmäärittämiseen vierianalytiikalla (POC). Työssä testattiin kolmea eri aptameerifunktionalisaatioreseptiä: (1) suoraa karbodi- imidilinkkausta EDC/NHS-kemian avulla, (2) 𝜋 − 𝜋-kasaantumisen hyödyntämistä aromaattisen linkkerimolekyylin (1-pyreenivoihappo NHS esterillä) avulla, ja (3) käyttämällä karboksyylimetyyliselluloosaa (CMC) hiilinanoputkien päällä EDC/NHS- kemiaa varten. Valitettavasti hiilinanoputkien adsorptiivinen käytös ja epäonnistuneet linkkausprotokollat vaikeuttivat ja hidastivat sensorinkehitysprosessia. AttoMB2- merkatut aptameerit vaikuttavat, hypoteesien vastaisesti, kiinnittyvän hiilinanoputkiin merkitystä päästään, joka näin ollen pienentäisi aptameerien liikkumisvapautta, näin ollen vahingoittaen niiden tehokkuutta. Ferroseeni-merkatut aptameerit puolestaan vaikuttivat käyttökelvottomilta joka vaiheessa projektia, sillä niitä ei (epäselvästä syystä johtuvan) epästabiiliuuden vuoksi oikein voinut käyttää. Lopputuloksena oli pitkä sensorikehitysprojekti, joka eteni pitkälti ”yrityksen ja erehdyksen” kautta tilanteeseen, jossa sensorimme kykeni mittaamaan vankomysiiniä rajatuissa olosuhteissa negatiivisella vasteella analyyttiin, joka mitä luultavimmin johtuu epäspesifisti kiinnittyneiden aptameerien irtoamisesta elektrodipinnasta vankomysiiniin kiinnittymisen seurauksena. Jatkotutkimus ja etenkin testausvolyymin kasvatus ovat tulevaisuudessa tarpeen, kuten myös muiden hiilielektrodien tutkinta.

Description

Supervisor

Laurila, Tomi

Thesis advisor

Leppänen, Elli

Keywords

aptamer, CNTs, vancomycin, electrochemistry, adsorption, SWV

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308275220

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM