Development of an Online Biosensor for the Detection of the Explosive TNT and the Illegal Drug Cocaine
Creators: name: Paul, Martin
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Biosensor
subject: Antikörper
subject: TNT
subject: Sprengstoff
subject: Kokain
subject: Drogen
subject: Sicherheit
subject: Antibodies
subject: Explosives
subject: Drugs
subject: Cocaine
subject: Security
subject: 543 Analytische Chemie

description: Um Terroranschläge zu verhindern, werden schnelle, hochempfindliche Detektoren für Sprengstoffe benötigt. Neben Sprengstoffen ist auch der Drogenhandel ein großes gesellschaftliches Problem, welcher kriminelle Organisationen finanziert. Da bereits geringe Mengen an TNT oder Kokain einen Hinweis auf einen Anschlag oder auf Drogenschmuggel darstellen, muss der verwendete Detektor schnell aber dabei gleichzeitig sensitiv und selektiv sein. In dieser Arbeit wurde daher ein Biosensor zur Drogen und Sprengstoff Detektion, der auf auf einem Immunoassay basiert, entwickelt. Um die Performance sicherzustellen, wurden die genutzten Antikörper gründlich auf Eignung untersucht. Für die Affinitätssäule wurden monolithische Säulen hergestellt, welche eine hohe Oberfläche aufweisen. Zur Beschichtung der Säulen wurden Protein-Konjugate synthetisiert. Die Affinitätssäulen waren robust und zeigten eine sehr hohe Binde-Effizienz. Als Detektor wurde ein Fluoreszenz-Mikroskop aus kommerziellen Bauteilen konstruiert. Für den genutzten Fluoreszenzfarbstoff wurde eine Nachweisgrenze von 2 pM sowie ein dynamischer Bereich bis 1000 pM erreicht. Für die Fluidik wurden eine Spritzenpumpe sowie mikrofluidische Bauteile genutzt, welche eine Detektionszeit von 1.5 Minuten ermöglichten. Für TNT wurde mit dem Biosensor eine Nachweisgrenze von 130 pM erzielt. Der Biosensor zeigte außerdem keine Kreuzreaktivität mit gängigen Sprengstoffen. Für Kokain wurde eine Nachweisgrenze von 15 pM im Biosensor erreicht. Zusätzlich wurde für Kokain ein Wischtest entwickelt, welcher in drei Minuten Kokainmengen von 300 pg detektieren kann. Der entwickelte Biosensor gehört zu den besten Sensoren zur TNT- und Kokaindetektion und zeigt eine vergleichbare oder bessere Performance als Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung. Die Flexibilität beim Analyten sowie der Verzicht auf Lösungsmittel machen diesen Biosensor zu einem interessanten Kandidaten für hochempfindliche Messsysteme.
description: The fast detection of explosives is essential to prevent terror attacks. Besides explosives, the trafficking of illegal drugs is a major problem, which must be addressed to reduce criminal organizations’ revenue streams. As low amounts of these substances may indicate trafficking or a bomb threat, sensitive, selective and fast detection methods are required. Therefore, a biosensor was developed in this work, which relies on an immunoassay. To ensure sensitive and selective performance the used antibodies were characterized in depth. To obtain affinity columns, glass columns were manufactured and used. As column coating affinity conjugates were synthesized. The affinity columns showed efficient antibody trapping and were long-term stable. As a detector an epi-fluorescence microscope was built to monitor the sample. The sensor features consumer-grade parts rendering it easily accessible. For the used fluorophore a limit of detection (LOD) of 2 ppt with a linear range up to 1000 pM was achieved. Due to the use of a syringe pump and an injection valve a continuous fluidic for the biosensor was obtained. The used microfluidic parts resulted in detection times of only 1.5 min. For TNT a LOD of 130 pM was achieved. Additionally, the biosensor showed no cross-reactivity with common high explosives. For cocaine a LOD of 15 pM in solution was achieved and a surface wipe sampling method was demonstrated, which was able to detect 300 pg cocaine on surfaces within three minutes reliably. This biosensor belongs to the fastest and most sensitive cocaine and TNT detectors with sensitivity on par or better than liquid chromatography coupled with mass spectroscopy. Furthermore, the biosensor is affordable, very modular analyte-wise and requires no solvents or microplastic carriers. Therefore, it is a fascinating approach for future high-sensitivity monitoring applications.