| dc.contributor.advisor | Kruss, Sebastian Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Nißler, Robert | |
| dc.date.accessioned | 2021-10-21T10:53:20Z | |
| dc.date.available | 2021-10-27T00:50:08Z | |
| dc.date.issued | 2021-10-21 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-594E-E | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8896 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8896 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.publisher | Niedersächsische Staats- und Universitätsbibliothek Göttingen | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 540 | de |
| dc.title | Tailored near-infrared fluorescent carbon nanotube sensors for pathogen detection | de |
| dc.type | cumulativeThesis | de |
| dc.contributor.referee | Kruss, Sebastian Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2021-10-06 | |
| dc.description.abstractger | Nutzen und Notwenigkeit schneller und spezifischer Analysemethoden wurden spätestens während der globalen COVID-19 Pandemie jedem deutlich. Vor allem Entwicklungen im Bereich der Nanotechnologie könnten zu bislang ungeahnten medizinischen Diagnostikmethoden führen. Bislang sind jedoch kaum optische Nanosensoren zur Pathogendetektion bekannt, könnten aber in Zukunft eine schnelle, markierungsfreie und ortsaufgelöste Identifikation bakterieller Infektionen ermöglichen. Eine Klasse an Nanomaterialien mit außergewöhnlichen photophysikalischen Eigenschaften, welche sich zum Aufbau solcher speziellen Biosensoren eignet, sind halbleitende, einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNTs). Diese röhrenförmigen Kohlenstoffallotrope besitzen eine Durchmesser-, genauer „Chiralitäts“-abhängige Bandlücke. Dies ermöglicht eine Fluoreszenzemission (900-1700 nm) im nah-Infrarot (NIR), ein spektraler Bereich, besonders geeignet für die Sensorik in biologischen Systemen. Bevor jedoch diese Nanopartikel in der Diagnostik eingesetzt werden können, muss deren hydrophobe Oberfläche nicht-kovalent modifiziert werden, was maßgeblich die spätere Funktionalität und kolloidale Stabilität beeinflusst. Diese funktionalisierten SWCNTs sind in der Lage Änderungen der lokalen chemischen Umgebung in Fluoreszenzsignale zu übersetzen, was das Grundprinzip dieser optischen Sensoren darstellt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der zielgerichteten Optimierung der Oberflächenchemie und optischen Eigenschaften der SWCNT-Sensoren, mit dem Ziel, Pathogene und Pathogeninteraktionen zu detektieren. Hierzu wurde 1) eine Methode entwickelt, um die Oberflächenmodifikation der SWNCTs im Detail zu verstehen, genauer, um die Menge adsorbierter einzelsträngiger DNA-Polymere zu quantifizieren. Die Resultate zeigten auf, dass auf einer Nanoröhre mehrere hundert DNA-Moleküle adsorbieren, abhängig von der Länge und Zusammensetzung der Oligonukleotide. Aufgrund dieser Quantifizierung konnten verhältnis-spezifische bioorthogonale Modifikationen der Nanokomplexe durchgeführt werden. 2) Zur Optimierung der Nanosensoren wurden einzelne SWCNT-Chiralitäten isoliert, welche definierte Emissionsspektren besitzen. Dazu wurde zuerst die Fähigkeit bestimmter Polyfluorenpolymere ausgenutzt, selektiv SWCNTs zu dispergieren, sodass diese nach Austausch der Oberflächenmodifikation in biologischen Systemen eingesetzt werden können. Ein weiterer Ansatz separierte SWCNTs mit Hilfe der wässrigen Zweiphasenextraktion und führte nach Austausch der Oberflächenchemie ein generelles Konzept zum chemischen Sensing mit aufgereinigten SWCNTs ein. 3) Die Kombination der zuvor genannten Konzepte ermöglichte die Entwicklung spezieller Nanoensoren, welche bakterielle Virulenzfaktoren wie Lipopolysaccharide (LPS), Siderophore oder sekretierte Enzyme (Protease, Nukleasen) detektieren. Mehrere dieser Sensoren wurden in einer funktionellen Hydrogelmatrix vereinigt, was ein zeitgleiches Auslesen mit Hilfe einer NIR-sensitiven Kamera ermöglichte. Mittels dieser Technik konnten typische bakterielle Infektionserreger (wie Escherichia coli, Staphylococcus aureus oder Pseudomonas aeruginosa) detektiert und ferner aufgrund ihres chemischen Fingerabdrucks unterschieden werden. 4) Zuletzt wurden Sensoren entwickelt, um Interaktionen von Pathogen mit Pflanzen zu visualisieren. Ein rationeller Ansatz ermöglichte die Detektion pflanzenstress-assoziierter Signalmoleküle wie reaktive Sauerstoffspezies (H2O2) in vivo in Arabidopsis thaliana. Darüber hinaus gelang die Detektion und Visualisierung von pflanzlichen Polyphenolen, welche als spezielle chemische Verteidigung von beispielsweise Glycine max gegen pilzliche Pathogene ausgeschüttet werden. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene neue Konzepte zur spezifischen Erkennung von Biomolekülen mit SWCNTs vorgestellt und mit Hilfe aufgereinigter Nanosensoren eine hyperspektrale Detektion etabliert. Diese optimierten Sensoren ermöglichten die in vitro und in vivo Detektion von Pathogenen und deren Interaktionen, auf deren Basis in Zukunft eine verbesserte Analytik und Diagnostik im medizinischen und agrarwissenschaftlichen Bereich aufgebaut werden kann. | de |
