Label-free electrical biosensing based on electrochemically functionalized carbon nanostructures

Abstract

The development of new analytical approaches in the diagnostics of the diseases with higher throughput, smaller sample and set-up sizes, lower cost and easier disposal is one of the major needs of modern medicine. Miniaturization and simplification of biomedical assays are required for point of care diagnostics and lab-on-a-chip systems. In this thesis the concept of electrical biosensors based on single wall carbon nanotubes (SWCNTs) and graphene is presented. The detection of saccharides and DNA was realized using field effect transistor (FET) - based sensors where carbon nanostructures play the role of a transducing component.The theoretical part of the thesis explains the concept of biosensing and the role of nanomaterials in the development of the next generation of bioassays. Furthermore, the structure and properties of SWCNTs and graphene and their advantages for electrical biosensing are described.The experimental section starts with a detailed description of the carbon nanotube (CNT) biosensor fabrication process. This includes carbon nanotube solution preparation, assembly of CNTs into devices, passivation of metal electrodes and modification of the CNT surface with receptors. The advantages of using impedance spectroscopy measurements at different liquid gate voltages for electrical detection of biomolecules are pointed out here.The next chapter is dedicated to affinity-based glucose sensing. Using boronic acid functionalized carbon nanotubes the detection of glucose was demonstrated. The sensing mechanism was investigated in detail. The sensor signal was shown to be different depending on the way the CNTs were modified covalently or non-covalently.The biosensing setup was then utilized for the detection of DNA. It was possible to achieve very low limit of detection for oligonucleotides using CNTs non-covalently modified with a complementary DNA sequence. The sensor was shown to be highly selective as well. Finally, the possibility of using 2D-carbon nanomaterial, namely graphene, for electrical biosensing is outlined. The approaches towards large scale preparation of graphene devices were investigated during this work. The wafer-scale fabrication of reduced graphene oxide devices was realized using a novel chemical route.The final part of the thesis summarizes the results obtained while conducting this work. The designed biosensing platforms based on carbon nanostructures show a great promise for application in chemical analysis and medical diagnostics. Therefore the developed biosensor is planned to be adapted for the detection of analytes from biological liquids. Die Entwicklung neuer analytischer Ansätze mit höherem Durchsatz, geringeren Probenmengen und kleineren Geräten, niedrigeren Kosten und einfacherer Entsorgung ist eine der wichtigsten Bedürfnisse der modernen Medizin für die Diagnostik von Erkrankungen. Die Miniaturisierung und die Vereinfachung biomedizinischer Tests sind für die Point of Care Diagnostik und für Lab-on-a-Chip Systeme erforderlich. In dieser Arbeit wird das Konzept elektrischer Biosensoren basierend auf einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWCNTs) und Graphen präsentiert. Der Nachweis von Zuckern und DNS wurde in Form von Feldeffekt-Transistor (FET) - Sensoren realisiert, wobei die elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoff Nanostrukturen durch an deren Oberfläche stattfindenden chemische Reaktionen beeinflusst werden.Der theoretische Teil der Arbeit erläutert das Konzept der Biosensorik, insbesondere die Rolle von Nanomaterialien in der Entwicklung der nächsten Generation von biologischen Assays. Des Weiteren sind die Struktur und die Eigenschaften von SWCNTs und Graphen und deren Vorteile für die elektrische Bioanalytik beschrieben.Der experimentelle Teil beginnt mit einer ausführlichen Beschreibung der Herstellung von SWCNT-Biosensoren. Dazu gehören die Dispergierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) in Lösung, die Integration von CNTs in elektronische Bauteile, die Passivierung von Metallelektroden und die Modifizierung der CNT Oberfläche mit Rezeptoren. Außerdem enthält diese Kapitel eine Erklärung der Detektionsmethode und weist auf die Vorteile des gewählten Ansatzes für die elektrische Detektion von Biomolekülen hin.Das nächste Kapitel befasst sich mit der Affinität-basierten Detektion von Zucker. Mittels Boronsäure-Rezeptoren wurde Glucose nachgewiesen. Der Detektionsmechanismus wurde im Detail untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich je nach Modifizierungart (kovalente oder nicht-kovalente Bindung von Rezeptore) das Sensorsignal unterschiedlich verhält.Derselbe Biosensorik Aufbau wurde dann für den Nachweis von DNS verwendet. Es war möglich, eine sehr niedrige Nachweisgrenze für Oligonukleotide mit Hilfe von CNTs zu erreichen, die nicht-kovalent mit einer komplementären DNS-Sequenz modifiziert waren. Zusätzlich war der Sensor selektiv für die Zielsubstanz. Des Weiteren wurde der Einsatz von 2D-Kohlenstoff-Nanomaterial, nämlich Graphen, für die elektrische Biosensorik erforscht. In diesem Kapitel werden Ansätze zur großtechnischen Herstellung von Graphen Bauteilen beschrieben. Die Wafer-Scale -Fertigung von reduzierten Graphenoxid Bauteilen unter Verwendung einer neuartigen chemischen Methode wurde realisiert.Der letzte Teil fasst die Ergebnisse dieser Arbeit zusammen. Die entworfenen Biosensorik Konzepte basierend auf Kohlenstoff-Nanostrukturen sind vielversprechend für die Anwendung in der chemischen Analytik und der medizinischen Diagnostik. Daher ist es geplant, den entwickelten Biosensor für den Nachweis von Analyten aus biologischen Flüssigkeiten anzupassen.