Electrochemical impedance spectroscopy in microfluidic devices for kinetic analysis of binding reactions

Lazar, Jaroslav; Schnakenberg, Uwe (Thesis advisor); Knoch, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige Sensoren für Messung von Proteinbindung mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) entwickelt. Um EIS-Messungen erfolgreich durchführen zu können, wurden drei Entwicklungsschritte durchgeführt. Erstens wurde die Stabilität der EIS-Messungen in Präsenz von Kaliumhexacyanoferrat (HCF) im Elektrolyt untersucht. Es wurde gezeigt, dass das Impedanzsignal einer Goldelektrode in Anwesenheit von HCF ein erhebliches Drift-verhalten aufweist, was reproduzierbare EIS-Messungen erschwert. Das Driften wird einerseits durch Adsorption und Desorption von Chlorionen und anderseits durch Ätzen von Goldelektroden durch Zyanidionen verursacht. Die Driftabhängigkeit lässt sich minimieren, entweder durch die Verwendung glatterer Elektrodenoberflächen oder durch einen nicht-faradayschen Elektrolyten, der auf mit Phosphat gepufferter Salzlösung basiert. Zweitens wurde ein „flow-over“ Sensor mit sechs integrierten individuell ansteuerbaren interdigitalen Mikroelektroden, die in mikrofluidischen Kanälen integriert sind, entwickelt. Die Immobilisierung des prostataspezifischen Antigens auf den Goldelektroden konnte erfolgreich mit EIS nachgewiesen werden. Dabei wurden die vorherigen Ergebnisse der Stabilitätsuntersuchung bestätigt. Der Einsatz von HCF führt zwar zu einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis, jedoch war die Stabilität der Messung nicht zufriedenstellend. Zudem wurde der Sensoraufbau erfolgreich für den Nachweis von Lektinanbindungen an zwei Glykoproteinpolymertopologien mittels EIS verwendet. Dabei wurde erstmals festgestellt, dass bei niedrigen Frequenzen vor allem die Doppelschicht-Kapazität und Doppelschichtwiderstand und bei höheren Frequenzen eher die Bindungscharakteristik des Lektins an und in das Glycopolymer gemessen wird. Drittens wurde eine Kombination von EIS- mit lokalisierter Oberflächenplasmonresonanz (LSPR) untersucht. Dafür wurde ein neuartiges, mikrofluidisches EIS-LSPR-Durchflusssensorsystem basierend auf einer nanoporösen Filtermembran entwickelt. Die Messungen zeigten erstmals, dass die EIS-Signale frequenzabhängig von der Oberfläche des Sensors und die LSPR-Signale eher aus dem Lochbereich herrühren. Dieser EIS-LSPR-Sensoraufbau, der simultan eine optische und eine elektrische Messung von Bindungskinetiken an Goldoberflächen ermöglicht, bietet daher erstmals die Möglichkeit der Differenzierung des EIS-Signals durch Korrelation zwischen räumlichem Ursprung und der Anregungsfrequenz.

Identifikationsnummern

Downloads