Development of disposable sensors for rapid multianalyte detection: acetylcholinesterase and microbial biosensors

Abstract

Der Gegenstand dieser Arbeit war die Entwicklung von neuen Biosensoren zum simultanen Nachweis und der Klassifizierung von Stoffgemischen in der Umweltanalytik. Diese neuartigen Systeme sollten zur Detektion Acetylcholinesterase hemmender Insektizide aus der Gruppe der Organophosphate und Carbamate sowie halogenorganischer Stoffe eingesetzt werden. Diese Substanzen spielen insbesondere in der Überwachung der Wasserqualität eine entscheidende Rolle. Das Sensorprinzip basierte auf der Idee, biologische Rezeptorkomponenten, die unterschiedliche Spezifität für die Zielananlyten aufweisen, zu kombinieren, und deren Signalmuster durch künstliche neuronale Netze (KNN) auszuwerten. Alle entwickelten Systeme verwendeten durch Siebdruck hergestellte Dickschicht-Multielektroden als Sensorbasis. Zur Mustererkennung von Insektiziden wurden Biosensoren eingesetzt, welche Acetylcholinesterase-Varianten variierender Selektivität enthielten. Die Detektion halogenorganischer Verbindungen in Mischungen erfolgte mittels Sensoren, die mit Ralstonia eutropha JMP 134 Zellen bestückt waren. Die verschiedenen Selektivitäten dieser Sensoren wurden durch Kultivierung der Mikroorganismen auf unterschiedlichen Wachstumssubstraten erreicht.

The objective of this work was to develop new biosensors for multianalyte detection. Target analytes were cholinesterase inhibiting insecticides and chlorinated aromatic hydrocarbons. The task was fulfilled by a combination of biological receptors bearing different selectivities for the desired analytes and data evaluation by feed-forward artificial neural networks (ANN). The basic sensor design consisted of a four-electrode thick film electrode which was fabricated by screen printing. As biological receptors for insecticide detection, variants of acetylcholinesterase (AChE) and for chlorinated aromatics Ralstonia eutropha JMP 134 cells were selected.