Generic biosensor system based on bioluminescent sensor bacteria

Abstract

AB3:Tämän diplomityön tavoitteena on ollut tehdä alustava selvitystyö, jota voidaan käyttää apuna geneerisen bioanturijärjestelmän kehitysprojektissa. Diplomityö koostuu laajasta kirjallisuusselvityksestä, testimittauksista, geneerisen bioanturijärjestelmän toiminnan ja rakenteen kuvauksesta, luminometrin eri osien vaatimusten kartoittamisesta ja eri detektorityyppien soveltuvuuden vertailusta järjestelmään.Kirjallisuusselvitykseen kuuluvat maailmalla tehdyn aiheeseen liittyvän tutkimuksen tämän hetkisen tason tarkastelu, teknologian patentoitavuuden selvittäminen ja kaupallisten luminometrien vertailu. Lisäksi geneerisen bioanturijärjestelmän markkinapotentiaalia ja mandollisia sovelluskohteita on kartoitettu vierailemalla eri teollisuuden alojen yrityksissä ja haastattelemalla yritysten edustajia.Testimittausten avulla tutkittiin yhteyttä syntyvien fotonien lukumäärän ja bioanturisolujen määrän välillä. Sinkistä indusoituvia Escherichia coli -soluja altistettiin sinkkikloridia sisältäville näytteille ja syntyvä bioluminesenssi mitattiin useista aikapisteistä samanaikaisesti pesäkelaskentamenettelyn kanssa, jolla saatiin tietoa solujen kasvunopeudesta ja solutiheydestä testin aikana. Tulosten perusteella arvioitiin bioanturikortin mikrokanavien tilavuutta ja vertailtiin erityyppisten valoilmaisinten soveltuvuutta kannettavaan luminometriin.Geneeristä bioanturijärjestelmää voidaan hyödyntää monenlaisissa sovelluksissa esimerkiksi ympäristön tilan ja juomaveden turvallisuuden seurannassa, elintarviketeollisuuden hygienia- ja tuoteturvallisuusmittauksissa sekä kliinisessä diagnostiikassa. Koska mittalaitteen kannettavuus mandollistaa määritysten tekemisen paikan päällä ilman näytteiden kuljettamista erilliseen laboratorioon, monia tämänhetkisiä mittausmenetelmiä voidaan nopeuttaa ja yksinkertaistaa geneerisen bioanturijärjestelmän käyttöönoton myötä.

At Tampere University of Technology, a new development project is being planned to be launched during the next year. The project would aim for the development of a generic biosensor system exploiting bioluminescent sensor cells. The generic biosensor system comprises a portable luminometer and several multi-channel biosensor chips assigned for the detection of different panels of analytes. The biosensor chips contain freeze-dried biosensor cells immobilized in microchannels. A liquid sample introduced into the microchannels evokes the cells and activates the bioluminescence generating reaction if a certain analyte is present in the sample.The object of this thesis has been to conduct a preliminary survey that can be used as a basis for the development project of the generic biosensor system. The thesis consists of a State-of-the-Art survey, test measurements and the conceptualisation of the generic biosensor system. In the test measurements, the relation between the amount of the generated photons and the amount of the sensor cells present in a bioluminescent assay was investigated. The bioluminescence generated by zinc-inducible Escherichia coli cells exposed to ZnC12 containing samples was measured at several time points in parallel with a plate counting procedure that yielded in information about the growth rate and cellular density during the assay. The results were used in estimating the volume of the microfluidic channels of the biosensor chip and in comparing the applicability of different photodetector types in the portable luminometer.