Monographs

Ziel der Dissertation war die Untersuchung der Synthese neuartiger hierarchisch aufgebauter Mikropartikel unter Nutzung der Vorteile mikrofluidischer Herstellungsmethoden. Dabei sollten Partikel mit drei bis fünf Integrationsebenen realisiert werden, was entsprechend hohe Anforderungen an die Beschaffenheit und Qualität der Bausteine stellt. Für eine reproduzierbare Integration mikro- und nanoskaliger Komponenten mussten sowohl die Herstellungsschritte der einzelnen Bausteine als auch die Assemblierungsschritte reproduzierbar gestaltet werden. Dazu wurden als Schlüsseltechniken unterschiedliche mikrofluidische Polymerpartikelsynthesen für unterschiedliche Größenbereiche eingesetzt, nämlich eine Mikrodurchfluss-Emulsionspolymerisation für PMMA-Nanopartikeln (oberer Nanometerbereich), eine Mikrodurchfluss-Suspensionspolymerisation für poly TPGDA-Mikropartikeln (mittlerer und unterer Mikrometerbereich) und eine in situ-Mikrodurchfluss-Photopolymerisation für PAM-Gel-Mikropartikel (oberer Mikrometerbereich). Diese Verfahren ermöglichten eine Herstellung der erforderlichen Konstruktionselemente mit hoher Größenhomogenität und Ausbeute. Für die Bildung hierarchisch konstruierter Partikelarchitekturen mussten die Komponenten der kleineren Konstruktionsebenen jeweils in die partikulären Strukturen auf höheren Ebenen integriert werden. Die experimentelle Umsetzung dieses Konzeptes gelang durch die Zusammenführung passender Integrationsschritte. Die erfolgreiche Integration konnte durch folgende Systeme mit demonstriert werden: - PAM-Gel-Mikropartikel mit in der Matrix integrierten kleineren Poly TPGDA-Mikropartikeln, die ihrerseits auf der Oberfläche PMMA-Nanopartikel tragen (3-Ebenen-System) - Poly TPGDA-Partikel/PMMA-Verbundmikropartikel mit auf den PMMA-Oberflächen integrierten Gold-Nanopartikeln (3-Ebenen-System) - PAM-Mikrogelpartikel mit eingebetteten Poly TPGDA-Partikel/PMMA-Verbundmikropartikel mit auf den PMMA-Oberflächen integrierten Gold-Nanopartikeln (4-Ebenen-System) - Kern-Hülle-Mikrogelpartikel mit integrierten eingebetteten Poly TPGDA-Partikel/PMMA-Verbundmikropartikel mit auf den PMMA-Oberflächen integrierten Gold-Nanopartikeln (4-Ebenen-System) sowie eingebetteten Silbernanowürfeln (5-Ebenen-System). Die Robustheit und Reversibilität der hierarchischen Systeme wurden durch wiederholte Trocknungs- und Quellzyklen bestätigt. Trotz der mechanischen Empfindlichkeit der PAM-Matrix blieben die strukturelle Integrität und die Anordnung der Verbundstoffe unverändert. Der Erfolg der Synthese- und Integrationsschritte und damit der hierarchische Aufbau der Partikel wurde durch licht- und elektronenmikroskopische Abbildungen sowie durch unterschiedlich emittierende in den verschiedenen Polymermatrices immobilisierte Fluoreszenzfarbstoffe verifiziert. Zusätzliche wurden Diffusionssexperimente mit Fluoreszenzfarbstoffen zur Charakterisierung der Permeabilität der Gelmatrices durchgeführt. Die prinzipielle Eignung der hierarchisch aufgebauten Partikel konnte anhand der Integration und chemischen Nachverstärkung von Silbernanopartikeln gezeigt werden, die eine Eignung der Partikel als „Mikrosensoren“ für die oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (SERS) belegen. Zusammengefasst stellt diese Forschungsarbeit einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Nanotechnologie dar, da sie einen systematischen Ansatz zur Schaffung hierarchisch strukturierter, mehrschichtiger Kompositmaterialien präsentiert, die für die selektive Sensorik oder Katalyse eingesetzt werden können.

