Studienabschlussarbeiten

Prasetija, Nadia Davina;
Optimierung und Validierung eines mikrofluidischen Photobioreaktors (µ-PBR) zur Untersuchung des Wachstums und der Sensitivität von Mikroalgen und Cyanobakterien gegen Effektoren unter verschiedenen Lichtkonditionen. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Mikroalgen und Cyanobakterien haben ein großes biotechnologisches Potenzial für die Herstellung von wertvollen Substanzen in verschiedenen Branchen, darunter Futtermittel-, Nahrungsergänzungsmittel-, Pharma- und Lebensmittelindustrie. Bisher werden sie hauptsächlich im Makromaßstab kultiviert. Studien über Kultivierung in kleinerem Maßstab wurden in den letzten Dekaden durchgeführt, um bessere Durchsatzleistungen zu erzielen. Die vorliegende Arbeit erfasst die Optimierung und Validierung eines mikrofluidischen Photobioreaktors (µ-PBR) zur Untersuchung des Wachstums und der Sensitivität von Mikroalgen und Cyanobakterien gegenüber Effektoren unter verschiedenen Lichtkonditionen. Für die Endpunkte-Bestimmung wurde Multiparameter-Mikrodurchfluss-Photofluorimeter für die Detektion von Wachstum, Autofluoreszenz, Chlorophyll-a-Fluoreszenz eingesetzt. Außerdem wurde ein Protokoll zur neutralen Lipiddetektion mit Farbstoff Nilrot in nl-Segmenten etabliert. Der von uns entwickelte µ PBR ist modular aufgebaut. Er besteht aus 1) einer 4-Kanal-Beleuchtungseinheit, 2) einem mäanderförmig geführten PTFE-Inkubationsschlauch mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm und einem Außendurchmesser von 1,0 mm und 3) einem Deckel, in dem passende Hohlräume für den Schlauch gefräst sind, damit die einzelnen Reihen optisch getrennt sind und individuell beleuchtet werden können. Zunächst wurde die Temperaturentwicklung des µ-PBR untersucht. Danach wurde die Auswahl des alternativen Trägermediums mit geringerer Verdunstungsrate getestet. FLUTEC PP10 (Perfluorperhydrofluoren) verweist eine geringere Verdunstungsrate als FLUTEC PP9 (Perfluormethyldecalin) und hat keinen negativen Einfluss auf das Wachstum von Mikroorganismen. Bei den Wachstumsuntersuchungen wurde festgestellt, dass Synechococcus elongatus UTEX2973 am besten unter Dauerbeleuchtung, während Chlorella vulgaris am besten unter einem 16:8 Hell-Dunkel-Zyklus wächst. Höhere Lichtintensität und die Absorption bestimmter Wellenlängen modifizieren die Pigmentzusammensetzung. Die Mikrodurchfluss-Multiparametersensoren ermöglichen die Optimierung der Wertstoffproduktion wie Biomasse und Pigmente in Cyanobakterien. Die Möglichkeit einem mikrofluidischen Dosis-Wirkungs-Screening von Chlorella vulgaris und Synechococcus elongatus UTEX2973 gegen Effektoren wie NaCl, Kupfer und Chrom unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen konnte in dieser Arbeit demonstriert werden.

Wang, Hanqing;
Influence of electrical field on binding characteristics of SARS-CoV-2 spike protein. - Ilmenau. - 46 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Einfluss des elektrischen Feldes auf die Bindungseigenschaften des SARS-CoV-2-Spike-Proteins.

Xie, Ting;
Mikrofluidische Untersuchungen zum mikrobiellen Abbau von synthetischen Polymeren und Polymerpartikeln. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer Anwendung von segmentbasierten Mikrofluidtechnik, bei der etablierten optischen Messtechniken, MTP-Kulturtechniken und moderne molekularbiologische Methoden (NGS, 16S rRNA-Gensequenzen) kombiniert werden, um neue Isolate aus Bodenproben von speziellen Standorten zu gewinnen und zu identifizieren, die in der Lage sind, synthetische wasserlösliche Polymere (Polyvinylpyrrolidon PVP, Polyacrylamid PAM und Polyethylenglykol PEG) und PMMA-Polymerpartikel abzubauen. Zur Bewertung des Bakterienwachstums innerhalb des 500 nl-Segments wurde die Kombination von mikrofluidischen Segmenten mit einem miniaturisiertem Durchfluss-Photo-Fluorimeter verwendet. Es wurden Serien von sub-µl-Segmenten erzeugt, die Bodenbakteriengemeinschaften enthielten und verschiedenen wasserlösliche Polymeren und Polymerpartikel ausgesetzt wurden. Die segmentbasierte mikrofluidische Technik liefert äußerst detaillierte Dosis-Wirkungs-Beziehungen und eignet sich gut für die Umsetzung des Prinzips der "reduzierten Gemeinschaften". Sie ermöglicht die Identifizierung charakteristischer Reaktionsmuster von mikrobiellen Bodengemeinschaften als Reaktion auf verschiedene wasserlösliche Polymere oder Polymerpartikel und die Klassifizierung mikrobieller Gemeinschaften verschiedener Böden. Mit dieser Strategie könnten 84 Isolate aus den Polymer-Experimenten und 20 Isolate aus den PMMA-Polymerpartikel-Experimenten gewonnen werden, wobei die meisten Isolate zu den Phyla Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes gehörten. Anschließende wurden 8 Isolate, darunter Achromobacter spanius, Advenella kashmirensis, Pseudarthrobacter siccitolerans und Priestia aryabhattai ausgewählt, um eine phänotypische Charakterisierung gegen synthetische Polymere mittels Mikrofluidtechnik durchzuführen. Durch hochauflösendes Dosis-Wirkungsscreening konnte gezeigt werden, dass Achromobacter spanius das Potential zum Abbau von PVP, PEG und PAM besitzt. Das Einzelwirkungsscreening der Co-Kultur von Pseudarthrobacter siccitolerans und Priestia aryabhattai gegen PVP zeigte, dass PVP in Co-kultivierten mikrofluidischen Kulturen schneller abgebaut wurde als in Einzelkultur. Das Einzelwirkungsscreening von Pseudarthrobacter siccitolerans gegen PMMA-Partikel zeigte, dass PMMA-Partikel als Kohlenstoffquelle eingesetzt werden können. Ein Kombinationswirkungsscreening von Advenella kashmirensis gegen binäre Gemische aus PEG und PVP zeigte eine stärkere Autofluoreszenz als beim Screening gegenüber den Einzelsubstanzen.

