Development of a thermometric sensor for fructosyl valine and fructose using molecularly imprinted polymers as a recognition element

Entwicklung eines thermometrischen Sensors für Fructosyl-Valin und Fructose mittels molekular geprägter Polymere als Erkennungselemente

  • Nature has always served as a model for mimicking and inspiration to humans in their efforts to improve their life. Researchers have been inspired by nature to produce biomimetic materials with molecular recognition properties by design rather than evolution. Molecular imprinting is one way to prepare such materials. Such smart materials with new functionalities are at the forefront of the development of a relevant number of ongoing and perspective applications ranging from consumer to space industry. Molecularly imprinted polymers were developed by mimicking the natural enzymes or antibodies that serve as host for binding target molecules. These imprints were used as a recognition element to substitute natural biomolecules in biosensors. The concept behind molecular imprinting is to mold a material (with the desired chemical properties) around individual molecules. Upon removal of the molecular templates, one is left with regions in the molded material that fit the shape of the template molecules. Thus, molecular imprinting resultsNature has always served as a model for mimicking and inspiration to humans in their efforts to improve their life. Researchers have been inspired by nature to produce biomimetic materials with molecular recognition properties by design rather than evolution. Molecular imprinting is one way to prepare such materials. Such smart materials with new functionalities are at the forefront of the development of a relevant number of ongoing and perspective applications ranging from consumer to space industry. Molecularly imprinted polymers were developed by mimicking the natural enzymes or antibodies that serve as host for binding target molecules. These imprints were used as a recognition element to substitute natural biomolecules in biosensors. The concept behind molecular imprinting is to mold a material (with the desired chemical properties) around individual molecules. Upon removal of the molecular templates, one is left with regions in the molded material that fit the shape of the template molecules. Thus, molecular imprinting results in materials that can selectively bind to molecules of interest. Imprinted materials resulted in applications ranging from chemical separation to bioanalytics. In this work attempts were made particularly in the development of molecularly imprinted polymer based thermometric sensors. The main effort was focused towards the development of an covalently imprinted polymer that would be able to selectively bind fructosyl valine (Fru-Val), the N-terminal constituent of hemoglobin A1c ß-chains. Taking into account the known advantages of imprinted polymers, e.g. robustness, thermal and chemical stability, imprinted materials were successfully used as a recognition element in the sensor. One of the serious problems associated with the development of MIP sensors and which lies in the absence of a generic procedure for the transformation of the polymer-template binding event into a detectable signal has been addressed by developing the "thermometric" approach. In general the developed approach gives a new insight on MIP/Analyte interactions.show moreshow less
  • In dem Bestreben, ihr eigenes Leben zu verbessern, haben die Menschen stets die Natur nachgeahmt und sich von ihr inspirieren lassen. Die Natur hat Forscher zur Erzeugung smarter biomimetischer Stoffe mit molekularen Erkennungseigenschaften nach dem Vorbild der Evolution inspiriert. Eine der Methoden zur Herstellung solcher Substanzen ist das molekulare Prägen. Smarte Materialien mit neuen Eigenschaften stehen an der Spitze der Entwicklung potentieller Anwendungen vom Verbraucher bis hin zur Raumfahrtindustrie. Durch Nachahmung von natürlichen Enzymen oder Antikörpern wurden molekular geprägte Polymere (MIPs) entwickelt, die der Bindung von Zielmolekülen dienen. Diese geprägten Polymere (imprints) wurden anstelle von Biomolekülen als Erkennungselemente in Biosensoren eingesetzt. Das Konzept, das dem molekularen Prägen zugrunde liegt, besteht in der Formung eines Polymers (mit den entsprechenden chemischen Eigenschaften) um einzelne Zielmoleküle herum. Nach Entfernen dieser molekularen Template bleiben Abdrücke im PolymerIn dem Bestreben, ihr eigenes Leben zu verbessern, haben die Menschen stets die Natur nachgeahmt und sich von ihr inspirieren lassen. Die Natur hat Forscher zur Erzeugung smarter biomimetischer Stoffe mit molekularen Erkennungseigenschaften nach dem Vorbild der Evolution inspiriert. Eine der Methoden zur Herstellung solcher Substanzen ist das molekulare Prägen. Smarte Materialien mit neuen Eigenschaften stehen an der Spitze der Entwicklung potentieller Anwendungen vom Verbraucher bis hin zur Raumfahrtindustrie. Durch Nachahmung von natürlichen Enzymen oder Antikörpern wurden molekular geprägte Polymere (MIPs) entwickelt, die der Bindung von Zielmolekülen dienen. Diese geprägten Polymere (imprints) wurden anstelle von Biomolekülen als Erkennungselemente in Biosensoren eingesetzt. Das Konzept, das dem molekularen Prägen zugrunde liegt, besteht in der Formung eines Polymers (mit den entsprechenden chemischen Eigenschaften) um einzelne Zielmoleküle herum. Nach Entfernen dieser molekularen Template bleiben Abdrücke im Polymer übrig, die der Form der Templatmoleküle entsprechen. Mit Hilfe des molekularen Prägens kann man also Stoffe herstellen, die sich selektiv an bestimmte Moleküle binden können. Geprägte Polymere finden breite Anwendung, etwa in chemischen Aufreinigungsprozessen und der Bioanalytik. Hauptanliegen der vorliegenden Arbeit war es, thermometrische Sensoren auf der Basis molekular geprägter Polymere zu entwickeln. Die Anstrengungen richteten sich vor allem auf die Entwicklung eines kovalent geprägten Polymers, das in der Lage ist, selektiv Fruktosyl-Valin (Fru-Val), den N-terminalen Bereich von Hämoglobin A1c, zu binden. Aufgrund der bekannten Vorzüge geprägter Polymere – z. B. Robustheit und thermische und chemische Stabilität – wurden geprägte Polymere erfolgreich als Erkennungselement im Sensor angewendet. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von MIP-Sensoren, das Fehlen eines generischen Verfahrens zur Umwandlung der Bindungsreaktion in ein nachweisbares Signal, wurde mit der Entwicklung der thermometrischen Methode in Angriff genommen. Diese Methode führt allgemein zu neuen Einsichten in die Interaktionen zwischen MIP und Analyt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Rajagopal Rajkumar
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-17272
Advisor:Frieder Scheller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2008/03/13
Release Date:2008/04/02
Tag:Biosensor; Calorimetry; Covalent imprinting; Fructose; Fructosyl valine; Glycated hemoglobin; HbA1c; MIP sensor; Thermistor
RVK - Regensburg Classification:WC 3420
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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