Digitale Mikrofluidiksysteme zur Charakterisierung von Immobilisationsvorgängen von Biomolekülen mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie

Kremers, Tom; Schnakenberg, Uwe; Knoch, Joachim

doi:10.18154/RWTH-2021-05489

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^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tom Kremers, M.Sc

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnakenberg, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Knoch, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05489
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/820198/files/820198.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Mikro- und Nanosysteme und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (612510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
EWOD (frei) ; digitale Mikroﬂuidik (frei) ; electrowetting (frei) ; elektrochemische Impedanzspektroskopie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

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.

Digital microﬂuidic (DMF) systems utilizing the electrowetting eﬀect to manipulate discrete droplets by modulating the contact angle by applying electric ﬁelds. This enables droplet transport across hydrophobic surfaces. The droplets and the required electrodes are separated by a hydrophobic and an insulating layer. Hence, these systems are called electrowetting on dielectric (EWOD) systems. Small droplets in the range of nano- to picoliter can be created, transported, merged with other droplets and mixed via EWOD. The motion patterns of the droplets can be programmed by individually addressing of electrodes. This allows the application of EWOD systems in diﬀerent research ﬁelds and industrial applications (e.g. polymerase chain reaction (PCR) for biomedical diagnostics).In this work, two EWOD platforms are developed - a labview and mechanical relais based platform and a portable EWOD platform. The portable EWOD platform PortaDrop provides the ability to manipulate droplets and to carry out electrochemical measurements without additional external equipment. PortaDrop uses a Raspberry Pi as the central control unit of the EWOD platform for the ﬁrst time. Hence, the integration of additional external measurement devices is possible and basically implemented. As an example of application, an EIS sensor is embedded into the EWOD platform. For enhanced stability of the measurements, the counter- and reference electrodes are coated with the conducting polymer polypyrrole:polystyrene sulfonate (PPy:PSS). The electrical properties of the PPy:PSS-layers are determined by EIS. Therefore, the electrode/electrolyte junction of the electrodes is measured in a salt containing solution. For the ﬁrst time, the measurements are ﬁtted to an electric equivalent circuit and the evolution of the circuit elements is associated with the mechanism of growth of the layers. The developed EIS sensor is ﬁnally used for monitoring the successful glycosylation of a neo-glycoprotein (NGP) throughout a fucosyltransferase (FucT) longitudinally enabling the extraction of the binding constants.This thesis is structured as follows: First, the basics of DMF and EIS as well as conducting polymers are presented followed by a summary of the state of the art. Subsequently, the development of necessary fabrication processes for the electrode substrates including the integrated EIS sensor and the development of the hard- and software for both EWOD platforms is described. Subsequently, these developments are characterized and discussed. The application of the developed components and systems is shown my monitoring immobilization processes of biomolecules via EIS. The thesis is closed with a conclusion and an outlook is given.

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