Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Optimization and characterization of a centrally functionalized quartz crystal microbalance sensor surface for Norovirus detection: Optimering och karakterisering av en centralt funktionaliserad kvartskristall mikrovåg sensoryta för norovirus detektion
KTH, School of Technology and Health (STH).
2015 (Swedish)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

In this study a biosensor based on real time quartz crystal microbalance (QCM) monitoring is optimized and characterized for the application in the Norosensor. This biosensor is aimed to recognise, capture and amplify Norovirus (NoV). In an initial step a simplified bioassay was developed that focuses on the latter parts of the assay which consists of DNA-guided probing and amplification of the captured virus and includes the development of an amplification model assay directly to the functionalised crystal surface. A padlock probe with matching sequence to the conjugated oligonucleotide on the quartz crystal surface is used as target in the model assay. Although a number of studies have been carried out based on padlock probe ligation and rolling circle amplification (RCA) based QCM sensing, these studies utilize the entire crystal surface to capture and amplify the biomolecule. In this research work the QCM monitoring is explored on a centrally functionalised electrode surface through conjugation only at the centre of the electrode for increased mass sensitivity. Thus, allowing capture and amplification of the padlock probe only at the centre of the quartz crystal.

A 14mm diameter, thermoncompensated AT-cut, nonpolished quartz crystal with a 10mm diameter gold surface coating acting as electrode was utilized for QCM measurements. The detection system is based on mass binding and amplification on the QCM to produce a negative frequency shift in the fundamental frequency of the vibrating quartz crystal. The amplification products were additionally fluorescently labelled and fluorescent microscopy images were also obtained at the end of every experiment to verify the presence or absence of DNA capture and amplification.

Experimental findings show that the current flow chamber with a 15ul capacity is able to detect a specific padlock probe concentration of 1nM on a conjugated region of ~2.5mm diameter. RCA amplified the mass with an average frequency shift of -80Hz in 60mins RCA incubation time. Further, the specificity and sensitivity of the QCM system was explored.

However, the system has limitations where sensor binding of reaction proteins, such as DNA ligase and BSA, to some extent is observed. The storage stability of the functionalized self-assembled monolayer (SAM) on the QCM is also observed to deteriorate and thus, is of concern. Nevertheless the combination of RCA based amplification with QCM real-time monitoring has the potential for rapid and simple, low cost detection of the Norovirus.

Abstract [sv]

I det här arbetet har vi optimerat och karateriserat en biosensor för detektion av Norovirus som orsakar häftiga utbrott av kräksjuka under vinterhalvåret vilket leder till både försämrad vård samt stora ekonomiska förluster för samhället. Målet inom EU projektet “Norosensor” är att utveckla ett snabbtest som kan tillämpas efter ett utbrott på till exempel en vårdavdelning och som ska mäta mängden virus i luften vilket kan fungera som riktlinje för om en avdelning är säker att användas eller ej. Tekniskt är målet med testet att fånga in viruspartiklar från luften som specifikt binds till sensorytan. Därefter ökar vi känsligheten från bundna partiklar genom en DNA-baserad amplifiering. Detta genererar specifik, viruskorrelerad massa som mäts med en kvartskristall mikrovågs sensor. När massan ökar minskar frekvenser vid vilken kristallen vibrerar och detta mäts i realtid. Det här arbetet har inte behandlat infångande eller inbindning av virus utan har fokuserat på den senare delen av protokollet som omfattar amplifieringen på sensorytan. En modell-assay har därför utvecklats där viruspartikeln istället representeras av en så kallad “padlock probe” (hänglås probe).

Då sensorn är mycket känslig har först olika protokoll testats för effektiv rengöring av ytan med hjälp av ultraljud. I nästa steg har ytan funktionaliserats med thiol-modifierade syntetiska DNA molekyler som används för infångningen av målmolekylen på sensorytan (virus eller i detta fall padlock proben). Det har tidigare uppskattats att för att få maximal känslighet i massmätningen så är det fördelaktigt att binda viruset endast i mitten på en mycket liten yta av kristallen. Den här avhandlingen har därför fokuserat på att utveckla protokoll för detta där ytan först funtionaliserats i mitten innan resten av ytan blockats för att undvika ospecific inbindning. Resultaten visar att vi kan generera en centrerad funtionalisering och att vi får låg ospecifik binding.

Protokollet består av flera biokemiska reakionssteg såsom (i) inbindning och lingering av padlock probe och (ii) amplifiering av den ligerade proben genom “rolling circle amplification”. För att kunna verifiera att vi fått amplifieringsprodukter på ytan har vi dels mätt frekvensändringen på grund av ökad massa men också märkt in dem med fluorescerande molekyler och detekterat dem i microskop.

Under arbetets gång har ett flertal olika typer av kristaller testats. Det visade sig att om en polerad yta används (1μm grovhet) så migrerade molekylerna iväg från mitten när vi oscillerade kristallen medan vi fick bättre resultat om något grövre (3μm) ytor användes. Vi testade även ett flertal olika flödesceller av olika material och med olika reaktionsvolymer. Eftersom kristallen är mycket känslig så påverkar faktorer som flödeshastigheter och eventuella luftbubblor frekvensen. Vi optimerade därför detta och körde mätningarna vi6konstant flöde men med alternerande, låga hastigheter när vi tillsatte nya reagens eller inkuberade reaktionerna. Vi förvärmde även reaktionsmixarna för att minska ospeficika effekter och konstaterade att den funktionaliserade ytan påverkades av lagring över tid.

I våra försök såg vi att protein såsom ligeringsenzymet och albumin, vilka har förhållandevis stor massa, hade effekter på frekvensen redan i sig genom att binda till ytan. Ytterligare optimeringar måste därför göras framöver för att minska denna inbinding bland annat genom bättre tvättsteg. Vi kunde dock påvisa linjär massökning med ökad amplifieringstid och har bevisad hög specificitet. Slutligen utvecklades ett litet mjukvaruprogram för att automatisera analysen och minska bruset. Sammanfattingsvis har vi lyckats utveckla ett enkelt och snabbt system för specifik massamplifering av Norovirus.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. , 68 p.
Series
TRITA-STH, 2015: 077
Keyword [en]
Norovirus, QCM technology, Rolling circle amplification, Microfluidics, SAM
National Category
Medical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-172550OAI: oai:DiVA.org:kth-172550DiVA: diva2:848988
External cooperation
Stockholm University
Subject / course
Medical Engineering
Educational program
Master of Science - Medical Engineering
Presentation
2015-06-11, 3-221, ANA 10, Huddinge, 14:45 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-08-28 Created: 2015-08-26 Last updated: 2015-08-28Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2372 kB)313 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2372 kBChecksum SHA-512
d0169df2b916e36488594b3a5db0150ae205c41ad1046a63c6016f2c4688525b3f638e232c71fef2d9145e717754dac3f7753a948ec94cc060b0b7bc15d1e03c
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Technology and Health (STH)
Medical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 313 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 110 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf