Entwicklung eines mikrofluidischen Analysesystems zum immunologischen Proteinnachweis

Michalzik, Monika

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines kalibrier- und regenerierbaren, mikrofluidischen Analysesystems zur Point-of-Care-Diagnostik bakterieller Erkrankungen mithilfe des Serumproteins CRP (C-reaktives Protein). Die Konzentration von CRP im Blut eines Patienten steigt bei einer kritischen Entzündungsreaktion auf mindestens den 100-fachen Wert an und kann somit durch das hier entwickelte Analysesystem qualitativ bestimmt werden. Für die Detektion des Proteins wird ein massensensitiver Quarzsensor verwendet, an dessen Oberfläche CRP-spezifische Antikörperfragmente als Fängermoleküle immobilisiert werden. Für die Untersuchung einer Serumprobe wurde der Sensor in ein mikrofluidisches System aus dem Polymer PDMS (Polydimethylsiloxan) integriert. Ein weiterer Bestandteil des Analysesystems ist eine mit Beads gefüllte Affinitätschromatographiezelle, in der der nachzuweisende Analyt von anderen Serumproteinen gereinigt und für den Nachweis angereichert werden kann. Die Umsetzung des Analysesystems erfolgte zunächst in modularer Weise, indem für die Steuerung der Probelösung aktive elektromagnetische Ventile Verwendung fanden. Sowohl Sensor- als auch Affinitätschromatographiezelle wurden dabei charakterisiert und für ihren Einsatz in einem mikrofluidischen Analysesystem getestet. Die Komponenten mussten hierzu insbesondere auf ihre Wechselwirkungen mit den verwendeten Biomolekülen untersucht werden. Anschließend konnte aus den daraus gewonnenen Ergebnissen ein Lab-on-Chip- System realisiert werden. Für die Steuerung der Probelösung innerhalb dieses Systems kamen aktive pH-sensitive Hydrogel-Ventile zum Einsatz, die ebenso aus PDMS hergestellt und somit in das mikrofluidische Gesamtsystem integriert werden konnten. Die Hydrogel-Aktoren wurden dabei zuvor für ihren Einsatz in dem Analysesystem getestet. Mithilfe des in dieser Arbeit entwickelten Lab-on-Chip-Sytems ist die Möglichkeit gegeben, kritische CRP-Konzentrationen zu detektieren und somit entzündliche Erkrankungen zu diagnostizieren.

This paper discusses the development of a calibratable and regeneratable microfluidic analysis system for point-of-care diagnostics of bacterial diseases with CRP (C-reactive protein). Serious inflammations cause the concentration of CRP in human’s blood to increase by the factor of 100 or more. This can be qualified by the developed analysis system. The detection of the protein can be achieved by using a mass sensitive quartz sensor. Immobilized CRP-specific antibody-fragments act as catching molecules on its surface. For analysing a serum-sample the sensor was integrated into a microfluidic system made of PDMS (polydimethylsiloxane). An additional component of the analysis system is the affinity chromatographic cell filled with beads which are used for cleaning the analyte from other serum proteins and thus concentrated for detection. The implementation of these analysis systems was developed in modular manner by controlling the test-solution with electromagnetic valves. Both the sensor and the affinity chromatographic cell were characterized and tested for application in microfluidic analysis system. All components had to be examinated due to their interactions with the used biomolecules. Afterwards the obtained results were utilized for realising a lab-on-chip-system. Active pH-sensitive hydrogel valves, also consisting of PDMS, were introduced for the regulation of the test-solution flow within the system. Therefore they fit into the rest of the whole analysing lab-on-chip concept. Before integration the hydrogel actors were tested for its use in the analysis system. The lab-on-chip-system described in this paper offers the opportunity to detect critical CRP-concentrations and can be used to diagnose inflammations.

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Michalzik, Monika: Entwicklung eines mikrofluidischen Analysesystems zum immunologischen Proteinnachweis. Aachen 2009. Shaker.

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