Multimodal electrochemical sensing platform for analyte detection from whole blood

Beschreibung

Medizinische Untersuchungen basieren zunehmend auch auf In-vitro-Diagnostik, um Krankheiten nachzuweisen und zu überwachen. Besonders für Patienten mit chronischen Erkrankungen und zur Detektion hochansteckender Krankheiten ist die patientennahe Diagnostik am Point-of-Care eine erwünschte Lösung. Die Vision ist, diagnostische Marker direkt aus Blutproben in einem kurzen Zeitrahmen nachzuweisen und so, dass der Test unkompliziert von nicht geschulten Anwendern gehandhabt werden kann. Verschiedene Erkrankungen werden durch diverse diagnostische Marker angezeigt: Blutgase, Elektrolyte, Metabolite, Hormone, Antikörper und Zellen. Idealerweise sollten all diese Marker mit einem einzigen Point-of-Care Gerät nachweisbar sein. Elektrochemische Sensoren versprechen eine hohe Sensitivität und einfache Integrierbarkeit in handliche, digitale Geräte für die medizinische Diagnostik seit deren Entwicklung in der Mitte des 20. Jahrhunderts. Tatsächlich gibt es aber aktuell nur den etablierten Blutglukosetest, der den Anforderungen für einen quantitativen Point-of-Care Test entspricht. In dieser Arbeit werden die spezifischen Herausforderungen untersucht, die es momentan erschweren elektrochemische Sensoren in marktreife Produkte zu überführen: niedrige Signale durch das geringe Ladungs-zu-Größenverhältnis der meisten diagnostischen Marker, die Abschirmung dieser Ladungen durch die hohe Konzentration gelöster Ionen und die störenden Signale, die durch komplexe Proben wie Vollblut verursacht werden. Drei verschiedene Methoden werden in dieser Arbeit untersucht, um verschiedene diagnostische Marker direkt aus Vollblut zu detektieren. Gelöster Sauerstoff im Blut wird amperometrisch mit einer Clark-Elektrode gemessen, der Anteil roter Blutzellen wird über elektrochemische Impedanzspektroskopie nachgewiesen und das Schilddrüsenhormon Thyrotropin durch transistor-basierte Potentiometrie. Alle drei Assays werden so konzipiert, dass sie einfach in massenproduzierbare Point-of-Care Geräte überführt werden können.
Medical examinations rely increasingly also on in vitro diagnostics to identify and monitor diseases. Especially for patients with chronic health conditions and for the detection of highly infectious diseases, point-of-care diagnostics are a desired tool. The vision is to enable the detection of diagnostic markers directly from a blood sample within a reasonably short time frame and without any complex sample handling so that the test can be performed by untrained users. Different health conditions can be diagnosed with a vast range of diagnostic markers: blood gases, electrolytes, metabolites, hormones, antibodies, and cells. Ideally a single point-of-care device should be able to measure each of these markers. Electrochemical sensors are praised for their high sensitivity and easy integration into digital handheld devices for medical diagnostics since their development in the mid of the 20th century. However, currently only the well-established blood glucose sensor can be considered to fulfil the above-mentioned requirements for a quantitative point-of-care test. This work addresses some of the challenges that currently prevent electrochemical sensors from becoming the standard biosensor platforms: low signals due to the low charge-to-size ratio of most diagnostic markers, the screening of those charges by the high concentration of dissolved ions in physiological samples, and interfering signals from the complex sample such as whole blood. Three different techniques are applied to detect several diagnostic markers directly from whole blood. Dissolved blood oxygen is measured in a Clark-type set-up by amperometry, the portion of red blood cells in blood by electrochemical impedance spectroscopy and thyroid-stimulating hormone via extended-gate field-effect transistors. All three assays are developed to allow transfer into mass-producible devices that can operate at the point-of-care.

Autor*in

Natalie Haustein

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Blutgase Debye-Länge Elektochemische Sensoren Feldeffekttransistoren Impedanzspektroskopie Imunsensor In-vitro-Diagnostik Poin-of-Care

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