TY - THES A1 - Stanke, Sandra T1 - AC electrokinetic immobilization of influenza viruses and antibodies on nanoelectrode arrays for on-chip immunoassays T1 - AC elektrokinetische Immobilisierung von Influenzaviren und Antikörpern auf Nanoelektrodenarrays für on-Chip Immunoassays N2 - In the present thesis, AC electrokinetic forces, like dielectrophoresis and AC electroosmosis, were demonstrated as a simple and fast method to functionalize the surface of nanoelectrodes with submicrometer sized biological objects. These nanoelectrodes have a cylindrical shape with a diameter of 500 nm arranged in an array of 6256 electrodes. Due to its medical relevance influenza virus as well as anti-influenza antibodies were chosen as a model organism. Common methods to bring antibodies or proteins to biosensor surfaces are complex and time-consuming. In the present work, it was demonstrated that by applying AC electric fields influenza viruses and antibodies can be immobilized onto the nanoelectrodes within seconds without any prior chemical modification of neither the surface nor the immobilized biological object. The distribution of these immobilized objects is not uniform over the entire array, it exhibits a decreasing gradient from the outer row to the inner ones. Different causes for this gradient have been discussed, such as the vortex-shaped fluid motion above the nanoelectrodes generated by, among others, electrothermal fluid flow. It was demonstrated that parts of the accumulated material are permanently immobilized to the electrodes. This is a unique characteristic of the presented system since in the literature the AC electrokinetic immobilization is almost entirely presented as a method just for temporary immobilization. The spatial distribution of the immobilized viral material or the anti-influenza antibodies at the electrodes was observed by either the combination of fluorescence microscopy and deconvolution or by super-resolution microscopy (STED). On-chip immunoassays were performed to examine the suitability of the functionalized electrodes as a potential affinity-based biosensor. Two approaches were pursued: A) the influenza virus as the bio-receptor or B) the influenza virus as the analyte. Different sources of error were eliminated by ELISA and passivation experiments. Hence, the activity of the immobilized object was inspected by incubation with the analyte. This resulted in the successful detection of anti-influenza antibodies by the immobilized viral material. On the other hand, a detection of influenza virus particles by the immobilized anti-influenza antibodies was not possible. The latter might be due to lost activity or wrong orientation of the antibodies. Thus, further examinations on the activity of by AC electric fields immobilized antibodies should follow. When combined with microfluidics and an electrical read-out system, the functionalized chips possess the potential to serve as a rapid, portable, and cost-effective point-of-care (POC) device. This device can be utilized as a basis for diverse applications in diagnosing and treating influenza, as well as various other pathogens. N2 - In der vorliegenden Arbeit wurden AC elektrokinetische Kräfte, wie die Dielektrophorese und die AC Elektroosmose, als einfache und schnelle Methode zur Funktionalisierung der Oberfläche von Nanoelektroden mit biologischen Objekten in Submikrometergröße demonstriert. Diese Nanoelektroden haben eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 500 nm und sind in einem Array aus 6256 Elektroden angeordnet. Aufgrund ihrer medizinischen Relevanz wurden Influenzaviren sowie anti-Influenza Antikörper als Modellorganismus ausgewählt. Gängige Methoden, um Antikörper oder Proteine auf Biosensoroberflächen zu bringen, sind komplex und zeitaufwändig. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass durch die Anwendung elektrischer Wechselfelder Influenzaviren und Antikörper innerhalb von Sekunden auf den Nanoelektroden immobilisiert werden können, ohne dass zuvor eine chemische Modifikation der Oberfläche noch des immobilisierten biologischen Objekts erforderlich ist. Die Verteilung dieser immobilisierten Objekte ist über das gesamte Array ungleichmäßig. Es kommt zur Ausbildung eines Gradienten, welcher von der äußeren zur den inneren Reihen hin abnimmt. Verschiedene Ursachen für diesen Gradienten wurden diskutiert, beispielsweise der Vortex-förmige Flüssigkeitsstrom über den Nanoelektroden, der unter anderem durch elektrothermische Flüssigkeitsbewegung erzeugt wird. Es wurde gezeigt, dass Teile des akkumulierten Materials dauerhaft an den Elektroden immobilisiert sind. Dies ist ein Alleinstellungsmerkmal des vorgestellten Systems, da in der Literatur die AC elektrokinetische Immobilisierung fast ausschließlich als Methode nur zur temporären Immobilisierung dargestellt wird. Die räumliche Verteilung des immobilisierten Virusmaterials bzw. der anti-Influenza Antikörper an den Elektroden wurde entweder durch die Kombination aus Fluoreszenzmikroskopie und Dekonvolution oder durch super-resolution Mikroskopie (STED) betrachtet. Es wurden On-Chip-Immunoassays durchgeführt, um