| dc.description.abstracteng | During the global COVID-19 pandemic, the needs and benefits of fast and specific analytical tools became apparent to everyone. In particular, advances in nanotechnology promise novel healthcare diagnostics, like the identification of bacterial pathogens. However, up to now, optical nanosensors for pathogen detection rarely exist, but could pave the way for fast, label-free in situ detection of infections in the future. One class of nanomaterials with extraordinary photophysical properties are semiconducting single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) that can serve as building blocks for such optical biosensors. These tubular carbon allotropes exhibit a diameter-dependent band gap structure, described as ‘chirality’. This leads to fluorescence emission (900-1700 nm) in the near-infrared (NIR), a spectral region most suitable for biosensing applications. To obtain functional and colloidally stable probes, the SWCNT’s hydrophobic surface needs to be non-covalently modified with biomolecules. Such SWCNT-conjugates are able to translate changes in their local chemical environment into fluorescence signals, the basic principle of optical analyte detection by SWCNT-sensors. In this thesis, consecutive steps were undertaken to tailor the functional surface chemistry and optical properties of SWCNTs for detection of pathogens and pathogen-related interactions: 1) Initially, for a better understanding of the SWCNT’s interface, a protocol to quantify adsorbed single-stranded (ss)DNA polymers was established. The calculated amount revealed several hundred DNA molecules on a single SWCNT, depending on oligonucleotide lengths and composition. This displayed the basis for further ratio-specific, bioorthogonal modifications of the nanoconjugates. 2) In addition to tailoring the surface chemistry, SWCNTs with defined emission properties for hyperspectral biosensing were isolated. One strategy made use of chirality specific SWCNT dispersions through polyfluorene polymers and further exchanged the organic interface to those needed for sensing in biological systems. The second approach generated purified samples by aqueous two-phase extraction (ATPE), and demonstrated after subsequent surface exchange a general concept for chemical sensing with chirality-pure SWCNTs. 3) Combination of these approaches facilitated the assembly of nanosensors able to detect bacterial virulence factors like lipopolysaccharides (LPS) and siderophores or secreted enzymes like proteases or nucleases. Integrated into a functional hydrogel-system and combined in an array-structure, multiple of these sensors could be read out simultaneously by a camera-assisted setup. This enabled the remote detection and discrimination of typical infection-associated bacteria (e.g. Escherichia coli, Staphylococcus aureus or Pseudomonas aeruginosa), based on their chemical fingerprint. 4) Specific SWCNT sensors were developed to detect and visualize plant-pathogen interactions. In a rational approach, SWCNTs were designed to sense in vivo (Arabidopsis thaliana) reactive oxygen species (ROS, H2O2), important signaling molecules involved in plant stress response. Lastly, nanosensors for polyphenol detection were identified and used to visualize the spatiotemporal polyphenol secretion from plant roots (Glycine max), a chemical defense response after pathogen stimulus. The presented thesis introduced novel concepts to tailor the functional interface of SWCNTs for molecular recognition of important biomolecules and extends the spectral range to multiplexed approaches. These NIR-fluorescent sensors enabled detection of pathogens and pathogen interactions in vitro and in vivo, paving the way for improved healthcare- and agriculture-diagnostics. | de |
| dc.contributor.coReferee | Groß, Uwe Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | carbon nanotubes | de |
| dc.subject.eng | Biosensors | de |
| dc.subject.eng | imaging | de |
| dc.subject.eng | near infrared fluorescence | de |
| dc.subject.eng | surface chemistry | de |
| dc.subject.eng | pathogen detection | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-594E-E-2 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Chemie | de |
| dc.subject.gokfull | Chemie (PPN62138352X) | de |
| dc.description.embargoed | 2021-10-27 | |
| dc.identifier.ppn | 177473009X | |