Low-cost, portable biosensors for Escherichia coli detection in water
Date
2015-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Low-cost, portable biosensors for the detection of Escherichia coli (E. coli) in
water were investigated. The operating principle of various biosensors is discussed
at the hand of a biosensor model. These methods, including electrical
and optical methods, are evaluated for use in low-cost sensors. An electrically
and optically based biosensor are compared.
An electrochemical impedance biosensor that detects bacteria using non-linear
AC harmonics is evaluated. Various electrode geometries and materials patterned
on glass chips were tested. Ionic solutions were tested and a sensitivity
of 0.01 mg/L for NaCl, KCl and MgCl2 was achieved. E. coli B44 was tested,
and bacterial concentration curves for the sensor was derived. The limit of
detection (LOD) of the sensor was 1.1 x 1010 CFU/ml, and the response time
less than 4 minutes.
A fiber-optic biosensor, operating using evanescent wave modulation, was
tested. A low-cost testing method, using simple optoelectronics, was derived
and hand-made fibers were manufactured. The fibers were immobilised with
primary anti-E. coli antibodies by covalent attachment with a (3-Glycidyl
oxypropyl) trimethoxysilane (GPS) crosslinking agent. The immobilisation
efficiency was determined using Wide Field Fluorescence microscopy. Bacterial
concentrations (E. coli DH5 ) were tested, and bacteria was successfully
detected. The LOD of the sensor was 3 x 107 CFU/ml, and the response time
less than 120 minutes.
The two sensors are compared and evaluated for use in low-cost, portable biosensing
systems for water testing. Recommendations for future development
of a low-cost, portable biosensing prototype is discussed, including a system
model and possible specifications. Possible applications for future biosensor
development is discussed in detail.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Lae-koste, draagbare biosensors vir die opsporing van Escherichia coli (E. coli) in water word ondersoek. Die opsporingsmetode van onderskeie biosensors word bespreek, met die hulp van 'n biosensor model. Hierdie metodes, insluitend elektroniese en optiese metodes, word evalueer vir gebruik in lae-koste sensors. 'n Elektroniese en opties gebaseerde biosensor word vergelyk. 'n Elektrochemiese impedansie biosensor wat bakterieë opspoor met behulp van nie-lineêre WS harmoniese pieke word evalueer. Verskeie elektrode geometrie ë en materiale, wat op glass skyfies geëts is, is getoets. Ioniese oplossings is getoets en 'n sensitiwiteit van 0.01 mg/L vir NaCl, KCl en MgCl2 is bepaal. E. coli B44 is ook getoets, en bakteriële konsentrasiekurwes is afgelei. Die limiet van opsporing van die sensor was 1.1 x 1010 KVE/ml, en die reaksietyd minder as 4 minute. 'n Optiese vesel biosensor, wat van verganklike golfmodulasie gebruik maak, is getoets. 'n Lae-koste toetsmetode, wat gebruik maak van eenvoudige optoëlektroniese komponente, is ontwerp en handgemaakte vesels is vervaardig. Die vesels is geïmmobiliseer met primêre teenliggaampies deur kovalente bindings met 'n (3-Glycidyloxypropyl) trimethoxysilaan (GPS) kruisbindingsagent. Die immobiliseringseffektiwiteit is bepaal deurWye Veld Fluoressensie mikroskopie. Bakteriële konsenstrasies (E. coli DH5 ) is getoets, en bakterieë is opgespoor. Die limiet van opsporing van die sensor was 3 x 107 KVE/ml, en die reaksietyd minder as 120 minute. Die twee sensors is vergelyk en evalueer vir gebruik in lae-koste, draagbare biosensorstelsels vir watertoetse. Voorstelle vir die toekomstige ontwikkeling van 'n eenvoudige, draagbare biosensor-prototipe word bespreek, insluitend 'n stelselmodel en moontlike spesifikasies. Moontlike toepassings vir toekomstige biosensor ontwikkeling word in detail bespreek.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Lae-koste, draagbare biosensors vir die opsporing van Escherichia coli (E. coli) in water word ondersoek. Die opsporingsmetode van onderskeie biosensors word bespreek, met die hulp van 'n biosensor model. Hierdie metodes, insluitend elektroniese en optiese metodes, word evalueer vir gebruik in lae-koste sensors. 'n Elektroniese en opties gebaseerde biosensor word vergelyk. 'n Elektrochemiese impedansie biosensor wat bakterieë opspoor met behulp van nie-lineêre WS harmoniese pieke word evalueer. Verskeie elektrode geometrie ë en materiale, wat op glass skyfies geëts is, is getoets. Ioniese oplossings is getoets en 'n sensitiwiteit van 0.01 mg/L vir NaCl, KCl en MgCl2 is bepaal. E. coli B44 is ook getoets, en bakteriële konsentrasiekurwes is afgelei. Die limiet van opsporing van die sensor was 1.1 x 1010 KVE/ml, en die reaksietyd minder as 4 minute. 'n Optiese vesel biosensor, wat van verganklike golfmodulasie gebruik maak, is getoets. 'n Lae-koste toetsmetode, wat gebruik maak van eenvoudige optoëlektroniese komponente, is ontwerp en handgemaakte vesels is vervaardig. Die vesels is geïmmobiliseer met primêre teenliggaampies deur kovalente bindings met 'n (3-Glycidyloxypropyl) trimethoxysilaan (GPS) kruisbindingsagent. Die immobiliseringseffektiwiteit is bepaal deurWye Veld Fluoressensie mikroskopie. Bakteriële konsenstrasies (E. coli DH5 ) is getoets, en bakterieë is opgespoor. Die limiet van opsporing van die sensor was 3 x 107 KVE/ml, en die reaksietyd minder as 120 minute. Die twee sensors is vergelyk en evalueer vir gebruik in lae-koste, draagbare biosensorstelsels vir watertoetse. Voorstelle vir die toekomstige ontwikkeling van 'n eenvoudige, draagbare biosensor-prototipe word bespreek, insluitend 'n stelselmodel en moontlike spesifikasies. Moontlike toepassings vir toekomstige biosensor ontwikkeling word in detail bespreek.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2015.
Keywords
Low-cost; portable biosensors; Escherichia coli detection; water, Portable biosensors -- Testing, UCTD