Affordable Access

Synthetic Paper for Point-of-Care Diagnostics : Capillary control, surface modifications, and their applications

Authors
  • Guo, Weijin
Publication Date
Jan 01, 2020
Source
DiVA - Academic Archive On-line
Keywords
Language
English
License
Green
External links

Abstract

Capillary-based platforms for diagnostics are popular for the point-of-care diagnostics market because of their low cost, easy fabrication, and easy operation. Lateral flow tests are an excellent example of capillary-based platforms for point-of-care diagnostics. However, most current lateral flow tests can only provide qualitative results or have low sensitivity. Lateral flow tests with better performance are needed. In this thesis, I tried to improve the performance of lateral flow tests from different aspects: flow rate control, surface modification, plasma separation, and immunoassay application. Variations in sample liquid properties (viscosity and surface energy) can lead to variations in the flow rate, and therefore variations in the lateral flow test results. I developed a novel capillary pump system that can provide a constant pumping flow rate independent of liquid surface energy and viscosity. This capillary pump system works well for bodily liquids, even for blood, which has low surface energy. This capillary pump system can provide a flow rate 20.96-24.76 μL/min for all the kinds of liquid tested, which is relevant for LFTs in clinical diagnostics. The substrate of lateral flow tests should be hydrophilic and must be easy to functionalize with protein for immunoassay applications. I developed surface modification protocols for the novel lateral flow test substrate - OSTE synthetic paper. I tested different hydrophilic treatments of synthetic paper, including PEGMA, HEMA, O2 plasma, and Tween 20 coating. All these treatment methods work well, and they provide slightly different hydrophilicity, and therefore different pumping velocities for liquid samples. They can be used for applications with different requirements on hydrophilicity. Moreover, I flowed blood plasma samples through the synthetic paper with different hydrophilic treatments and found that the OSTE synthetic paper surface retains low amounts of plasma protein (with a protein recovery rate close to 100%), which shows that synthetic paper is a good material for biological sample handling. I also developed and validated two protocols for grafting on synthetic paper: thiol-yne-biotin-streptavidin and thiol-maleimide-biotin-streptavidin. Plasma separation is an essential step for lateral flow tests using whole blood as the sample. Usually, commercial filtration membranes for plasma separation are added to the test strips. Such membranes, however, suffer from a protein retention. I built a plasma extractor using synthetic paper. The synthetic paper underwent hydrophilic treatment and was precoated with agglutination antibody. The agglutination antibody caused local agglutination of red blood cells, while the plasma continued pumping using capillary action, thus achieving the separation. The synthetic paper had a smaller surface area to make sure less protein is retained by the surface, resulting in a higher protein recovery rate (>82%) than commercial filtration membranes (73%). Microarray technology provides a high-throughput method to test the functionality of LFT immunoassay reagents. Nitrocellulose and glass are traditional materials for microarray platforms. I used them and synthetic paper as the substrate for a protein microarray platform, and made a systematic comparison of these three substrates with respect to the fluorescence signal. To accomplish this, I used an indirect competitive sandwich assay for the detection of the antibiotic enrofloxacin in whole milk, and fluorophore as the signal label. The experiments showed that synthetic paper could provide an overall better performance in terms of signal variance, reproducibility, limit of detection, and goodness of fit. I further investigated the influence of synthetic paper geometry design on the assay performance and chose the best design for matrix study of milk. I found the matrix effect of milk to be low, and that synthetic paper can be used for enrofloxacin detection in whole milk. The LOD of enrofloxacin detection in whole milk is 1.64 nM, which is much lower than the concentration (288.98 nM) stipulated by EU regulations.The results of the microarray platform can provide guidelines for designing lateral flow tests using synthetic