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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-80537
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8053/


Aravindalochanan, Kuppusamy

Utilizing the ability of electrochemical NO sensors: micro sensor designs for hypoxic cell cultures

Designs für Mikrosensoren für hypoxische Zellkulturen unter Ausnutzung der Leistungsfähigkeit von elektrochemischen NO-Sensoren

Dokument1.pdf (16.746 KB) (md5sum: 16cff526cf21bfd623135f75b308843d)

Kurzfassung in Englisch

Electrochemical nitric oxide (NO) sensors have not yet been applied to regular cell biological studies. NO sensors are often vulnerable to chemical interference, mechanical instability and functional membrane fragility. Motivation of this work was to investigate and to develop an NO sensor for tumor cell cultures by overcoming the inherent drawbacks. A set of physico-chemical simulation studies suggested to mount a miniaturized NO sensor array adjacent to adherent cells. Consequently, chips containing planar NO sensing electrodes were thin-film fabricated and attached to the bottom of the cell culture flask. Cyclic voltammetric comparison indicated that thin-film gold and platinum-black are stable sensing electrodes for long-term NO measurement. Findings also highlighted that platinum-black is thirty five times more sensitive and possess forty millivolt lower oxidation potential than gold. Square wave voltammetric method was identified as the optimal choice for measuring NO with reduced background signal and chemical interference. Special focus was given to nitrite-free NO sensing principle. Nitrite elimination method was proposed by introducing two independent strategies. Among them, promising outcome was obtained by the functional membrane-less anodic oxygen evolution. This technique might lead to a stable, simultaneous yet distinguished NO and NOx measurement. As an early development, a set of long-term NO experiments was also carried out to measure NO release by hypoxic breast cancer cells. Cell culture experiments exhibited a proper cell settlement on the sensing chip and necessary electrode stability up to sixty eight hours. Moreover, the measurement also supports the evidence that soy compound (genistein) suppresses the breast cancer cell proliferation by inhibiting NO synthesis. To conclude, the study emphasized the versatility of the electrochemical NO sensor to meet the present day demands in cell biology.


Kurzfassung in Deutsch

Elektrochemische-Stickstoffmonoxidsensoren (NO-Sensoren) wurden bisher nicht in zellbiologischen Studien eingesetzt. NO-Sensoren weisen häufig eine Querempfindlichkeit gegenüber anderen Spezies, mechanische Instabilität, sowie Brüchigkeit der Funktionalenmembran auf. Motivation dieser Arbeit war die Entwicklung und Untersuchung eines NO-Sensors für Tumorzellkulturen, mit der Zielsetzung, die genannten Nachteile zu umgehen. Eine Reihe physikalisch-chemischer Simulationsstudien legte nahe, ein miniaturisiertes NO-Sensorarray in die unmittelbare Nähe der adhärenten Zellen zu platzieren. Demzufolge wurden die Chips, welche planare Messelektroden für NO enthalten, in Dünnschicht-Technologie hergestellt und in den Boden von Zellkulturflaschen integriert. Cyklovoltammetrische Untersuchungen ergaben, dass Dünnschicht-Gold und Platin-Schwarz stabile Elektrodenmaterialien für die Langzeitmessung von NO darstellen. Die Ergebnisse zeigten auch, dass Platin-Schwarz 35 mal sensitiver als Gold ist und ein um 40 millivolt geringeres Oxidationspotential aufweist. Als optimale Messmethode wurde die Square-Wave-Voltammetrie gefunden, um NO mit einem verringertem Hintergrundsignal und geringerer chemischer Interferenz zu bestimmen. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit war die Entwicklung eines Prinzips zur Messung von NO ohne Einfluss von Nitrit. Zur Eliminierung des Einflusses von Nitrit wurden zwei unabhängige Strategien vorgeschlagen. Dabei wurden vielversprechende Ergebnisse durch die membranlose, anodische Sauerstoffentwicklung gefunden. Diese Methode könnte zu einer stabilen, simultanen und dennoch unterscheidbaren Messung von NO und NOx führen. Eine Reihe von Langzeit-Experimente wurde durchgeführt, wobei die NO-Abgabe von hypoxischen Brustkrebszellen gemessen wurde. Die Zellkulturexperimente bestätigten das gewünschte Zellwachstum auf dem Sensorchip, sowie die geforderte Elektrodenstabilität von bis zu 68 Stunden. Desweiteren unterstützen diese Messungen
die Aussage, dass Genistein, ein Sojabestandteil, die Proliferation von Brustkrebszellen durch Inhibierung der NO-Synthese unterdrücken. Zusammenfassend lässt sich erkennen, dass die vorliegende Arbeit die Einsetzbarkeit von elektrochemischen NO-Sensoren, mit den heute in der Zellbiologie gestellten Anforderungen, demonstriert.


SWD-Schlagwörter: Elektrochemischer Sensor , MEMS
Freie Schlagwörter (deutsch): Stickstoff monoxid , sensor , elektrochemie , elektode , selektivität
Freie Schlagwörter (englisch): Nitric oxide , sensor , elektrochemistry , elektodes , selectivity
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Urban, Gerald (Prof. Dr)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.03.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 15.04.2011
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