Musfira, Nadhrah;
Characterization of microfluidic devices for the generation of multidimensional concentration space and for the investigation of growth of cyanobacteria. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Meyne, Lucas;
Entwicklung eines mikrofluidischen Systems für das seedbasierte, anisotrope Wachstum von Silbernanoprismen. - Ilmenau. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Ziel der Masterarbeit war die Entwicklung eines mikrofluidischen Systems zur optimierten Synthese von Silber-Nanoprismen. Optimiert werden sollte die Reproduzierbarkeit sowie die Prismenausbeute. Als Basis diente die Batchsynthese nach Aherne 2008, sowie die mikrofluidische Seedsynthese von Thiele 2013. Es stand eine Vielzahl mikrofluidischer Systemkomponenten zur Verfügung, wobei die Aufgabe in der Auswahl und Anordnung sowie der Prozessführung des Systems bestand. Im Verlauf der Masterarbeit wurden mehrere mikrofluidische Systeme getestet, um eine optimale Methode für den Wachstumsschritt der Prismensynthese zu erzielen. Dabei wurden Referenzen synthetisiert, ein Basiskonzept erstellt und die einzelnen Parameter überprüft. Das Synthesekonzept durchlief verschiedene Optimierungsschritte. Zuerst wurde ein einfaches Ein-Mischer-System (4.3 - S. 25) mit zwei Edukteingängen getestet. Ascorbinsäure, Wasser und Seeds wurden in der Versuchsvorbereitung gemischt und über einen Dean-Flow-Mischer mit Silbernitrat versetzt. Das anschließende Wachstum fand im segmentierten Fluss mit Tetradecan statt. Aufgrund der geringen Intensität der Produkte wurde ein zusätzlicher Edukteingang durch einen weiteren Dean-Flow-Mischer angelegt. In dem Zwei-Mischer-System (4.4 - S. 27) wurden die Edukte Ascorbinsäure, Seeds und Silbernitrat über getrennte Spritzen dosiert. Die 5 ml Wasser wurden in der Versuchsvorbereitung auf die Edukte aufgeteilt. Mit diesem System konnte die Intensität der Prismen im UV-Vis Spektrometer gesteigert werden. Jedoch war die Prismenausbeute noch nicht optimal. Daher wurden der Einfluss der Ascorbinsäurekonzentration sowie des Tetradecans auf das Wachstum untersucht. Die Auswertung ergab, dass die Parameter diesbezüglich zufriedenstellend eingestellt waren. Eine Untersuchung der Eduktstabilität ergab, dass durch die Verdünnung der Seeds deren Stabilität beeinträchtigt wurde. Eine Änderung des Versuchsablaufs mit unverdünnten Seeds ergab jedoch nur eine geringfügige Verbesserung. Daher wurde ein neue Systemaufbau geplant. Das nachfolgende System umfasste 4 Mischer (4.5 - S. 36). Jedes Edukt wurde über eine einzelne Spritzen dosiert. Um die großen Volumenstromunterschiede auszugleichen wurde der Wasserstrom durch ein T-Stück aufgeteilt, sodass die Verdünnung in zwei Stufen erfolgte. Neben einem Split&Recombine Mischer, für die Mischung der Ascorbinsäure und Seeds bei geringen Flussraten, wurden drei Dean-Flow-Mischer für die stufenweise Verdünnung und die Mischung mit Silbernitrat verwendet. Das Wachstum fand im segmentierten Fluss mit Tetradecan statt. Über eine Kinetikmessung konnte ermittelt werden, dass nach 3,2 Minuten ˜87 % der maximalen Extinktion erreicht wurden. Das Wachstum war nach 11,2 Minuten vollständig abgeschlossen. Im anschließenden Versuch wurden die Parameter des segmentierten Flusses (SF) hin zu einer stabileren Segmentbildung überarbeitet. Durch Variation der Flussraten wurde eine optimierte Prismenausbeute bei höheren Flussraten festgestellt. Jedoch stand dies im Gegensatz zu einer möglichst langen Verweilzeit und einem stabilen segmentierten Fluss. Als Alternative zum SF wurde eine 96-Well-Platte zur räumlichen Trennung der Reaktionssegmente ohne Tetradecan genutzt. Hierbei ist die Verweilzeit unabhängig vom Produktvolumenstrom und kann beliebig erweitert werden. Um eine Oxidation der Prismen durch Sauerstoff zu minimieren wurde die 96-Well-Platte vor der Synthese mit Argon geflutet und nach der Synthese mit einem Deckel abgedeckt. Es zeigte sich, dass hiermit eine Prismensynthese bei einer hohen Produktflussrate in Kombination mit einer langen Verweilzeit möglich ist. Anschließend wurde der Einfluss der mikrofluidischen Mischer und Verweilschlaufen untersucht. Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit wurde die Wasserteilung entfernt. Zudem konnte bei kritischer Hinterfragung ein positiver Einfluss der Eduktverweilschleife nicht festgestellt werden. Im Folgenden wurde auch diese ausgebaut. Das so entstandene Drei-Mischer-System (4.6 - S. 43) stellt das Endkonzept für das Prismenwachstum dar. Es besteht aus einem S&R-Mischer für die Mischung der Ascorbinsäure mit den Seeds. Anschließend erfolgt eine Verdünnung mit Wasser und daraufhin die Zugabe von Silbernitrat in jeweils einem DF-Mischer. Das Wachstum findet in einer mit Argon gefluteten 96-Well-Platte statt. Die letzten zwei Versuchsreihen dienten der Überprüfung der Reproduzierbarkeit sowie der Größeneinstellbarkeit. Es wurde die Prismenausbeute und die Größenverteilung ermittelt. Die Übereinstimmung zweier Proben bei identischen Syntheseparametern konnte durch die mikrofluidische Synthese sichtbar verbessert werden. Die rechnerische Auswertung der Halbwertsbreite ergab eine deutliche Optimierung der Größenverteilung, sodass die Peakbreite jeder mikrofluidischen Probe geringer ausfiel als die Peakbreite der optimierten (computergesteuerten) Batchproben. Der Vergleich mit weiteren, normalen Batchreferenzen bestätigte dies, wobei die Unterschiede noch deutlicher ausfielen. Kritisch betrachtet ist das wichtigste Maß der Synthesequalität die Prismenausbeute. Bei einem Seedvolumen von 120 [my]l konnte nur eine kleinere Verbesserung der mikrofluidischen Prismenausbeute ([my] = Ø 36 % gegenüber b = Ø 33 %) festgestellt werden. Bei einem Seedvolumen von 60 [my]l beträgt die mikrofluidische Prismenausbeute 64 % und zeigt somit eine deutlichere Verbesserung gegenüber der Batchreferenzsynthese mit 51 %. Prismenausbeute.

Zheng, Xuejiao;
Polymernanopartikel mit funktionalisierter großer Oberfläche zum Aufbau von Kompositpartikeln für Anwendungen in der Sensorik und Katalyse. - Ilmenau. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Diese Masterarbeit befasst sich mit der Synthese von Polymerpartikeln mit einer möglichst großen Oberfläche unter Verwendung einer tropfenbasierten Mikrofluidtechnik. Darüber hinaus wird die Änderung des Zeta-Potentials der Polymerpartikel durch ionische Monomere und polyionische Makromoleküle sowie die Assemblierung der Polymerpartikel mit Metallnanopartikeln durch elektrostatische Wechselwirkungen untersucht. Von diesen Komposit-Partikeln wird erwartet, dass sie eine Signalverstärkung für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) erzielen können. Die Polymerpartikel wurden in einem Mehrphasensystem synthetisiert. In der organischen Phase wurden Monomere - Divinylbenzol(DVB) oder Methacrylsäuremethylester(MMA), thermische Initiatoren - Azobis(isobutyronitril) AIBN oder Kaliumperoxodisulfat (KPS) in Toluol zugegeben. In der wässrigen Phase wurden verschiedene Tenside wie Span20, Brij52, SDS oder Polyelektrolyte wie Natrium-Polystyrensulfonat (PSS), Polydiallyldimethylammoniumchlorid (PolyDADMAC) eingesetzt. Es konnte festgestellt werden, dass die Morphologie und die Größe der Oberfläche der Polymerpartikel von vielen Parametern, wie unterschiedlichen Tenside, Durchflussratenverhältnissen der wässrigen Phase und organischen Phase, Massenverhältnissen innerhalb der organischen Phase sowie Reaktionstemperatur und zeit, beeinflusst werden. Mit der Zugabe der polyionischen Makromoleküle PolyDADMAC oder PSS kann das Zeta-Potential der Partikel gezielt geändert werden. Zusammen mit der vergrößerten Oberfläche eignen sich die Polymerpartikel dazu, Metallnanopartikel durch elektrostatische Wechselwirkungen anzulagern.

