Mikrofluidische Strukturen für biochemische Analysen

Schlüter, Michael; Mokwa, Wilfried

doi:893

Mikrofluidische Strukturen für biochemische Analysen

Schlüter, Michael (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevon Michael Schlüter

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

Umfang128 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-05-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8936
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59548/files/Schlueter_Michael.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Bei einem Immunoassay handelt es sich um eine in der medizinischen Diagnostik häufig gebrauchte Nachweismethode für biologisch aktive Substanzen (Antigene / Antikörper). Durch eine Umsetzung der notwendigen Arbeitsschritte in geeignete mikrofluidische Strukturen wird die Durchführung eines Immunoassays auf einem Fluidikchip ermöglicht. Die Durchführung biochemischer Reaktionen erfolgt dabei in einer mikrofluidischen Reaktionskammer, die von den an der Reaktion beteiligten Chemikalien durchströmt wird. Die für die Reaktion benötigten Chemikalien werden in mäanderförmigen, mikrofluidischen Kanalstrukturen auf dem Chip untergebracht. Die Eignung von Adhäsionsfolie als preisgünstige und einfache Möglichkeit für das Verschließen der mikrofluidischen Kanäle wurde durch Immunoassays in mikrofluidischen Küvetten gezeigt. Die Auswertung ist sowohl durch Fluoreszenz als auch durch Chemolumineszenz möglich. Die Genauigkeit ist dabei z.B. für die Diagnose eines Herzinfarktes geeignet. Für die Steuerung der Flüssigkeiten auf einem mikrofluidischen Chip wurde eine Mikropumpe entwickelt, deren Ventilstrukturen mit einem 2-dimensional strukturierten Aufbau und ohne bewegte Teile auskommen. Eine Herstellung dieser Pumpe ist sowohl mittels photolithografischer Techniken für die Prototypenfertigung als auch mittels Massenfertigungsprozessen, wie Heißprägen und Spritzgießen, möglich. Die Integration dieser Mikropumpe in einen aus SU-8 Photoresist gefertigten Fluidikchip zeigte die Eignung dieser Pumpe für die Herstellung von mikrofluidischen Analysesystemen. Es wurde eine Computersteuerung entwickelt, die den kompletten Prozessablauf für einen mikrofluidischen Immunoassay ohne äußere Eingriffe kontrolliert. Durch Computersimulationen konnten sowohl die Funktionsweise der Mikropumpe als auch die Reaktionskammer verbessert werden. Die Kanalkreuzung, an der die Reaktionsflüssigkeiten aufeinander treffen, konnte durch Computersimulation ebenfalls optimiert werden. Die Durchführung von Myoglobin-Immunoassays in einem komplett integrierten spritzgussfähigen Fluidikchip aus PMMA zeigte, dass ein Nachweis von Myoglobinkonzentrationen von weniger als 100 ng/ml möglich ist. Durch den Nachweis dieser Myoglobinkonzentrationen im menschlichen Blut wird die Diagnose eines Herzinfarktes ermöglicht.

The immunoassay is an important serological detection method for biochemical active materials (antigens / anti-bodies). By designing appropriate micro fluidic structures to perform the classic process steps of an immunoassay it can be integrated on a microfluidic chip. The reagents are transported through a micro fluidic reaction chamber where they perform the biochemical reactions. These reagents are stored in the micro-fluidic channels on the chip. The suitability of adhesive foils as low priced and simple seals of the microfluid channels is shown by performing immunoassays in micro-fluid cuvette structures. Signal detection can be performed by fluorescence and by chemoluminescence with sufficient accuracy for, e.g. the diagnosis of a cardiac infarct. A micro pump with two dimensional valve structures without moving parts was developed for the liquid-handling on the micro-fluidic chip. This pump can be manufactured by photolithographic techniques for prototyping as well as by mass production processes, like hot embossing and injection moulding. Integration of this micro pump into fluidic chip structures manufactured from SU-8 photoresist shows the suitability of this pump for the production of micro-fluid analysis systems. A computer control was developed, which can operate the complete process cycle for a micro-fluidic Immunoassay. The performance of the micro pump, and the reaction chamber were optimized by computer simulations. The channel crossing where the different reagents enter the reaction chamber was also improved by computational fluid dynamics (cfd). The performance of a myoglobin immunoassay in a completely integrated fluidic chip manufactured from PMMA shows the capability of detection of a myoglobin concentration of less than 100 ng/m. The measurement of these myoglobin concentrations can be used for the detection of cardiac infarcts from human blood samples.

Fulltext:
PDF
(additional files)