Luminescent markers and labels in authentication and novel bioaffinity assays

Thumbnail Image

Files

isbn9789526038216.pdf (4.32 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-05-08
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2020

Department

Kemian ja materiaalitieteen laitos
Department of Chemistry and Materials Science

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

82 + app. 48

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 53/2020

Abstract

Luminescence can be utilized in various commercially important applications such as anti-counterfeit (AC) markings and bioaffinity assays. The increasing demands for product authentication by consumers, and point-of-care (POC) health monitoring systems, can be met using luminescence based solutions developed to be compatible with simple instrumentation such as smartphones. Use of environmentally friendly materials like cellulose would further benefit such applications. In this thesis, the luminescence properties of fibrillary cellulose films and cardboard materials are studied to find a cellulose based material usable as a substrate for luminescent AC markers. Multiple combinations of organic luminophores, lanthanide chelates and inorganic phosphors have been used to create datasets i.e. luminescence topography maps (LTM) for verification of the authenticity of the product package. The whole authentication process, from the photoexcitation of the marker to the recognition of the product, is demonstrated with a smartphone application. Wide variety of marker luminophores can be used in the future, as camera technologies and computing power of the smartphones are constantly evolving. The results also show that cellulose as substrate displays weak long-lived photoluminescence emission. This emission originating from multiple luminescence centers, can be utilized in LTM as an internal standard in the method. Cellulose based composite materials are also investigated as low-cost alternatives for expensive oxide-coated silicon electrodes for electrochemiluminoimmunoassays. Composite electrodes made of insulating cellulose derivatives or polystyrene with different conductive carbon materials are studied, and these materials are used to make screen-printed electrode chips. The analytical applicability of the electrodes have been tested in immunoassay of C-reactive protein with Tb(III)chelate and fluorescein isothiocyanate (FITC) labels. The results indicate that conductive carbon-cellulose composite materials are well suited for the fabrication of screen-printed electrodes. Low background emission, wide linear range and low detection limits are obtained with these electrodes. FITC could provide lower detection limits of the analyte than the presently used Tb(III) chelate labels, which is very promising for low-cost POCT applications.

Luminesenssia voidaan hyödyntää useissa kaupallisesti merkittävissä sovelluksissa, kuten väärennösten ehkäisyssä ja bioaffiniteettimäärityksissä. Pienlaitteilla tehtävä vierianalytiikka ja tuotteiden aitouden varmentavat menetelmät ovat tulleet kaiken aikaa yhä merkittävimmiksi, ja kuluttajien itse käyttämät pienlaitteet tulevat olemaan tulevaisuudessa hyvin tärkeässä asemassa. Luminesenssiin perustuva määritysmenetelmä, joka on kehitetty yhteensopivaksi yksinkertaisten laitteistojen, kuten älypuhelinten kanssa, vastaa varsin pitkälti näihin vaatimuksiin. Ympäristöystävällisten valmistusmateriaalien, kuten selluloosan käyttö edistää myös osaltaan sovellusten kiinnostavuutta. Väitöskirjatyössä tutkittiin fibrilliselluloosakalvojen ja kartonkimateriaalien luminesenssiominaisuuksia sekä niiden hyödynnettävyyttä substraatteina luminoiville merkkiaineille. Useiden orgaanisten luminoforien, lantanidikelaattien ja epäorgaanisten fosforien yhdistelmiä hyödynnettiin aitouden varmentamiseen käytettävissä tietokannoissa luminesenssitopografiakarttojen muodossa. Koko aitouden tarkistamisprosessi, merkinnän valovirityksestä tuotteen tunnistamiseen, toteutettiin myös älypuhelinsovelluksella. Laajaa valikoimaa erilaisia merkkiaineita voidaan hyödyntää tulevaisuudessa älypuhelinten kameratekniikan ja laskentatehon kehittyessä. Selluloosalla havaittiin esiintyvän useasta luminesenssikeskuksesta johtuvaa pitkäikäistä luminesenssia, jota voidaan myös tarvittaessa hyödyntää aitousmerkinnän pakkausmateriaalikohtaisena sisäisenä standardina. Väitöskirjatyössä tutkittiin myös selluloosapohjaisista komposiittimateriaaleista valmistettuja elektrodeja edullisina vaihtoehtoina oksidipäällystetyille piielektrodeille elektrokemiluminoimmunomäärityksissä. Selluloosajohdannaisia ja polystyreeniä käytettiin eristemateriaalina, ja hiilimustaa ja grafiittia johdemateriaalina komposiittimusteissa, joista valmistettiin silkkipainettuja elektrodisiruja. Elektrodien analyyttinen sovellettavuus testattiin C-reaktiivisen proteiinin määrityksellä käytettäessä leima-aineina Tb(III)kelaattia ja fluoreseiini-isotiosyanaattia (FITC). Selluloosapohjaiset komposiittimateriaalit soveltuvat hyvin silkkipainettujen elektrodien valmistukseen, ja niillä todettiin olevan matala taustaemissio, laaja lineaarinen alue ja matalat toteamisrajat. FITC:llä voidaan saada jopa matalampia toteamisrajoja kuin Tb(III)kelaatilla, mikä on lupaava ominaisuus kustannuksiltaan edullisia vierianalytiikan sovelluksia ajatellen.

Description

The public defense on 8th May 2020 at 12:00 will be organized via remote technology. Link: https://aalto.zoom.us/j/67255691803 Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide

Supervising professor

Kulmala, Sakari, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, Finland

Thesis advisor

Kulmala, Sakari, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, Finland

Keywords

luminophores, authentication, cellulose, composite electrodes, bioaffinity assays, luminoforit, autentikointi, selluloosa, komposiittielektrodit, bioaffiniteettimääritykset

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Grönroos, P., Bessonoff, M., Salminen, K., Paltakari, J., Kulmala,S. Phosphorescence and fluorescence of fibrillar cellulose films, Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2018, 33, 246-255.
    DOI: 10.1515/npprj-2018-3030 View at publisher
  • [Publication 2]: Salminen, K., Grönroos, P., Tuomi, S. Kulmala, S. Cathodic electrogenerated chemiluminescence of aromatic Tb(III) chelates at polystyrene-graphite composite electrodes, Analytica Chimica Acta, 2017, 985, 54-60.
    DOI: 10.1016/j.aca.2017.07.035 View at publisher
  • [Publication 3]: Grönroos, P., Salminen, K., Paltakari, J., Zhang, Q., Wei, N., Kaup- pinen, E., Kulmala, S. Hot electron-induced electrochemiluminescence at cellulose derivatives-based composite electrodes, Journal of Electroanalytical Chemistry, 2019, 833, 349-356.
    DOI: 10.1016/j.jelechem.2018.12.006 View at publisher
  • [Publication 4]: Grönroos, P., Nur-E-Habiba, Salminen, K., Nissinen, M., Tuomaala, T., Miikki, K., Zhang, Q., Wei, N., Kauppinen, E., Eskola, J., Härmä, H., Kulmala, S. Immunoassays Based on Hot Electron-Induced Electrochemiluminescence at Disposable Cell Chips with Printed Electrodes, Sensors, 2019, 19, 1-13.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201908154693
    DOI: 10.3390/s19122751 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-3821-6

Collections

[diss] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM