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.
Segmented flow techniques enables reactions to be carried out under optimized flow conditions and with a minimal amount of substance. This technique is particularly suitable for multidimensional reaction screenings, as the segments are passed through the system in an orderly manner, and thus the history of each individual segment is known. The analysis of the segments or their composition is of great importance in this usually very complex and technically expensive process. In addition to optical detection or fluorescence measurement, in which the target substance must usually be labeled with a fluorescent group, label-free detection methods are currently being developed. However, these methods are still very complex and cannot be used without specialist knowledge in the respective field.
In this work, a new method for label-free analysis of single fluid segments was developed, which allows widespread use of the analytical technique due to a compact design and easy connection to different processes. The developed analytical method includes the first combination of surface enhanced Raman scattering/spectroscopy (SERS) with a transfer of the serially generated fluid segments into a parallel array structure of SERS-active measuring spots (SERS array). This transfer step decouples the time-critical measurement from the fast processing of the fluid segments and allows an optimal optical access to the measuring spots, enabling the use of compact spectrometer systems.
To implement the concept, a novel SERS-active hydrogel film was developed, as well as a method for applying the hydrogel film to the measurement spots. In the development of the hydrogel film, a method for producing swellable, SERS active composite sensor particles was developed by studying and adjusting the adhesion to the glass substrate, the evaporation of the solvent during application and the SERS enhancement. Furthermore, the performance of the developed analytical method was determined. For example, the SERS array shows excellent values in terms of storage and application time. The overall system was evaluated in comparison with other SERS-based analytical methods, showing that a comparatively high frequency of fluid segments can be analyzed and that the quantification of test substances is possible in a wide concentration range, which is slightly above the comparison systems. Using a deamination reaction, it was shown that this work has succeeded in developing a compact and easily adaptable analytical method for SERS measurements that can detect chemical changes within microfluidic segments.
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