die Eignung der funktionalisierten Elektroden für einen potenziellen affinitätsbasierten Biosensor zu untersuchen. Dabei wurden zwei Ansätze verfolgt: A) Influenzaviren als Biorezeptor oder B) Influenzavirus als Analyt. Verschiedene Fehlerquellen wurden mittels ELISA und Passivierungsexperimente eliminiert. Infolgedessen wurde die Aktivität der immobilisierten Objekte durch Inkubation mit dem Analyten überprüft. Dies führte zum erfolgreichen Nachweis von anti-Influenza Antikörpern mittels immobilisiertem Virusmaterial. Andererseits war ein Nachweis von Influenzaviruspartikeln durch die immobilisierten anti-Influenza Antikörper nicht möglich. Letzteres könnte auf einen Aktivitätsverlust oder eine falsche Ausrichtung der Antikörper zurückzuführen sein. Daher sollten weitere Untersuchungen zur Aktivität von durch elektrische Wechselfelder immobilisierte Antikörper folgen. In Kombination mit Mikrofluidik und einem elektrischen Auslesesystem besitzen die funktionalisierten Chips das Potenzial, als schnelle, tragbare und kostengünstige Point-of-Care-Einheit (POC) zu dienen. Dieses Einheit kann als Grundlage für vielfältige Anwendungen bei der Diagnose und Behandlung von Influenza und verschiedenen anderen Krankheitserregern genutzt werden. KW - AC electrokinetics KW - AC Elektrokinetik KW - AC electroosmosis KW - AC Elektroosmosis KW - dielectrophoresis KW - Dielektrophorese KW - virus KW - Virus KW - influenza KW - Influenza KW - antibody KW - Antikörper KW - nanoelectrodes KW - Nanoelektroden KW - lab-on-chip KW - lab-on-chip KW - LOC KW - LOC KW - point-of-care KW - point-of-care KW - POC KW - POC KW - immunoassay KW - Immunoassay Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617165 ER - TY - JOUR A1 - Prüfer, Mareike A1 - Wenger, Christian A1 - Bier, Frank Fabian A1 - Laux, Eva-Maria A1 - Hölzel, Ralph T1 - Activity of AC electrokinetically immobilized horseradish peroxidase JF - Electrophoresis : microfluidics, nanoanalysis & proteomics N2 - Dielectrophoresis (DEP) is an AC electrokinetic effect mainly used to manipulate cells. Smaller particles, like virions, antibodies, enzymes, and even dye molecules can be immobilized by DEP as well. In principle, it was shown that enzymes are active after immobilization by DEP, but no quantification of the retained activity was reported so far. In this study, the activity of the enzyme horseradish peroxidase (HRP) is quantified after immobilization by DEP. For this, HRP is immobilized on regular arrays of titanium nitride ring electrodes of 500 nm diameter and 20 nm widths. The activity of HRP on the electrode chip is measured with a limit of detection of 60 fg HRP by observing the enzymatic turnover of Amplex Red and H2O2 to fluorescent resorufin by fluorescence microscopy. The initial activity of the permanently immobilized HRP equals up to 45% of the activity that can be expected for an ideal monolayer of HRP molecules on all electrodes of the array. Localization of the immobilizate on the electrodes is accomplished by staining with the fluorescent product of the enzyme reaction. The high residual activity of enzymes after AC field induced immobilization shows the method's suitability for biosensing and research applications. KW - AC electrokinetics KW - dielectrophoresis KW - enzyme activity KW - immobilization; KW - nanoelectrodes Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/elps.202200073 SN - 0173-0835 SN - 1522-2683 SP - 1920 EP - 1933 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Stanke, Sandra A1 - Wenger, Christian A1 - Bier, Frank Fabian A1 - Hölzel, Ralph T1 - AC electrokinetic immobilization of influenza virus JF - Electrophoresis : microfluids & proteomics N2 - The use of alternating current (AC) electrokinetic forces, like dielectrophoresis and AC electroosmosis, as a simple and fast method to immobilize sub-micrometer objects onto nanoelectrode arrays is presented. Due to its medical relevance, the influenza virus is chosen as a model organism. One of the outstanding features is that the immobilization of viral material to the electrodes can be achieved permanently, allowing subsequent handling independently from the electrical setup. Thus, by using merely electric fields, we demonstrate that the need of prior chemical surface modification could become obsolete. The accumulation of viral material over time is observed by fluorescence microscopy. The influences of side effects like electrothermal fluid flow, causing a fluid motion above the electrodes and causing an intensity gradient within the electrode array, are discussed. Due to the improved resolution by combining fluorescence microscopy with deconvolution, it is shown that the viral material is mainly drawn to the electrode edge and to a lesser extent to the electrode surface. Finally, areas of application for this functionalization technique are presented. KW - AC electrokinetics KW - AC electroosmosis KW - dielectrophoresis KW - influenza virus KW - nanoelectrodes Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/elps.202100324 SN - 0173-0835 SN - 1522-2683 VL - 43 IS - 12 SP - 1309 EP - 1321 PB - Wiley-Blackwell CY - Weinheim ER -