Chipkalorimetrie für die Tropfen-basierte Mikrofluidik
Der Bedarf an Messsystemen, die thermische Reaktionen kontaktlos und in Echtzeit im Zell- oder gar im Molekülmaßstab messen können, ist nach wie vor hoch. Zwei Forschungseinrichtungen, die TU Bergakademie Freiberg (TUBAF) und das Instituts für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e. V. (iba) in Heilbad-Heiligenstadt, haben ihre Kompetenzen gebündelt und ein neues Chipkalorimeter entwickelt. Dieses erfüllt nicht nur die Forderung nach nichtinvasiver Messung, es ermöglicht auch einen erhöhten Probendurchsatz und verhindert Kreuzkontaminationen zwischen den Proben.
PMMA-Messkammern mit integriertem PTFE-Schrumpfschlauch (B in linkem Bild, schematische Darstellung im rechten Bild) und Flusskanal ohne PMMA-Rahmen (A).
Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.
Technische Darstellung des Wärmetauschers als Grundlage für die Optimierung des Wärmetauschers auf der Basis einer numerischen Simulation (COMSOL).
Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.
Die Herausforderung im Rahmen dieses Forschungsprojektes war die thermische und fluidische Kopplung zweier bereits existierender Technologien: der Chipkalorimetrie und der Tropfen-basierten Mikrofluidik. Hierzu mussten eine neue Messkammer (siehe Abb.1), in welcher die Probe vermessen wird, und ein Wärmeaustauscher (siehe Abb. 2), der eine konstante Temperatur der Probe einstellt, entwickelt werden. Diese neuen Komponenten garantieren hydrophobe Oberflächen der Mikrokanäle und vermeiden Strömungsinhomogenitäten, zwei wesentliche Voraussetzungen für störungsfreies Durchleiten der Probentropfen durch das Chipkalorimeter. Zudem mussten die Flow-Parameter sowie das Temperaturmanagement des Kalorimeters den Eigenschaften der Mikrofluidik angepasst und optimiert werden. Volumenströme im Bereich von 10µL/min bis 100µL/min und Volumina der Probentropfen im Bereich von 40µL bis 80µL ergaben die besten Ergebnisse hinsichtlich der Signalauflösung. Durch die automatisch ablaufenden Prozessschritte der modular aufgebauten und dem Chipkalorimeter vorgeschaltetem Mikrofluidikplattform ist es möglich, zwischen die Probensegmente je nach Bedarf Kalibrier- oder Reinigungstropfen zu injizieren. Das Generieren und Konditionieren der Probentropfen erfolgt mittels einer Zweifluidsonde die Bestandteil der Mikrofluidikplattform ist.
Untersuchungen zur metabolischen Aktivität während des Wachstums von E. coli, Hefen und humanen Zelllinien zeigten eine gute Übereinstimmung der kalorimetrischen Messungen mit den korrelierenden Zellzahlen.
Die Kombination der Chipkalorimetrie und der Tropfen-basierten Mikrofluidik eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten zum automatisierten Monitoring unterschiedlichster Proben. Die Anwendungen liegen in den Bereichen der Medizin und der Pharmazie, der Lebensmittel- und Wasseranalytik (Trink- und Abwasserindustrie) sowie der Biotechnologie.
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