Frey, Henning;
Entwicklung und Optimierung einer Methode zur HPLC-gekoppelten Size-Exclusion Chromatographie zur Untersuchung von Antikörperaggregaten sowie mit Peroxidase markierten Antikörpern. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Ziel der Bachelorarbeit war es eine möglichst universell anwendbare Methode zur Qualitätskontrolle von Antikörpern und auf antikörperbasierenden Produkten, insbesondere perxodasemarkierte Antikörper, mittels HPLC-gekoppelter Größenausschlusschromatographie zu entwickeln. Hierzu wurden zunächst allgemeine Versuchsparameter, wie z.B. Laufpufferzusammensetzung und Flussgeschwindigkeit, untersucht. Anwendung fand die entwickelte Methode letzten Endes bei der Überprüfung, ob die Peroxidasemarkierung eines a-MRP14 Antikörpers vollständig abgelaufen ist, was durch Spiken einer Lösung, welche peroxidasemarkierte Antikörper enthält, mit unmarkiertem Antikörper simuliert wurde. Hier zeigt sich ein durchaus geeignetes Anwendungsgebiet der Methode, was sich anhand der geringen nachweisbaren Mengen von unmarkiertem Antikörper zeigen lässt. Ein weiteres Anwendungsgebiet war die Untersuchung der Stabilität von FP72 Antikörpern in unterschiedlichen Matrizes, wobei, aller Wahrscheinlichkeit nach, aufgrund der bereits stark aggregierten Antikörper Ergebnisse erzielt wurden, welche gängigen Theorien, zumindest zum Teil, widersprechen.

Conradi, Philipp;
Entwicklung digital mikrofluidischer Assays für die Identifizierung Biopolymer-verwertender Mikroorganismen und mikrobieller Konsortien am Beispiel des Biopolymers Pektin. - Ilmenau. - 59, 32 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018

Die vorliegende Bachelorthesis beschäftigt sich mit der Entwicklung, Erprobung und Analyse von mikrofluidischer Assays für die Identifizierung von sich bildender mikrobieller Konsortien unter nährstofflimitierenden Bedingungen. Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung dieser Konsortien in den generierten Tropfen. Dazu wurden Pektinverwertende Organismen aus einer Bodenprobe isoliert und unter mikrofluidischen Bedingungen kultiviert. Um eine Konsortienbildung zu garantieren, wurden die isolierten Hefestämme in eine Co-Kultivierung mit einem Zusatz der in der Bodenprobe enthaltenen Mikroorganismen gebracht. Die Hefezellen degradieren das Pektin und versorgen so innerhalb des Tropfens die in der Erdprobe befindlichen Mikroorgansimen mit einer minimalen kontinuierlichen Zufuhr an Nährstoffen. Durch das geringe Nährstoffangebot wird gleichzeitig eine Überprofilierung einzelner, schnell wachsender Spezies unterdrückt. Das Ergebnis dieser Arbeit bestätigt, dass eine Co-Kultivierung und damit verbundener mikrobieller Konsortienbildung möglich und diese optisch auswertbar ist.

Lian, Qilin;
Untersuchung zum Einfluss der Materialsteifigkeit und biochemischen Komposition von Scaffolds auf die Differenzierung von o-MSC in 3D-Zellkulturen. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Biomaterialien werden zunehmend im medizinischen Bereich eingesetzt. Die Entwicklung neuer, optimierter Biomaterialien ist daher sehr wichtig. Oberflächeneigenschaften, Steifigkeit und Struktur des Biomaterials spielen eine wichtige Rolle bei der Adhäsion, dem Wachstum, der Proliferation und der Differenzierung der Zellen. Durch Ändern der Oberflächeneigenschaften, z.B. Die Steifigkeit und die Struktur, kann dieser Effekt erhöht oder verringert werden. In dieser Arbeit wurde die Biokompatibilität eines Materials (LCM) in verschiedenen Formen (Rund- und Gerüstbau) und mit unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen durchgeführt. Die Oberflächeneigenschaften wurden durch die Benetzbarkeit und Oberflächenladung sowie die Bestimmung der Steifigkeit durch die Lockerung eines Feststoffs charakterisiert. Die Untersuchung der physikochemischen Einflüsse von Biomaterialien auf das Zellverhalten wurde durch mehrere Verfahren durchgeführt, z.B. Zellzahlbestimmung, Mikroskopie (CLSM) und qualitative Kollagen- und Kalziumbestimmung. Diese Methoden wurden verwendet, um das Wachstum, die Adhäsion und die Differenzierung von Stammzellen (o-MSCs) zu untersuchen. Der Einfluss des Materials zeigte deutlich, dass steifer Material für die Ausbreitung der o-MSC gut war. Die Oberflächenladungen zwischen Material und Kollagen unterscheiden sich kaum, aber der Grund für diesen Effekt ist nicht bekannt. Es wurde durch die Zellzahlbestimmung gezeigt, dass eine Kollagenbeschichtung die beste Oberflächenmodifikation des LCM3-Materials war. Die Kollagenbeschichtung hatte den Einfluss des Materials kompensiert und die Wachstumsrate der o-MSC erhöht. Es konnte auch gezeigt werden, dass die 3D-Struktur des Materials einen ähnlichen Einfluss auf das Zellverhalten hatte. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass Gerüste und Kollagen in vitro für o-MSC gut geeignet sind. Diese Schlussfolgerung könnte auch durch die visualisierten Bilder (CLSM) bestätigt werden. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur Zelldifferenzierung durchgeführt. Der Einfluss von Beschichtung und Steifigkeit auf die Genexpression von Zellen variierte in den verschiedenen Strukturen. In der 2D-Struktur beeinflusste die Kollagenbeschichtung die Zelldifferenzierung nicht und das weiche Material verlangsamte die Zelldifferenzierung. Bei der Kultivierung in der 3D-Struktur unterstützten sowohl die Kollagenbeschichtung als auch das weiche Material die Differenzierung. Die Zelldifferenzierung in Kombination mit der Zellproliferation zeigte, dass 3D-Gerüste sowie eine Kollagenbeschichtung optimale Bedingungen für das Zellverhalten zeigten. Für eine statistische Sicherung der in den Genexpressionsstudien gefundenen Trends sind weitere Untersuchungen mit wesentlich höheren Probenzahlen erforderlich. Eine weitere wünschenswerte Studie ist die quantitative Analyse der Kalzium- und Kollagenproduktion. Die Methoden, die in dieser Arbeit verwendet wurden, waren nur für eine qualitative Bewertung geeignet, für die quantitative Analyse waren die Mengen an mineralisiertem Calcium und Kollagen zu niedrig. Die dynamische Kultivierung, die ähnliche Bedingungen wie in der biomimetischen Umgebung von Zellen hat, könnte in der künftigen Arbeit durchgeführt werden. Da die 3D-Struktur analog zu natürlichem Gewebe ist, haben Designer-Gerüste ein hohes Potenzial für die Etablierung im Tissue Engineering, z.B. Um ein beschädigtes Gewebe- oder Gewebedefekt ohne Spenderorgane zu ersetzen oder zu regenerieren. In dieser Arbeit wurden knochenzellfreundliche Materialien (LCM) verwendet. Sie eignen sich hervorragend für Knochengewebetechnik. Gerüste sind auch kostspielig und zeitaufwändig wegen ihres schwierigen Herstellungsprozesses. Die 2D-Struktur hat daher auch ihre Vorteile. Die Messung der Wechselwirkung zwischen Zellen und Materialien ist sinnvoll in der 2D-Struktur zu bestimmen, da der Zellkontakt mit Materialien sehr groß ist. Wenn die Materialien Drogen enthalten, könnte das Medikament die Zielzellen effektiv beeinflussen. LCM-Gerüste können speziell für die entsprechenden Anwendungen und Bedingungen im Tissue Engineering mit der 2PP-Technologie und der präsentierten LCM-Plattform entwickelt werden. TPMS sorgen für ein hohes Flächen-zu-Volumen-Verhältnis und keine Totvolumina. Im Vergleich zu anderen Anwendungen ist das LCM3-Gerüst ideal für die Zellproliferation. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die These, dass LCMs für den Einsatz im Tissue Engineering sehr geeignet sind, bestätigt werden kann. Gerüste können im Körper (in vivo Tissue Engineering) sowie im Labor (in vitro Tissue Engineering) aufgrund ihrer 3D-Struktur erfolgreich eingesetzt werden.