paper as the substrate. These contributions can be combined or used individually to improve the performance of lateral flow tests on reproducibility and/or sensitivity. Synthetic paper has been proved to be a good substrate for LFTs by allowing easy sample handling and immunoassay coupling, and will find wider applications in the field of quantitative LFTs. / Patientnära medicinsk diagnostik är ett bra sätt för att få snabba diagnostiska svar inom sjukvården eller i hemmet. Lateralflödestest, som drivs av kapillärkrafter, är en typ av patientnära diagnostik som är väldigt populär på grund av dess låga pris, enkla tillverkning samt att de är lätta att använda. De flesta lateralflödestester på marknaden ger endast kvalitativa resultat eller har låg känslighet. Det finns alltså ett behov av att förbättra dess prestanda. I den här avhandlingen försökte jag förbättra prestanda för lateralflödestest från olika aspekter, nämligen: förbättrad kontroll av flödeshastighet, ytmodifiering, blodplasmafiltrering, och immunoanalysmetod.  Variationer av provvätskans egenskaper (viskositet och ytenergi) kan leda till variationer i lateralflödesresultat. Jag utvecklade ett nytt kapillärsystem som kan ge konstant pumphastighet oberoende av både provets ytenergi och viskositet, vilket minskar skillnaderna som orsakas av variationerna i provets vätskeegenskaper. Kapillärsystemet fungerar bra för kroppsvätskor, inklusive blodprover med låg ytenergi. Material för lateraltflödestester bör vara hydrofilt och ska vara lätt att immobiliseras med protein för immunanalys. Jag utvecklade ytmodifieringsprotokoll för ett nytt material för lateralflödestest som kallas ”OSTE syntetiskt papper”. Jag testade olika hydrofila behandlingar på syntetiskt papper, inklusive PEGMA, HEMA, O2 plasma och Tween 20-beläggning. Alla dessa behandlingsmetoder fungerar bra, och ger något olika hydrofilicitet, och därför olika pumphastighet. De kan användas i tillämningar med olika krav på hydrofilicitet. Dessutom flödade jag blodplasmaprover genom det syntetiska papperet med olika hydrofila behandlingar och fann att dess yta binder väldigt lite plasmaprotein (nästan 100% av proteinet behålls i plasman), vilket visar att syntetpappret är ett bra material för biologisk provhantering. Jag utvecklade också två protokoll för att fästa biomolekyler på syntetiskt papper med hjälp av molekylkombinationerna tiol-yne-biotin-streptavidin och tiol-maleimid-biotin-streptavidin. Blodplasmaseparering är ett viktigt steg för lateralflödestester när man analyserar är blod. Vanligtvis används ett kommersiellt filtreringsmembran på testremsan för plasmaseparation men tyvärr fastnar mycket av provets protein i filtreringmembranet. Jag byggde en plasma-extraherare av syntetiskt papper. Det syntetiska papperet gavs en hydrofil yta och belades med agglutinerings-antikropp. Agglutinerings-antikroppen binder ihop röda blodkroppar med varandra, och plasman fortsätter att föda. Det syntetiska papperet har porstorlek som är tillräckligt liten för att tillhandahålla kapillärkraft för att pumpa plasma, och tillräckligt liten för att se till att protein inte fastnar på ytan, vilket gör att man får mer protein kvar att analysera (>82%) än om man använder kommersiella filtreringsmembran (73%). Nitrocellulosa och glas är vanliga material för mikroarray-plattformar. Jag gjorde en systematisk jämförelse av nitrocellulosa, glas och syntetiskt papper genom att använda dem som underlag för en proteinbaserad mikroarray-plattform. Den använde en antikroppsbaserad analysmetod för enrofloxacindetektion i mjölk. Från de experimentella resultaten drog jag slutsatsen att syntetiskt papper kunde ge en generellt bättre prestanda när det gäller varians, reproducerbarhet och detektionsgräns. Jag undersökte även påverkan av syntetiska papprets geometriska design på analysprestanda och valde den bästa designen för studier av mjölk. Jag fann att matriseffekten av mjölk är liten på syntetiskt papper, att syntetiskt papper kan användas direkt för enrofloxacindetektion i mjölk och med en detektionsgräns långt under EUs reglemente. Resultaten av mikroarray-plattformen kan ge riktlinjer för utformning av lateralflödestester med syntetiskt papper som underlag. Resultaten in denna avhandling kan användas tillsammans eller separat för att öka prestandan i framtidens lateralflödestester. Det syntetiska pappret visade sig ha god potential för att skapa kvalitativa lateralflödestester. / <p>QC 20200611</p>

Report this publication

Statistics

Seen <100 times