Die Mikrofluidsegmenttechnik ermöglicht es, Reaktionen unter optimierten Strömungsverhältnissen und mit einer minimalen Substanzmenge durchzuführen. Besonders für mehrdimensionale Reaktionsscreenings, bei denen die Einflüsse mehrerer Effektoren gleichzeitig untersucht werden, eignet sich diese Technik, da die Segmente geordnet durch das System geführt werden, wodurch die Zusammensetzung jedes einzelnen Segments bekannt ist. Deshalb hat bei dieser meist sehr komplexen und technisch aufwendigen Verfahrensweise die Analyse der Segmente bzw. deren Inhaltsstoffe eine große Bedeutung. Neben der optischen Auswertung oder der Fluoreszenzmessung, bei der die Zielsubstanz mit einer fluoreszierenden Gruppe markiert werden muss, werden aktuell markierungsfreie Detektionsmethoden entwickelt. Diese Detektionsmethoden sind aber noch sehr aufwendig und sind ohne tiefgreifende Fachkenntnisse auf dem jeweiligen Gebiet nicht anzuwenden. Der Bedarf nach einer einfachen Analysemethode, mit der auch chemische Veränderungen in den Segmenten markierungsfrei detektiert werden können, ist die Grundlage für die Motivation der hier vorgestellten Arbeit. Diese beschreibt eine neue Methode für die markierungsfreie Analyse einzelner Fluidsegmente, die durch einen kompakten Aufbau und eine einfache Anbindung an beliebige Prozesse einen weitverbreiteten Einsatz der Analysetechnik ermöglicht. Die entwickelte Analysemethode beschreibt die erstmalige Kopplung der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (engl. surface enhanced Raman scattering/spectroscopy, SERS) mit einer Umsetzung der seriell erzeugten Segmente auf eine parallele Array-Struktur aus SERS-aktiven Messstellen (SERS-Array). Dieser Umsetzungsschritt entkoppelt die zeitlich kritische Messung von der schnellen Prozessierung der Segmente und ermöglicht zudem einen optimalen optischen Zugang zu den Messstellen, wodurch der Einsatz kompakter Spektrometersysteme ermöglicht wird. Zur Umsetzung des Konzepts wurde ein neuartiger SERS-aktiver Hydrogel-Film sowie ein Verfahren zum Auftragen des Films auf die Messstellen entwickelt. Bei der Entwicklung des Hydrogel-Films wurde eine Methode zur Herstellung quellbarer, SERS-aktiver Komposit-Sensorpartikel weiterentwickelt, indem die Haftung auf einem Glasträger, die Verdunstung des Lösungsmittels während der Applikation und die SERS-Verstärkung untersucht und angepasst wurden. Weiterhin wurde die Leistungsfähigkeit der entwickelten Analysemethode bestimmt, so zeigt das SERS-Array hervorragende Werte in Bezug auf die Langzeitstabilität. Das Gesamtsystem wurde im Vergleich mit anderen SERS-basierten Analysemethoden bewertet. Dabei zeigt sich, dass vergleichsweise hohe Frequenzen an Segmenten analysiert werden können und dass die Quantifizierung von Testsubstanzen in einem breiten Konzentrationsbereich, der etwas oberhalb derer der Vergleichssysteme liegt, möglich ist. Anhand einer Desaminierungsreaktion konnte gezeigt werden, dass in dieser Arbeit eine kompakte und einfach adaptierbare Methode für SERS-Messungen entwickelt wurde, die chemische Veränderungen innerhalb von Mikrofluidsegmenten detektieren kann.

Verglichen mit etablierten industriellen Hochdurchsatz-Anlagen entwickelten sich mikrofluidische, emulsionsbasierte Tropfensysteme in den letzten Jahren zu einer günstigen Alternative. Jedoch ist es derzeit nicht möglich, einzelne Tropfen im Pikoliter-Volumenbereich aus einer Vielzahl anderer Proben für anschließende Analysen zu isolieren. Diese Arbeit präsentiert ein Verfahren, um Tropfen mittels fluidischer Kanalstrukturen zu isolieren und über einen Brechungsindex-Sensor zu detektieren. Das erzeugte Signal ermöglicht eine automatisierte Einzelablage von Tropfen in adressierbare Kompartimente, wie beispielsweise in Petrischalen oder Mikrotiterplatten. Ergebnisse zeigen eine effektive Extraktion einzelner Tropfenfraktionen. Dennoch bedarf es einer kontinuierlichen Überwachung von Prozessparametern wie Flussrate und Tropfendurchsatz, um eine Trennung der einzelnen Tropfen zu gewährleisten. Gleichwohl bietet dieses online-Verfahren eine Möglichkeit, allgemeine Laborprotokolle und Analysetechniken mit Tropfenbasierter Mikrofluidik zu vereinen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Übergang zwischen regulären und irregulären Mustern in Reaktions-Diffusions (RD)-Systemen. Hierbei lag der Fokus der Untersuchung auf der Rolle der Kopplungsbedingungen zwischen mehreren Oszillatoren für das Auftreten des Übergangs und der Systemspezifität der zugrundeliegenden Mechanismen. Zwei RD-Systeme wurden hierfür gewählt: (i) das Herz im Vorhofflimmer(VF)-zustand und (ii) die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion (BZR). Numerische Simulationen dieser Systeme basierten auf einem Standard-RD-Modell, dem Fitzhugh-Nagumo-Modell, und verschiedenen systemspezifischen Modellen. Ergebnisse der Simulationen wurden mit selbstdurchgeführten Experimenten der BZR auf Silikatgelen sowie mit Literaturdaten zu medizinischen Studien des VF verglichen. Zwei Mechanismen für den Übergang zu irregulären Mustern wurden studiert. Der erste, von mir vorgeschlagene Mechanismus basiert auf der Wechselwirkung zweier aktiver Quellen, welche räumlich separiert sind. In Abhängigkeit des Frequenzverhältnisses der Quellen konnten verschiedene Typen von irregulären Mustern identifiziert werden: ein generischer Typ und drei weitere Typen, welche nur im allgemeinen oder den systemspezifischen Modellen auftraten. Der vorgeschlagene Mechanismus kann das episodische Auftreten von VF erklären, indem Änderungen einer Quellenfrequenz das System in den Zustand irregulärer Muster bringen. Dieser neue Mechanismus ist nicht nur für VF sondern auch für RD-Systeme (BZR, Nervenzellen) relevant. Der zweite untersuchte Mechanismus basiert auf der diffusiven Kopplung vieler Oszillatoren. In dieser Arbeit wurden irreguläre Muster im Bereich schwacher Kopplung gefunden, für welche als Ursache einerseits die reduzierte Kohärenz zwischen den gekoppelten Oszillatoren identifiziert wurde und andererseits die aufgrund der Kopplung veränderte Dynamik im Falle von anregbaren Einheiten. Ein weiterer Typ irregulärer Muster wird durch das Aufbrechen von Wellenfronten an den Oszillatoren verursacht. Der Einfluss der Größe, Form und Kopplungsstärke auf das Auftreten der irregulären Muster wurde untersucht sowie die Eigenschaften der Muster. Aufgrund der Generalität der identifizierten Mechanismen sind diese auch für andere chemische und biologische RD-Systeme wie PEM-Brennstoffzellen oder Herz-, Nerven- oder Bauchspeicheldrüsenzellen von Bedeutung.