Schmidt, Daniel;
Organisch-chemische Synthesestudien in der Mikrofluidik und im Batch. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Die Masterarbeit befasst sich mit dem Einsatz der Mikrofluidik für organisch-chemische Synthesen. Es wurde im besonderen Maße auf eine nachhaltige Produktbildung Wert gelegt ("Green Chemistry"). Dies beinhaltete den Einsatz möglichst geringer Lösungsmittel- und Eduktmengen, sowie die Nutzung vorwiegend wässriger Komponenten während der Synthese. Zwei der drei Synthesen waren "Bulk"-Chemikalien, also Stoffe, deren Einsatzmöglichkeiten den pharmazeutischen, kosmetischen oder Agrochemikalienbereich abdecken. Der Hintergrund der Synthese eines Azofarbstoffes lag in dessen besonderer Eigenschaft der cis-trans-Isomerie begründet. Durch diese ist es möglich, die Konfiguration und die Eigenschaften des Moleküls zu ändern, so dass es als photoschaltbares Oberflächenmolekül die Benetzungseigenschaften auf Oberflächen in Anwesenheit von UV- oder sichtbarem Licht zu ändern vermag. Für diese Synthese wurden neben den herkömmlichen analytischen Methoden (HPLC, GC-MS) auch zwei speziell für die mikrofluidischen Module integrierte "On-Line" Detektionsplattformen verwendet, die photometrische und mikrowellensensorische Methoden beinhalteten. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Synthese des Styrolderivats 1,2-Dichlorethylbenzol aus Styrol mit dem Oxidationsmittel Oxone® (KHSO5 &hahog; KHSO4 &hahog; K2SO4) und NaCl bzw. NH4Cl als Chlorquelle (wässrige Phase) die mikrofluidische Plattform gegenüber der Batch-Synthese, bei bestimmten Synthesebedingungen höhere Produktumsatzraten erzielte. Solche Phasentransferreaktionen, bei der eine Reaktionskomponente von einer in eine andere Phase durch Diffusion überführt wird, lässt sich auch sehr gut auf die Synthese von Azofarbstoffen übertragen. Der zweistufige Synthesemechanismus beruht auf der Mills-Reaktion, bei der zunächst durch die Oxidation eine aromatische Amino- in eine Nitroso-Komponente überführt wird. Anschließend erfolgt eine Kondensationsreaktion zwischen dem Nitroso-Aromat und einem Anilin zum entsprechenden Azofarbstoff. Zur Analyse der jeweiligen Produkte standen sowohl ein HPLC als auch ein Standard UV-VIS-Spektrometer zur Verfügung. Ergänzt wurden die Methoden durch externe GC-MS Messungen und einer im Institut für Bioprozess- und Analysemesstechnik (iba e.V. Heiligenstadt) entwickelten mikrofluidischen Photometerkammer für Absorptionsmessungen im UV-VIS- Bereich. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit umfasste erste Voruntersuchungen für eine chemo-enzymatische Synthese. Diese bezogen sich auf das Verhalten des Enzyms der Alkohol Dehydrogenase aus dem Organismus Lactobacillus Kefir (LK-ADH) in verschiedenen Lösungsmitteln (Rapsöl, Butylacetat, Ethylacetat und Methyl-tert-butylether), die für die Synthese eingesetzt werden sollten. Letztendlich konnten zwei der Lösungsmittel (Butylacetat und Ethylacetat) für die Synthese verwendet werden und zeigten erste positive Ergebnisse.

Bahner, Nicole;
Charakterisierung eines Aptamer-basierten Biosensors für die Detektion von Doxorubicin mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Die Kontamination des Trink- und Grundwassers mit Medikamentenrückständen stellt ein zunehmend auftretendes Umweltproblem dar, sodass das Monitoring der Gewässerbelastung zukünftig eine bedeutendere Rolle spielt. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein Aptamer-basierter Biosensor (Aptasensor) für die Detektion des Anthracyclins Doxorubicin entwickelt. Hierzu wurde eine mikrofluidische Messkammer mit einer Drei-Elektroden-Anordnung aufgebaut und charakterisiert. Das Daunorubicin-Aptamer konnte erfolgreich immobilisiert werden und es wurde eine Belegungsdichte von 1,3*10+13 ± 2,4*10+12 DNA-Moleküle/cm^2 erreicht. Die Bindung des Doxorubicin als auch die von Daunorubicin an das auf eine Goldoberfläche immobilisierte Aptamer konnte mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie erfolgreich detektiert werden. Aufgrund der hohen Sensitivität konnte eine Dissoziationskonstante KD von 64 nM und eine Nachweisgrenze LoD von 28,3 nM bestimmt werden. Dass es sich hierbei nicht um unspezifische Bindungen handelt, wurde anhand von Negativkontrollen überprüft. Die Signale der unspezifischen Bindungen lagen deutlich unter denen der spezifischen Bindungen. Im Hinblick auf die gezielte Verwendung des Aptasensors im Bereich des Gewässermonitorings wurde auch die Detektion von Doxorubicin in Realproben untersucht. Gespikte Flusswasserproben konnten jedoch bisher nicht signifikant von reinen Flusswasserproben unterschieden werden. Dies lag vermutlich an einer Konkurrenzreaktion zwischen Fremdionen bzw. -molekülen und Doxorubicin mit dem DRN-Aptamer. Weiterhin wurde untersucht, inwieweit die Aptamer-Target-Bindung regenerierbar ist. Eine Regenerierung der Bindung mittels Hitze-Denaturierung kann anhand der gewonnenen Ergebnisse ausgeschlossen werden. In weiterführenden Arbeiten sollten weitere Methoden für die Regenerierung der Bindung untersucht werden. Schlussfolgernd konnte erfolgreich ein Aptasensor zur impedimetrischen Detektion von Doxorubicin und Daunorubcin im mittleren nanomolaren Bereich entwickelt werden. Für die praktische Anwendung sind weitere Untersuchungen notwendig. Das hohe Potenzial der Aptasensoren ist durch das fehlende Verständnis für die Aptamer-Target-Bindung begrenzt. Durch weitere Grundlagenforschung kann das Design der Aptasensoren den Bedürfnissen der Detektionsmechanismen angepasst werden.

Walther, Oliver;
Elektrokoaleszenz von nl-Tropfen in einem mikrofluidischen Lab-on-a-Chip Bauelement. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016

Im Fachbereich der tropfenbasierten Mikrofluidik sind Elektrokoaleszenzvorgänge eine der vielversprechendsten Wege der Einflussnahme auf das Verhalten des mikrofluidischen Systems Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz vor, mit dem in einem bestehenden mikrofluidischen System Elektrokoaleszenzvorgänge kontrolliert, reproduzierbar und zuverlässig eingeleitet und durchgeführt werden können. Hierzu werden flache Elektroden an der Außenseite des Systems in einer bestimmten Art und Weise angebracht. Auf Grund einer angelegten Spannung wirkt das elektrische Feld (gepulstes DC) auf das Innere des Kanals und löst dort die Verschmelzung von Tropfen aus. Die Elektroden stehen dabei nicht in direktem Kontakt mit den verwendeten Fluiden. Auf Grund der Vielzahl biologischer und medizinischer Anwendungen im Rahmen der Mikrofluidik ist es von besonderem Interesse, in wieweit sich die Zusammensetzung verschiedener wässriger Lösungen auf das Koaleszenzverhalten auswirkt. Die wässrige Phase wird daher in Ionenstärke, pH-Wert und Viskosität variiert und deren Einfluss untersucht. Dabei wird beobachtet, dass diese Größen über einen weiten Bereich verändert werden können, ohne dass sich dies bemerkbar auf das Koaleszenzverhalten auswirkt. Lediglich bei einem stark alkalischen Milieu der Lösung bei niedrigeren Spannungen von unter 450 V zeigt sich eine Verschlechterung der Koaleszenz. Diesem Effekt kann mit einer Erhöhung der Spannung entgegengewirkt werden. Allgemein konnte mit allen untersuchten Lösungen bei einer Arbeitsspannung von 450 V eine Koaleszenzrate von über 90 %, mit höheren Spannungen von 100 % erzielt werden. Darüber wird ein automatisiertes Verfahren vorgestellt, welches eine Anpassung der Elektrokoaleszenz an verschiedenen Flussraten erlaubt. Hiermit ist es möglich eine Vielzahl an Segmenten (im Mittel wurden 1600 getestet) kontrolliert, reproduzierbar, zuverlässig und voll automatisiert zu verschmelzen. Eine numerische Simulation ergänzt die experimentellen Betrachtungen. Schlagwörter: Elektrokoaleszenz, Lab-on-a-Chip, tropfenbasierte Mikrofluidik

