This review provides an overview on bio- and chemosensors based on a thermal transducer platform that monitors the thermal interface resistance R th between a solid chip and the supernatant liquid. The R th parameter responds in a surprisingly strong way to molecular-scale changes at the solid-liquid interface, which can be measured thermometrically, using for instance thermocouples in combination with a controllable heat source. In 2012, the effect was first observed during on-chip denaturation experiments on complementary and mismatched DNA duplexes that differ in their melting temperature. Since then, the concept is addressed as heat-transfer method, in short HTM, and numerous applications of the basic sensing principle were identified. Functionalizing the chip with bioreceptors such as molecularly imprinted polymers makes it possible to detect neurotransmitters, inflammation markers, viruses, and environmental pollutants. In combination with aptamer-type receptors, it is also possible to detect proteins at low concentrations. Changing the receptors to surface-imprinted polymers has opened up new possibilities for quantitative bacterial detection and identification in complex matrices. In receptor-free variants, HTM was successfully used to characterize lipid vesicles and eukaryotic cells (yeast strains, cancer cell lines), the latter showing spontaneous detachment under influence of the temperature gradient inherent to HTM. We will also address modifications to the original HTM technique such as M-HTM, inverted HTM, thermal wave transport analysis TWTA, and the hot-wire principle. The article concludes with an assessment of the possibilities and current limitations of the method, together with a technological forecast.
Dieser Artikel gibt eine Übersicht zu thermischen Bio- und Chemosensoren die den Wärmeleitungswiderstand R th zwischen einem Chip und einer Flüssigkeit messen. Der R th Parameter reagiert überraschend stark auf Veränderungen, die auf molekularer Ebene an der Grenzschicht zwischen dem Festköper und der Flüssigkeit stattfinden. Dies kann thermometrisch nachgewiesen werden, zum Beispiel mit Thermoelementen und einer regelbaren Heizquelle. Der Effekt wurde zuerst im Jahr 2012 bei der thermischen Denaturierung von chip-gebundenen, komplementären und mutierten DNA Fragmenten beobachtet, die sich in ihrer Schmelztemperatur unterscheiden. Seitdem wird das Konzept als heat-transfer method, bzw. als HTM bezeichnet und es wurden zahlreiche andere Anwendungsmöglichkeiten des Basisprinzips identifiziert. Funktionalisieren des Chips mit Biorezeptoren wie z. B. molekular geprägten Polymeren ermöglicht den quantitativen Nachweis von Neurotransmittern, Entzündungsmarkern, Viren und toxischen Stoffen in der Umwelt. Durch die Verwendung von Aptameren als Rezeptoren lassen sich auch Proteine bis zu niedrigen Konzentrationen nachweisen. Ein weiterer Rezeptortyp, die oberflächengeprägten Polymere, ermöglicht die selektive und quantitative Bestimmung von bakteriellen Kontaminationen in komplexen Proben. In rezeptorfreien Varianten wurde HTM erfolgreich für die Charakterisierung von Lipidbläschen und eukaryoten Zellen verwenden (Hefestämme, Krebszelllinien), die ein spontanes Ablöseverhalten unter Einfluss des HTM-typischen Temperaturgradienten zeigen. Des weiteren werden Modifikationen der originalen HTM-Methode behandelt wie M-HTM, invertiertes HTM, die Transportanalyse thermischer Wellen (TWTA) und das Hitzdraht-Prinzip. In der Zusammenfassung werden die Möglichkeiten und vorläufigen Beschränkungen dieser Methoden besprochen, zusammen mit einem technologischen Ausblick.
Keywords: detection of proteins; mutation analysis in DNA; neurotransmitters and bacteria; spontaneous cell detachment; synthetic bioreceptors; thermal interface resistance.
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