Development of a new biosensor array and lab-on-a-chip for portable applications using a label-free detection method

Abstract

Kan serumundaki kardiyak ve kanser biyo-işaretlerinin algılanması ve miktarlarının ölçülmesi hastalara erken tanı konulması için hayati önem taşımaktadır. Mikroakışkan teknolojisindeki en son gelişmeler, uygulama zamanını düşürerek ve birbirinden farklı klinik analizleri yonga üstü laboratuvar (LOC) olarak adlandırılan taşınabilir tek bir aygıt üzerinde birleştirerek hastalıkların teşhis edilmesini kolaylaştırabilir. Böyle bir yonga üstü laboratuvarın geliştirilmesi, hızla gelişen biyoteknoloji endüstrisisin bir ihtiyacı olup mikro akışkan, mikro elektronik ve biyokimya alanlarını kapsayan çok disiplinli bir araştırma gerektirmektedir.Bu tezdeki çalışmalar silikon ve cam tabanda üretilen altın interdigitated transdüserlerin (IDT) üstünde immünoeseylerin geliştirilmesi üzerine odaklanmıştır. Etiketsiz, afinite-temelli biyoalgılama konsepti empedans spektroskopisine özel önem verilerek sunulmaktadır. Anti-CRP, hEGFR, IL-6, aptamer ve Nampt ssDNA gibi risk teşkil eden proteinlerin kovalent bağlanmasıyla ilgili degişik protokoller incelenmiştir. Bunun için IDT'ler yonga üstü biyoalgılama uygulamaları için elektronik devrelerin entegre edilmesine uyum sağlayan, entegre devre üretim yöntemleriyle üretilmişlerdir.Bu tez ayrıca çoklu hedef immunosensing uygulamaları için yonga üstü mekanizma ile uyarılan PDMS-temelli bir LOC geliştirilmesini de içermektedir. Akışkan akışı bir mikro pompa üzerine uygulanan hidrolik basınç ile kontrol edilmektedir. Etiketsiz afinite tipi algılama iki farklı biyolojik tanımlama elementi kullanılarak yapılmıştır (a) hEGFR ve IL-6 için antikor kullanan immunosensing yöntemi kullanıldı ve LOC'un anti-hEGFR ve IL-6'i analitlerini algılamadaki işlevselliği analiz edilmiştir. Hiçbir sinyal güçlendirmesi olmaksızın, kandaki hEGFR ve IL-6 için algılama limiti 0.1ng/ml olarak elde edildi. (b) Aptasensör geliştirmek için Nampt için spesifik ssDNA aptamerleri kullanarak etiketsiz afinite temelli metodolojisi kullanıldı ve Nampt için 1ng/ml algılama limiti elde edildi. Bu Nampt için aptamer uygulanması ile elde edilen en hassas algılama aralığıdır.

The detection and quantification of cardiac biomarkers in serum is crucial to diagnose patients in the early stage of a disease. The recent advances in microfluidics technology can improve diagnostics by reducing the application time and integrating several clinical analysis into a single, portable device called lab-on-a-chip (LOC). The development of such immunosensing LOC is a major thrust of the rapidly growing bionanotechnology industry. It involves a multidisciplinary research effort encompassing microfluidics, microelectronics and biochemistry. This thesis work focused on the development of immunoassays on microfabricated gold inter-digitated transducers (IDT) on silica and glass substrates. The concept of label-free, affinity-based biosensing is introduced with a special emphasis to impedance spectroscopy. Different protocols involving the covalent immobilization of cancer risk marker (human epidermal growth factor, hEGFR) and cardiac risk marker proteins C reactive protein (CRP), interleukin (IL-6) and nicotinamide phosphoribosyltransferase (Nampt) single stranded deoxyribonucleic acid were investigated. For this, IDTs were fabricated using integrated circuit (IC) fabrication processes providing compatibility for the integration of electronic circuits, for single-chip and lab-on-a-chip biosensing applications.The thesis also involves development of a poly dimethylsiloxane (PDMS)-based fluidic system comprising on-chip actuated mechanism for multi-target immunosensing applications. The fluidic flow is controlled by an applied hydraulic pressure on the micropump. Label-free affinity type sensing was carried out using two different biological recognition elements (a) immunosensing approach using antibodies for hEGFR and IL-6 was employed and the function of the LOC was analyzed for detection of hEGFR and IL-6 as model analytes. A detection limit of 0.1ng/ml of hEGFR and IL-6 in serum was obtained without any signal amplification. (b) label-free affinity-based methodology using ssDNA aptamers specific for Nampt to develop an aptasensor and obtained a detection limit of 1 ng/ml in serum for Nampt, which is the most sensitive detection range with the application of the aptamer for Nampt.