Drosten, Johannes;
Etablierung eines Niederdruckplasma-Verfahrens zur langzeitstabilen Hydrophobisierung von Polymer-Mikrofluid-Systemen sowie fluidische Untersuchung der Systeme für Life Science Applikationen. - 124 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015

Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine langzeitstabile, hydrophobe Beschichtung für den segmentierten Fluss in Polykarbonat-Chipsystemen zu erzeugen. Hierfür wird in einem Niederdruckplasma aus dem Präkursorgas Oktafluorocyclobutan ein transparentes Plasmapolymer mit PTFE-ähnlichen Eigenschaften generiert. Der Einfluss verschiedener Parameter bei der Polymerisation auf die entstehende Beschichtung wird untersucht und die Beschichtungen charakterisiert. Anhand festgelegter Mindestanforderungen wird die Funktion der Beschichtung nachgewiesen und ihre Vorteile sowie ihre Schwachpunkte herausgearbeitet.

Soh, Joanne Zi En;
Microsegmented flow-through synthesis of gold nanocubes. - 41 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014

Goldnanopartikel weisen einzigartige Eigenschaften auf, welche sie für ein großes Spektrum möglicher Anwendungen prädestinierten. Sie finden beispielsweise bereits als funktionelle Bestandteile in Sensoren, elektronischen Schaltungen oder in der heterogenen Katalyse Anwendung in verschiedenen Gebieten der Nanotechnologie. In dieser Arbeit wird ein segmentbasiertes Mikrodurchflussverfahren zur Herstellung einkristalliner Goldnanokuben als vorteilhafte Methode zur Syntheseführung, verglichen mit konventionellen Batch-Ansätzen, vorgestellt. Das Herstellungsverfahren basiert auf der nass-chemischen Reduktion von Au3+-Ionen aus Tetrachlorogoldsäure in Gegenwart des Ligands CTAC (Cetyltrimethylammoniumchlorid) und erfordert drei Syntheseschritte. Zunächst werden in einem Mikrodurchflussprozess seed-Partikel synthetisiert. Im Folgenden werden diese seed-Partikel in einem ersten Wachstumsschritt, welcher ebenfalls im segmentbasierten Mikrodurchflussverfahren ausgeführt wird, vergrößert. Das abschließende Wachstum im dritten Syntheseschritt erfolgt im klassischen Laborgefäß. Die kolloidalen Lösungen der Au-seed-Nanopartikel und der Au-Nanokuben wurden mithilfe differentieller zentrifugaler Sedimentationsspektroskopie (DCS), UV-Vis-Spektralphotometrie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die aus den Experimenten erhaltenen Nanopartikel zeigten homogene Ensembleeigenschaften ohne Hinweise auf mögliche Aggregation. Die mikrofluidisch hergestellten Gold-seed-Nanopartikel hatten einen mittleren Teilchendurchmesser von 2,6 nm mit einer Halbwertsbreite der Größenverteilung von 1,5 nm. Aus diesen seed-Nanopartikeln konnten Goldnanokuben mit, im Bereich zwischen 50 und 80 nm, einstellbaren Kantenlängen, bei jeweils schmalen Teilchengrößenverteilungen und hoher Ausbeute an gewünschter Form, hergestellt werden. Es wurde weiterhin gefunden, dass die Wachstumszeit der Partikel im letzten Syntheseschritt einen großen Einfluss auf die Partikelform hat. Ein Zeitintervall von 8 Minuten war ausreichend zur Ausbildung der gewünschten kubischen Form. Mit Hilfe der Mikroreaktionstechnik gelang die reproduzierbare Herstellung homogener Nanopartikel mit schmalen Teilchengrößenverteilungen. Entsprechend der Analysedaten kann geschlussfolgert werden, dass die Synthesemethode unter Anwendung des Prinzips des mikrosegmentierten Flusses dazu verhalf, die Produktqualität aufgrund vorteilhafter Mischbedingungen durch die segmentinterne Konvektion und damit einhergehenden kürzeren Nukleationsintervallen, zu verbessern.

Wünsche, Erik;
Immobilisierung von Silbernanopartikel an AFM-Spitzen im elektrischen Wechselfeld für die spitzenverstärkte Ramanspektroskopie (TERS). - 92 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014

Die Herstellung von neuartigen Sonden für die spitzenverstärkte Ramanspektroskopie (TERS) ist in der Tat immer noch eine herausfordernde Aufgabe. Ein Grund dafür sind unter anderem die wenigen Methoden, welche im Moment angewendet werden und damit einhergehend die Reproduzierbarkeit der Spitzenherstellung, sowie die Kosten, als auch die hohen Geräte abhängigen Voraussetzungen. Diese Arbeit zeigt einen neuen und leichten Weg auf, wie kommerzielle Silbernanopartikel im elektrischen Wechselfeld in Lösung immobilisiert werden können, indem eine AFM-Spitze als Elektrode verwendet wird. Dieser Umstand führt zur Ausbildung eines inhomogenen elektrischen Feldes zwischen der AFM-Spitze und einer planaren Gegenelektrode, welche im Besonderen die dielektrophoretische Kraft begünstigt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass in Abhängigkeit der Frequenz, aber auch in Abhängigkeit eines DC-überlagerten Feldes, andere Kräfte zu unterschiedlichen Bedeckungsarten der Spitzen führen, wie ein elektrochemisches Partikelwachstum oder eine elektrophoretische Anlagerung. Eine Motivation dieser Arbeit besteht darin, die Spitzenbedeckung auf nur wenige Partikel exakt am Apex der Spitze zu reduzieren. Dies kann erreicht werden, indem das elektrische Feld über die Spannung oder den Elektrodenabstand verändert wird, oder über die Präparationsdauer. Es wird gezeigt, dass dieses Ziel sehr schwer erreichbar ist und basiert wohl auf Problemen der Partikel-Apex Bindung und ist unmöglich zu erreichen, sofern die Bedeckungsart von Natur aus homogen durch Partikelwachstum ist. Trotz allem kann gezeigt werden, dass dichte homogen bedeckte AFM-Spitzen ohne Probleme als TERS-Sonden benutzt werden können.

Rickmeyer, Christiane;
Optimierung des GSH-Chemoassays zur Analyse der Peptidreaktivität organischer Elektrophile mit der HPLC-MS/MS. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014

Gegenstand dieser Arbeit ist es, den photometrischen GSH-Chemoassay nach Böhme et al zur Analyse von Peptidreaktivitäten organischer Elektrophiler mithilfe der HPLC-MS/MS zu optimieren. Dazu wurde zunächst Glutathion quantifiziert und fragmentiert und mit einer entwickelten LC-MS/MS-Methode kombiniert. Mit dieser Methode wurden für verschiedene GSH-Keton-Verhältnisse Adduktprofile aufgenommen und zu Erstellung von Strukturvorschlägen eine Fragmentierung der GSH-Keton-Addukte vorgenommen. Weiterhin konnten erfolgreich Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten mit der HPLC-MS/MS für die fünf untersuchten Ketone bestimmt werden.

Schmehling, Daniela;
Charakterisierung und Optimierung eines miniaturisierten Testverfahrens und -systems zur Viruslastbestimmung am Modellsystem HI-Virus aus humanem Blutplasma. - 112 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Durchführung einer Machbarkeitsstudie für Nukleinsäureamplifikationstests (NAT) am Ort des Geschehens (Point-of-Care) anhand einer HI-Viruslastbestimmung aus humanem Blutplasma. Hintergrund ist die dezentrale Bestimmung der Viruslast aus 1 ml Blutplasma über eine Einwegkartuschen basierte Diagnostik-Plattform (Alere Q HIV ). Diese Einwegkartusche wurde von Alere Technologies GmbH entwickelt, um dem internationalen Standard für HIV-NAT gerecht zu werden. Ziel dieser Arbeit war sowohl die Charakterisierung und Optimierung der bestehenden Kartusche als auch die Durchführung eines kompletten Nukleinsäuretests innerhalb der Kartusche zu zeigen. In der Einwegkartusche wurden zwei Varianten zur Probeaufnahme integriert und charakterisiert, eine direkte Befüllung der Kartusche über eine Pipette und eine indirekte, automatisierte Befüllung aus einem zuvor zentrifugierten Blutentnahmeröhrchen. Die Steuerung hierfür wurde über eine skriptbasierte Software für die Diagnosestation programmiert und optimiert. Die Isolation der Ziel RNA erfolgte in der Einwegkartusche mittels eines druckluftgesteuerten, fluidischen Ablaufs. Zum Schutz der Druckluftwege in der Einwegkartusche wurde ein Membranbauteil entwickelt und untersucht, welches aus einer hydrophoben Membran aus Acryl-Copolymer auf Polyamid und einem Trägerring aus Polypropylen (PP) besteht. Im fluidischen Prozess wurden verschiedene Abläufe, insbesondere die thermische Lyse, an das Flüssigkeitsvolumen angepasst. Über eine Echtzeit Amplifikationsreaktion konnte anschließend ein Prinzipnachweis der Quantifizierung über eine kompetitive Wechselwirkung von Reportermolekülen mit auf einem Array immobilisierten Sonden (CMA) erbracht werden. Dafür wurden die Ergebnisse von 30 Einwegkartuschen ausgewertet. Mit dieser Arbeit konnte die Machbarkeit mittels einer Einwegkartusche die HI-Viruslast in 1 ml Blutplasma zu quantifizieren, demonstriert werden. Bei der Optimierung zeigte sich, dass es sinnvoll ist für jede Probenaufnahme eine separate, spezifische Einwegkartusche zu verwenden.

Lenke, Steffen;
Entwicklung eines kompakten Messaufbaus und -verfahrens für die Ermittlung von Dosis/Wirkungs-Funktionen an schwermetall-toleranten Bakterien in Mikrofluidsegmenten mittels SERS-Charakterisierung. - 140 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013

In der vorliegenden Masterarbeit wurden nach Validierung des vorhandenen Raman-Kompaktaufbaus der Firma Raman Systems Inc. Änderungen und Modifikationen vorgenommen, um diesen für Raman- und SERS-Messungen im segmentierten Fluss zu optimieren. Ziel sollte es sein, von Mikroorganismen gebildete Sekundärmetabolite, wie z.B. Antibiotika, aufgrund von effektorspezifischen Konzentrationsänderung im SERS-Spektrum zu detektieren und im Idealfall zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden für den SERS-Effekt benötigte Polyacrylamid-Sensorpartikel in verschiedenen Größen hergestellt und sowohl innen als auch außen mit Silber verstärkt. Es wurde eine ideale Silberkonzentration ermittelt, welche den SERS-Verstärkungseffekt maximiert und somit bestmögliche Signale liefert. Es konnten unter anderem SERS-Spektren von Modellanalyten, Zellen, sowie Antibiotika aufgenommen und die minimal mit diesem Aufbau möglichen Detektionsschwellen ermittelt werden. Nach mehreren Optimierungen des Kompaktaufbaus war es anschließend möglich, Raman-Signale im segmentierten Fluss aufzunehmen. Während Testmessungen die problemlose Trennung von Analyt- und Trägerphase sowie die Durchführbarkeit eines Konzentrationsgradienten im segmentierten Fluss aufzeigten, war die Applizierung der silberverstärkten Sensorpartikel in den mikrofluidischen Aufbau nicht möglich, da aufgrund von Sedimentation und Aggregation der Partikel innerhalb der Spritze sowie im Schlauchsystem selbst, keine reproduzierbare Möglichkeit der Messung von SERS-Spektren offenlegte. Weiterhin wurden die Anforderungen an ein neues Raman-Kompaktsystem aufgezeigt und mit aktuell verfügbaren Kompaktsystemen verglichen, wodurch die hier durchgeführten Messergebnisse verbessert und eventuell einige der aufgetretenen Probleme gelöst werden könnten. Alle der hier aufgezeigten und durchgeführten Verbesserungen und Modifikationen lassen sich problemlos auf ein neues Raman-Kompaktsystem übertragen und sorgen damit für eine allgemeine Optimierungsmöglichkeit von handelsüblichen Raman-Kompaktgeräten, um diese für spezielle Aufgaben im mikrofluidischem Forschungsbereich zu etablieren.

Jin, Jing;
Automatisierung magnetpartikelbasierter Immunoassays auf zentrifugal-mikrofluidischem Lab-on-a-Chip System. - 115 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Automatisierung magnetpartikelbasierter Immunoassays zum Nachweis von Sepsis bei Neugeborenen auf einem zentrifugal-mikrofluidischen Lab-on-a-Chip System. Ausgangspunkt war ein bestehender magnetpartikelbasierter CRP Assay, der manuell auf einer 96-Wells-Mikrotiterplatte etabliert wurde. Zur Realisierung der Automatisierung wurde in den Vorarbeiten am IMTEK bereits eine Foliendisk (ELISA-Disk I) hergestellt, auf der jedoch noch kein CRP Assay experimentell erprobt wurde. Auf der Foliendisk können sämtliche Immunoreagenzien, sowie die Probe einpipettiert und inkubiert werden. Mit dem Prozessierungsgerät LabDisk Player kann die Durchführung eines magnetpartikelbasierten ELISAs auf der Foliendisk automatisiert werden. In den Vorarbeiten gab es zwei wesentliche Probleme auf der ELISA-Disk I. Ein Problem war die Kreuzkontamination zwischen den Kammern. Ein weiteres Problem war der Beadtransport. Die Effizienz des Beadtransports über einen Durchlauf von mehreren Kammern zu Beginn der Arbeit war fast 0%. Mit dem Ziel einer zuverlässigen mikrofluidischen Funktionsweise und der Optimierung des Beadtransports wurden in dieser Arbeit zwei Disklayouts (ELISA-Disk II und one step ELISA-Disk) mit geänderten Strukturen zur Automatisierung des CRP-Assays entwickelt. Bei der ELISA-Disk II und der one step ELISA-Disk wurden zwei Pinning-Kanten im Luftspalt zwischen den Kammern erstellt, um die Kreuzkontamination zu vermeiden. Die Optimierung des Beadtransports erfolgt durch Beschichtung der Disk und Erhöhung der Beadmenge. Auf der mit Blockpuffer beschichteten ELISA-Disk II erreicht die Transporteffizienz 90% über mehreren Kammern mit 2 myl Dynabeads® M-280 und 8 myl Dynabeads® M-450. Durch Entwicklung eines one step ELISAs konnten die Assayschritte reduziert und die Ablaufzeit deutlich verkürzt werden. In dieser Arbeit wurde ein automatisierter CRP Immunoassay im pathophysiologischen Konzentrationsbereich (0,33 - 81 ng/ml) von Neugeborenensepsis auf einer zentrifugal-mikrofluidischen LabDisk etabliert. Aktuell können auf einer one step ELISA-Disk drei Proben parallel untersucht werden. Da zum Zeitpunkt der Arbeit im LabDisk Player noch keine Absorptionsmessung zur Verfügung stand, wurden nach der Prozessierung die Partikel mit Waschpuffer aus der Disk in die Mikrotiterplatte überführt, wo die enzymatische Reaktion und Detektion stattfindet. Die Prozessierung einer Probe erfolgt binnen 20 Minuten. Die gesamte Ablaufzeit für drei Proben auf einer Disk beträgt 40 Minuten. Es bleibt zu zeigen, dass die Absorptionsmessung auf dem LabDisk Player umgesetzt werden kann. Weiter sollten noch weitere magnetische Partikel alternativer Hersteller getestet werden, um den Beadtransport auf 100% zu optimieren.

Budden, Matthias;
Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Aktuatorprinzips zur aktiven Tropfenmanipulation über elektrische Felder für die digitale Mikrofluidik. - 127 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013

Im Zuge zunehmender Miniaturisierung in nahezu allen Bereichen von Wissenschaft und Technik ist es ein wichtiges Ziel der Mikrosystemtechnik, ein möglichst leistungsfähiges und vielseitig einsetzbares Chiplabor zu entwickeln. Hier ist zur Realisierung voneinander abgegrenzter Mikroreaktionsräume die tropfenbasierte Mikrofluidik besonders vielversprechend. Für automatisierte Vielparameteranalysen und -synthesen auf Chipebene sind Techniken erforderlich, die es erlauben, Flüssigkeitssegmente zu ihrem Bestimmungsort zu transportieren, sie mit anderen Kompartimenten zu vereinigen oder größere Segmente zu zerteilen. Ganz besonders wichtig aber ist die Möglichkeit einer gezielten Ansteuerung einzelner Segmente, die z.B. ein Sortieren der Reaktionsräume nach beliebigen Kriterien möglich macht. In dieser Arbeit wurde zunächst ein System entwickelt, dass eine schnelle und zuverlässige Aktuation einzelner Segmente innerhalb eines Mikrofluidikchips mit integrierten Elektroden über elektrische Felder ermöglicht. Die Segmente werden dazu in einem Mikrokanal zunächst optisch detektiert. Es wurde eine Software entwickelt, die das optische Signal in Echtzeit auswertet und über die Steuerung eines Hochspannungsmoduls eine Rückkopplung auf die Segmente erlaubt. Über Änderungen des elektrischen Feldes und seiner Polarität können die Segmente an einer Y-Kanalkreuzung reproduzierbar in den gewünschten Kanal gelenkt werden. Nach einer Optimierung der für die Aktuation günstigen Parameter konnte gezeigt werden, dass über dieses System Information in der Anordnung von Segmenten gespeichert werden kann. Mit Hilfe weiterer Experimente wurde der Schaltmechanismus besser charakterisiert. Es kann jetzt ausgeschlossen werden, dass rein elektrostatische, dielektrophoretische oder durch Elektrobenetzung hervorgerufene Kräfte für den Schalteffekt verantwortlich sind. Ein Modellexperiment mit frei fallenden Segmenten ermöglichte die Messung charakteristischer Relaxationszeiten und weiterer für die Aktuation wichtiger Parameter. Unterstützt durch Simulationen des elektrischen Feldes wird ein Modell vorgeschlagen, dass einige der beobachteten Effekte erklären kann. Es beschreibt die Tropfenbewegung über die temporäre Induktion einer Nettoladung an der Tropfengrenzfläche und anschließende elektrostatische Ablenkung. Zur Klärung aller Effekte, sind weitere Untersuchungen nötig.

Zink, Jan;
Konzeption und Umsetzung von miniaturisierten Teilmodulen zur dezentralen Detektion von zirkulierenden Tumorzellen. - 72 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012

Entwicklung und Optimierung einer fluidischen Kartusche für die magnetische Zellseparation von CTC's mit anschließender DNA-Isolierung. Außerdem wurden verschiedene Konzepte zur Etablierung eines LOC-Thermocyclers geprüft. Damit soll die Amplifikation von spezifischen Nukleinsäure-Markern aus den separierten CTC's möglich sein. Des Weiteren wurde getestet, ob es möglich ist PCR-nachgeschaltete Prozesse in die PCR-Chipkartusche zu integrieren.

Eisenhuth, Susanne;
Fluoreszenzbasierte Charakterisierung von zellulärem Scherstress in Chipsystemen unter Flussbedingungen. - 71 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012

Die Kultivierung von eukaryotischen Zellen in der klassischen Zellkultur ist meist aufwändig, fehleranfällig und beruht auf statischen Messprinzipien. Die automatisierte Kultivierung von Zellen in mikrofluidischen Chipsystemen bietet eine Möglichkeit der Optimierung, da sie automatisierbar ist, eine bessere Kontrolle der Kultivierungsbedingungen bietet und dynamische Analyseanwendungen erlaubt. In der Arbeit wurde ein inkubatorunabhängiges, durchflussbasiertes Chipsystem entwickelt, welches mit einem Heizelement arbeitet und ohne CO2-Begasung eine stabile und sterile Wachstumsumgebung für die Zellen gewährleistet. Mit diesem System war das online Monitoring von im Chip, unter Flussbedingungen kultivierten Zellen vereinfacht möglich. Die in mikrofluidischen Chipsystemen wirkende Scherbelastung auf Zellen, welche zu zellulärem Stress und metabolischen und morphologischen Veränderungen führen kann, wird seit längerem intensiv untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass der wirkende Scherstress über Veränderungen der Membranviskosität vermittelt wird. Aus diesem Grund wurde mit Hilfe von FCVJ, einem molekularen Rotor und viskositätssensitiven Fluorophor, welches eine hohe Affinität zu Zellmembranen aufweist, versucht den wirkenden Scherstress zu charakterisieren. Hierfür wurden zum einen die viskositätsabhängigen Eigenschaften von FCVJ untersucht. Zum anderen wurden Durchflussversuche im Chip an FCVJ-gefärbten Zellen gemacht. Die Viskositätsabhängigkeit der Fluoreszenzquantenausbeute von FCVJ konnte bestätigt werden, ebenso wie scherbedingte Änderungen der Membranviskosität von Zellen. Es konnte gezeigt werden, dass sich FCVJ als Werkzeug für Untersuchungen der Scherbelastung in mikrofluidischen Zellkultivierungs- und Testsystemen eignet.

