Development of frequency-based sensor platforms for biosensing applications

Abstract

Biosensor research is an ever-increasing field of interest to the scientific community. Countless new biosensing techniques are developed in laboratories and research institutes worldwide, yet relatively few of these have so far managed to reach the commercial market as actual useful applications. Research into new and improved biosensing layers is quite prominent, but the development of suitable sensor platforms for their readout, both in a laboratory environment and for commercial purposes, remains lagging behind. Molecular imprinting is one such exciting new technique in the development of biomimetic sensors that has yet to find a commercial implementation. An artificial polymer-based biorecognition layer, Molecular Imprinted Polymers (MIPs) can provide fast and accurate label-free detection of various small target molecules such as L-nicotine and histamine. Their long shelf-life and robustness to environmental inuences would make them perfect candidates for commercial sensor products. In this work three different frequency-based electronic sensor platforms for MIP readout are presented. A two-channel temperature-controlled owcell was designed for electrochemical impedance spectroscopy during MIP characterization in a laboratory environment. Operating at frequencies below 100 kHz, this improved setup offers detailed information on MIP target detection while eliminating the serious problem of environmental temperature noise. A gravimetric arraysensor was developed based on the traditional mass-sensitive quartz crystal microbalance. The 5 MHz resonance frequency of these piezoelectric quartz crystals is shifted when target molecules bind with their MIP-coated surface. By modifying the surface electrodes, four independent sensor channels could be achieved in close proximity on a single piece of quartz crystal. Finally a first step towards the application of MIPs as disposable commercial packaging sensors was taken with the development of cheap screen printed MIP RFID tags. The resonance frequency of this capacitive sensor can be picked up remotely by a nearby antenna coil. Still in the proof-of-principle stage, such wireless sensors are intended to be seamlessly integrated into existing food packaging. A complete detailed overview is presented for the realization of these platforms from the theoretical principles to the fabrication steps and validation as useful MIP sensor platforms. Many of the designs and principles presented can be easily transferred to other biosensing techniques. This work aims to provide a solid and broad reference to all engineers, bio-engineers, physicists and chemists interested in the field of biosensor readout.

Onderzoek naar biosensoren is een groeiend onderzoeksveld binnen de wetenschappelijke gemeenschap. Ontelbare nieuwe technieken voor biosensing worden ontwikkeld in laboratoria en onderzoekscentra over de hele wereld, maar slechts weinig van deze technieken vinden ook effectief als nuttige producten de weg naar de commercïele markten. Onderzoek naar nieuwe en verbeterde biosensor lagen krijgt zeer veel aandacht, maar de ontwikkeling van geschikte sensorplatformen voor hun uitlezing hinkt achterop, zowel voor in een labo-omgeving als voor commercïele toepassingen. Moleculaire imprinting is één van deze boeiende nieuwe technieken in de ontwikkeling van biomimetische sensoren die nog in een commerci ele context geïmplementeerd moet worden. Als artificiële polymeergebaseerde bioherkenningslaag bieden Moleculair geImprinteerde Polymeren (MIPs) een snelle en accurate labelvrije detectie van een uitgebreid gamma aan kleine doelmoleculen zoals L-nicotine en histamine. Hun lange houdbaarheid en hoge bestendigheid tegen omgevingsinvloeden maakt hen een perfecte kandidaat voor commercïele sensorproducten. In dit werk worden drie verschillende frequentie-gebaseerde sensorplatformen voor MIP-uitlezing gepresenteerd. Een twee-kanaals uidische cel met temperatuurcontrole werd ontwikkeld voor elektrochemische impedantiespectroscopie tijdens MIP-karakterisatie in een labo-omgeving. Deze verbeterde setup werkt op frequenties onder 100 kHz, biedt gedetailleerde informatie over de detectie van doelmoleculen en elimineert de problemen veroorzaakt door temperatuurgebaseerde ruis. Een gravimetrische arraysensor werd ontwikkeld gebaseerd op de traditionele massa-gevoelige kwartskristal microbalans. De resonantiefrequentie van 5 MHz van deze piëzo-elektrische kwartskristallen wordt verschoven wanneer doelmoleculen zich binden met het MIP-bedekte oppervlak. Vier onafhankelijke sensorkanalen werden gerealiseerd op korte afstand van elkaar op éénzelfde stuk kwarts door het modificeren van de oppervlakte-elektrodes. Tenslotte werd een eerste stap gezet in de richting van de toepassing van MIPs als wegwerpbare verpakkingssensoren door het ontwikkelen van goedkope gezeefdrukte MIP RFID tags. De resonantiefrequentie van deze capacitieve sensor kan draadloos worden geregistreerd door een nabije antenne-tag. Hoewel momenteel nog in een eerste experimentele fase zijn deze draadloze sensoren bedoeld om naadloos te integreren in bestaande voedselverpakkingen. Een volledig gedetailleerd overzicht voor de realisatie van deze platformen wordt hier gepresenteerd, van theoretische principes tot het fabricatieproces en de validatie als bruikbare MIP sensorplatformen. Veel van de ontwerpen en principes die hier gepresenteerd worden, kunnen eenvoudig worden aangepast aan andere biosensing-technieken. Dit werk heeft als doel een degelijke en brede referentie te bieden aan alle ingenieurs, bio-ingenieurs, fysici en chemici die interesse hebben in het domein van biosensor-uitleesmethodes.