Biosenzory na bázi nanokrystalického diamantu

Abstract

Tato práce se zabývá tenkými vrstvami nanokrystalických diamantů (NCD) pro studie bio-senzorů a je tvořena komentovaným souborem autorových publikací. Ukazuje základní způsoby, jak využít a modifikovat NCD pro snímání buněčně kultury, tkáňových kultur a savčích adhezivních proteinů. Tento výzkum popisuje, jak živá hmota interaguje s diamantovým povrchem bio-senzorů. Jejím cílem je vyvinout pracovní postup od výroby po měření a porozumění interakci živých materiálů s bio-senzory na bázi na diamantu reprezentované třemi různými funkčními principy. První studie se zabývá měřením životaschopnosti kvasinkových buněk (Saccharomyces cerevisiae) pomocí SGFET senzoru na bázi NCD. Přenosové charakteristiky SGFET senzorů vykazují negativní posuny napětí hradlové elektrody o hodnotu –26 mV a –42 mV pro sacharózu a kvasinkovou peptonovou dextrózu (YPD) s buňkami ve srovnání se stejnými roztoky bez buněk. Tento efekt je vysvětlen lokální změnou pH v těsné blízkosti vodíkem modifikovaného diamantového kanálu v důsledku metabolických procesů kvasinkových buněk. Tento přístup otevírá cestu pro použití SGFET senzorů na bázi diamantu s novými typy buněčných kultur (bakteriální buňky, buňky hub, části virů). Druhá studie se zaměřuje na snímání životaschopnosti savčích kmenových buněk pomocí impedančního senzoru (IDT) pokrytého NCD. Pro hodnocení použitelnosti byl experiment proveden paralelně s komerčně používaným laboratorním zařízením pro otestování rozdílu v citlivosti. Bylo zjištěno, že diamantový senzor je citlivější během počáteční fáze růstu buněk, zatímco kontrolní systém je citlivější během druhé růstové fáze ASC. Tato práce přispívá k prokázání stability, biokompatibility odolnosti a univerzálnosti diamantového povrchu, který dále umožňuje modifikaci adheze buněčných kultur na povrch a otevírá cestu pro nové typy funkčních povlaků. Třetí studie, zaměřená na senzor QCM pokrytý NCD, který byl dosud používán pouze jako senzor plynu, zkoumá adhezi proteinů na NCD v závislosti na smáčivosti povrchu. Byly analyzovány posuny sériové rezonanční frekvence senzorů a na jejich základě byla vyhodnocena míra adheze fibrilárních a globulárních proteinů. Senzory byly modifikovány dvěma typy povrchových zakončení, v prvním případě hydrofobní funkcionalizací vodíkem a v druhém případě hydrofilní funkcionalizací kyslíkem. Dále byla pozorována různá časově závislá adheze proteinů na O-NCD a H-NCD QCM. Tento výzkum popisuje rozhraní proteinu/NCD pomocí odezvy senzorů NCD-QCM a prohlubuje obecnou znalost konformace proteinů na povrchu na základě jeho smáčivosti. Tato práce prokazuje, že diamant je vhodným materiálem, který kombinací biokompatibility a širokých možností modifikace povrchu, umožňuje ladění elektrických a chemických vlastností v závislosti na specifickém použití v biologických vědách.

This work deals with nanocrystalline diamond (NCD) thin films for biosensor studies and it is composed from authors peer-reviewed articles. It shows the basic ways to utilise and modify NCD for cell culture sensing, tissue sensing, and adhesive protein sensing. This research describes living matter interfacing bioelectronic sensors. Its goal is to develop a workflow from fabrication to the measurement and understanding of living material interaction on diamond-based biosensors represented by three different principles. The first study deals with measuring the viability of the yeast cells (Saccharomyces cerevisiae) using the diamond SGFET sensor. The transfer characteristics of the SGFETs exhibit negative shifts of the gate voltage by –26 mV and –42 mV for sucrose and yeast peptone dextrose (YPD) with cells compared to blank solutions without the cells. This effect is explained by the local pH change in the close vicinity of the H-functionalised diamond channel due to the metabolic processes of the yeast cells. This approach paved the way for using NCD SGFET with new types of cell cultures (bacterial/fungi cells). The second study focuses on sensing the viability of adult stem cells by NCD-coated impedance sensor employing interdigitated electrodes (IDT). For usability evaluation, the experiment has been done in parallel with the commercially used laboratory equipment to observe the difference in sensitivity. It was found that the diamond sensor is more sensitive during the initial phase of the cell growth, while the control system is more sensitive during the second ASC’s growth phase. This work serves as a basis to stable surface functionalisation of the diamond, which enables the modification of cell cultures adhesion to the surface and opens the way for various new types of functional coatings. The third study (diamond-based QCM sensor), which was until now used only as a gas sensor, investigates variation in adhesion of proteins on the NCD-coated quartz crystal microbalance (NCD-QCM). The serial resonance shifts of the sensor were analysed, and the level of adhesion of two fibrillar and globular proteins was evaluated by measurements. As follows, two types of surface terminations were compared, namely hydrophobic hydrogen termination and hydrophilic oxygen termination. Above that, the different time-dependent behaviour of protein adhesion on the O-NCD and H NCD QCMs was observed. The study described the protein/NCD interface explaining the response of the NCD-QCM sensors and deepened the general knowledge of protein conformation on the surface based on its wettability. This thesis verifies that diamond is an exciting material thanks to the combination of biocompatibility and vast possibilities of surface modification, which allows tuning electrical and chemical properties depending on the specific use in biology.