Zhi, Di;
Charakterisierung von Zellkulturen durch Energie-Transfer und pH-sensitive Chemochips. - 73 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Zell-Kultur-Monitoring. Es ermöglicht ein Monitoring der Zell-Kulturen unter Einsatz von Chemochips. Die Vorteile von Chemochips sind vor allem: Durch Anwendung des Fluoreszenz-Auslese-Prinzips können die hochempfindlichen Chemochips wegen ihrer parallele Bestimmung einer Vielzahl von Analyten weithin in der Biotechnologie verwendet werden. Aufgrund des leichten Herstellungsprozesses erfordern die Chemochips einen relativ geringen Aufwand bei der Instrumentierung. Trotz einer großen Anzahl von Forschungsarbeiten zum Zell-Kultur-Monitoring ist dieses Verfahren, ein Zell-Kultur-Monitoring mit Chemochips zu betreiben, bisher nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Array-Format mit 4x4 Blocks bei Chemochips eingesetzt. Wegen der zeit-parallelen Messung kann das neue Array-Format die Messzeit verkürzen. Außerdem wurden in dieser Untersuchung die Mikrospott-Arrays mit Farbstoffen in binärer Kombination eingesetzt. Diese Arbeit dient dazu, Wechselwirkungen zwischen zwei Farbstoffen festzustellen, besonders durch die Energie-Übertragung zwischen ihnen und deren Einfluss auf die Fluoreszenzantwort während der Zell-Kultur zu untersuchen. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, Chemochips zu entwickeln, die eine pH-Messung während der E. coli-Kultur in Echtzeit ermöglichen. Die Ergebnisse der Arbeit sind durch die Untersuchungsabfolge und die Hauptkomponentenanalyse in drei Schlussfolgerungen zu untergliedern: - Die Fluoreszenzantwort der Farbstoffe für die Probenlösungen während des E. coli-Kultur-Monitoring mit Chemochip entsprechen dem Verlauf des pH-Wertes, gemessen mit der konventionellen Glaselektrode und bezogen auf den bereits genannten Wachstumsprozess der E. coli-Kultur und der damit verbundenen Anreicherung von Säure-Metaboliten. - Der reine Farbstoff H110 weist im Vergleich zu den anderen reinen Farbstoffen, bezogen auf die Referenz-Elektrode, den günstigsten Verlauf der relativen Intensität auf. Alle Farbstoff-Kombinationen auf den Mikrospot-Arrays beeinflussen das Fluoreszenzverhalten und zeigen eine Überlagerung der Intensitäten bei den reinen Farbstoffen. - Die pH-Veränderung in der Anfangsphase der E. coli-Kultur, die durch die Farbstoffe in unterschiedlichem Maße angezeigt wird, ist von Störungsfaktoren, wie z. B. durch den anfänglichen Glucose-Gehalt verursacht. In der vorliegenden Arbeit sind pH- und Polarität-sensitive Farbstoffe in den Mikrospot-Arrays eingesetzt worden. die hochempfindlichen Fluoreszenzfarbstoffe sind deshalb verwendet worden, um einen leistungsfähigen Sensor für eine Analyse mittels Daten-Readout von Mikrospot-Arrays zu ermöglichen [27]. Doch kann die molekulare Fluoreszenz als ein sehr empfindliches Phänomen neben dem pH-Wert und der Polarität des Mediums durch mehrere Parameter beeinflusst werden. In der Zukunft können z.B. Glucose-sensitive Farbstoffe zusätzlich eingesetzt werden, um die Veränderung des Glucose-Gehalts im Verlauf der Zell-Kultivierung zu detektieren. Außerdem wird der Aufbau der Versuchsordnung in der Zukunft optimiert werden können. Eine automatische Versuchsordnung ist bei der weiteren Arbeit einzusetzen, um das online-Monitoring zu realisieren.

Cao, Jialan;
Nanodiagnostik in Fluidsystemen : optische pH-Auslesung in Nanoliterfluidsegmenten. - 119 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008

Mikroreaktionstechnik stellt in der Biotechnologie das standard Reaktionssystem dar und ist sehr geeignet für eine Vielzahl von Screeningprozessen. Sie zeichnen sich besonders dadurch aus, dass sie einfach automatisiert werden können und enorme Platzvorteile bieten. Die nicht ausreichende Online-Analytik vor allem im dynamischen Betrieb stellt bisher einen Nachteil dar. Die Bestimmung des pH-Wertes ist eine der wichtigsten chemisch-analytischen Methoden überhaupt. Sie spielt eine wesentliche Rolle für Zellprozesse. Da Zellwachstum und Zellvermehrung oft mit der Änderung der intrazellulären H+-Konzentration verbunden sind. - Leider eine optische pH-Auslesung in der Nanoliterfluidsegementen ist bis heute nicht gegeben. Deshalb lag der Schwerpunkt dieser Arbeit in dem Aufbau und der Optimierung eines nicht-invasiven Messsystems zur optischen pH-Auslesung von pH-sensitive Sensorpartikeln in Nanoliterdurchflusssegmenten. Dafür wurde ein Nanoliterdurchflussfluorimeter aufgebaut. Zur Überprüfung des Systems, wurden verschiedene Kalibrierungen durchgeführt. Die Untersuchungen ergaben, dass der Einsatz von Farbstoff CF/p-HEMA also auch HPTS/p-HEMA in Mikrosegmenten möglich ist. - Wegen der Kompaktheit erweist sich der Messaufbau als ausreichend robust gegen Störeinflüsse, wie beispielsweise die Beleuchtung von außen. Das aufgebaute Fluorimeter bringt noch den zusätzlichen Vorteil, dass es an jedem beliebigen Ort eingesetzt werden kann. Dabei werden die Resultate vor Ort verfügbar gemacht und die Analysezeit zwischen Probennahme und Analyse verkürzt. Der Einsatz des aufgebauten Fluorimeters zur optischen pH-Auslesung in Nanolitersegementen lieferte reproduzierbare und mit anderen Methoden vergleichbare Ergebnisse. Während der Untersuchungen wurden verschiedene Parameter, welche die Fluoreszenzintensität beeinflussen bzw. Messfehler verursachen, systematisch charakterisiert und behoben. Die gewonnen Ergebnisse sind vergleichbar mit denen aus anderen Arbeiten der Universität Regensburg, Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Wolfbeis. Hinsichtlich der Reproduzierbarkeit ist die Messwertqualität des in dieser Arbeit beschriebenen Aufbaus mit derjenigen des Fluoreszenzmikroskops vergleichbar und zeigt ein außerdem besseres Ergebnis im Hinblick auf Signal-Rausch-Verhältnis und Standardabweichung. Anschließend wurde in einem Anwendungsbeispiel für das kontinuierliche pH-Monitoring von sich in Segmenten abspielenden Bioprozessen am Beispiel des Wachstums von E.coli Bakterien gezeigt und diskutiert. Bei den Versuchen mit E.coli konnte für die eingesetzte Sensorbeadkonzentration keine Einschränkung bezüglich des Wachstums festgestellt werden. Die Ergebnisse vom Messaufbau stellten im Vergleich zu den mittels pH-Elektrode ermittelten Ergebnissen einen Erfolg dar. Der Einsatz des Messaufbaus für andere biologische und auch für chemische Anwendung kann vielseitig sein und durch flexible Änderung der Bauteile (z.B. Filter, Anregungsquellen etc.) einfach realisiert werden.

Ritter, Kathrin;
Charakterisierung Metallnanopartikel-vermittelter Transformationseffekte an dünnen PMMA-Schichten und DNA unter Laserbestrahlung. - 58 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007

Metallnanopartikel bilden an der Oberfläche in Abhängigkeit von ihrer Größe, Form, dem Material, aus dem sie bestehen, sowie ihrer chemischen Umgebung Partikel-Plasmonen aus, die für die typischen Färbungen kolloidaler Lösungen verantwortlich sind. Ziel dieser Arbeit ist die Nutzung dieser charakteristischen optischen Eigenschaften der Metallnanopartikel, um Metallnanopartikel-markierte Moleküle spezifisch und parallel im sub-Wellenlängenbereich zu manipulieren. Die Metallnanopartikel dienen dabei als Nano-Antenne für Laserstrahlung und konvertieren die optische Energie des Laserlichtes in thermische Energie. Die Charakterisierung der thermischen Entwicklung der Nanopartikelumgebung erfolgte mit Hilfe thermosensitiver Schichten aus PMMA. Dabei wurde der Einfluss des Substratmaterials, der deponierten Laserenergie sowie der Partikelgröße untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Goldnanopartikel fs-Pulse mit einer Wellenlänge von 530 nm in Wärme konvertieren. Die Spezifität dieser Energiekonvertierung konnte nachgewiesen werden: Thermische Schädigungen an DNA-Molekülen traten nur in unmittelbarer Nachbarschaft zu Goldnanopartikeln auf, unmarkierte DNA-Moleküle blieben unverändert.