Integrierte Impedanzspektroskopie aerober Zellkulturen in biotechnologischen Hochdurchsatzscreenings

• Integrated impedance spectroscopy of aerobe cell cultures in high throughput screenings

Hofmann, Mirko; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung, Herstellung und Untersuchung spezieller Sensoren zur Messung elektrischer Eigenschaften mikrobieller Zelllösungen während der Fermentation in Mikroreaktorenarrays. Hierzu wurden zwei verschiedene Verfahren getestet: galvanisch entkoppelte Sensoren und Vierelektrodenanordnungen. Die Herstellung der Sensoren wurde mittels mikrosystemtechnischer Verfahren auf flexiblen Polyimidfolien durchgeführt. Zur Charakterisierung aller hergestellten Sensoren wurden Messungen an KCl-Lösungen mit Leitfähigkeiten in einem Bereich von 3 mS/cm bis 19 mS/cm vorgenommen. Des Weiteren wurden Tests an Zelllösungen während der Fermentation durchgeführt. Diese Messungen wurden mit zuvor gezeigten Modellen verglichen und interpretiert. Neben den geometrischen Eigenschaften wurden auch die Materialeigenschaften der Elektroden genauer untersucht. Hierzu wurden Elektroden aus reinem Platin mit Elektroden aus Iridiumoxid verglichen. Durch eine einfache Vorkonditionierung der Iridiumoxidelektroden verringerten sich die Elektrodenimpedanzen deutlich gegenüber vergleichbarer Platinelektroden. Anhand von Messungen in konzentrierten Hefelösungen und während laufender Fermentationen konnte die Anwendbarkeit der Sensoren zur Online-Überwachung mikrobieller Prozesse nachgewiesen werden. Die für die Tests verwendete Kultur war die Hefe Hansenula Polymorpha. Bereits bei den niedrigen Zelldichten von unter 15 g/l, die sich während der durchgeführten Batch-Fermentationen einstellten, waren die Wachstumsverläufe der Kulturen gut messbar. Es wurden ebenfalls Versuche mit Escherichia Coli in komplexem TB-Medium durchgeführt. Da der in dieser Arbeit verwendete Frequenzbereich nicht die vollständige beta-Dispersionsstufe der Bakterien auflösen konnte, war das kapazitive Messsignal kein eindeutiger Indikator für die lebende Biomasse. Stoffwechselbedingte Leitfähigkeitsveränderungen des Mediums und morphologische Änderungen der Zellen hatten ebenfalls große Einflüsse auf die gemessenen elektrischen Eigenschaften. Es konnte mit den Untersuchungen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Integration von Impedanzmesselektroden in eine herkömmliche Mikrotiterplatte möglich ist. Die durch die Messung der elektrischen Impedanz gewonnenen Informationen eignen sich hervorragend, zur Beobachtung und Charakterisierung aerober Fermentationsprozesse bereits im Mikrolitermaßstab.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]