Digitale Mikrofluidiksysteme zur Charakterisierung von Immobilisationsvorgängen von Biomolekülen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie

  • Digital microfluidic systems for the characterization of immobilization processes of biomolecules by means of electrochemical impedance spectroscopy

Kremers, Tom; Schnakenberg, Uwe (Thesis advisor); Knoch, Joachim (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Digitale Mikrofluidik (DMF)-Systeme nutzen den Effekt der Elektrobenetzung (engl.: electrowetting), der es erlaubt, den Kontaktwinkel von diskreten Tropfen durch das Anlegen von elektrischen Feldern zu manipulieren. Dadurch wird der gezielte Transport der Tropfen über hydrophobe Oberflächen ermöglicht. Die Tropfen und die benötigten Elektroden sind dabei durch eine hydrophobe und eine dielektrische Schicht getrennt, sodass die Systeme auch electrowetting on dielectric (EWOD)-Systeme genannt werden. Kleine Tropfen, mit Volumina im Nano- bis Picoliter-Bereich, können mittels EWOD erzeugt, transportiert, mit anderen Tropfen vereinigt und gemischt werden. Die Bewegungssequenzen der Tropfen sind durch die Adressierung einzelner Elektroden programmierbar. Die Nutzung von EWOD-Plattformen bietet sich aufgrund dieser Rekonfigurierbarkeit in vielen Bereichen der Wissenschaft und der industriellen Nutzung an. So finden EWOD-Plattformen aktuell Anwendung bei der Polymerase-Kettenreaktion(PCR), die der Goldstandard bei diagnostischen Labortests ist. In dieser Arbeit werden zwei EWOD-Plattformen entwickelt - eine LabView- und relaisbasierte sowie eine portable EWOD-Plattform. Die portable EWOD-Plattform PortaDrop besitzt die Fähigkeit, Tropfen zu bewegen und gleichzeitig elektrochemische Messungen durchzuführen und benötigt dafür keine weiteren externen Geräte. PortaDrop nutzt erstmals einen Raspberry Pi als Steuerrechner für eine EWOD-Plattform. Daher ist die Integration weiterer Messgeräte möglich und grundlegend implementiert. Als Ausführungsbeispiel wird ein Sensor für die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) in die EWOD-Plattform integriert. Zur Verbesserung der Signalstabilität bei den EIS-Messungen werden die Gegenelektrode (GE) und die Referenzelektrode (RE) mit dem leitfähigen Polymer Polypyrrol (PPy):Polystyrolsulfonat (PSS) beschichtet. Die elektrischen Eigenschaften der PPy:PSS-Schichten werden mittels EIS-Messungen des Elektrode/Elektrolyt-Übergangs in einem salzhaltigen Elektrolyten untersucht. Erstmals werden die Messungen an ein elektrisches Ersatzschaltbild (ESB) gefittet und die Entwicklung der Bauteilgrößen mit dem Wachstumsmechanismus der PPy:PSS-Schichten korreliert. Der entwickelte EIS-Sensor wird final dazu verwendet, die erfolgreiche Glykosylierung eines Neo-Glykoproteins (NGPs) durch eine Fukosyltransferase (FucT) transient zu charakterisieren und die Bindungskonstanten zu bestimmen. Die Dissertation ist wie folgt gegliedert: Zunächst werden die Grundlagen der DMF, der EIS und zur Materialgruppe der leitfähigen Polymere sowie der Stand der Technik gelegt. Anschließend wird die Entwicklung der Herstellungsprozesse der benötigten Elektrodenplatten inklusive des integrierten EIS-Sensors sowie die Hardware- und Softwareentwicklung für die beiden entwickelten EWOD-Plattformen beschrieben. Diese Entwicklungen werden nachfolgend charakterisiert und diskutiert. Die Einsatzmöglichkeit der EWOD-Plattform wird anhand der Überwachung von Immobilisationsvorgängen von Biomolekülen mittels EIS charakterisiert. Die Arbeit wird mit einer Zusammenfassung geschlossen und ein Ausblick wird gegeben.

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