1. AG Mikrofluidik und Mikrosensorik. Leitung: Prof. Dr. Karl-Heinz Feller (FB Medizintechnik und Biotechnologie)

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1 1. AG Mikrofluidik und Mikrosensorik Leitung: Prof. Dr. Karl-Heinz Feller (FB Medizintechnik und Biotechnologie) Die AG Mikrofluidik/Mikrosensorik beschäftigt sich, in konsequenter Fortsetzung früherer Arbeiten zur Duftstoffanalytik, mit mikrofluidischen und mikrosensorischen Anwendungen im Bereich der Analysentechnik. Ziel ist es, ein modulares System zur Steuerung und Untersuchung von Analytströmen in mikrotechnischen Apparaturen und Reaktoren für den Einsatz in der Biotechnologie, Medizintechnik und Umweltanalytik zu entwickeln. In letzter Zeit konzentrieren sich die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten hauptsächlich auf die Optimierung und Applikationstestung eines selbst entwickelten Messplatzes zur fluoreszenzspektroskopischen Analyse von Komponentengemischen sowie auf die Entwicklung einer neuen Peristaltikpumpe. Des Weiteren entsteht ein Farbmesssystem mit integrierter Messzelle und dazu gehöriger Mikrofluidik. Dabei wird der Analytenstrom optimiert über ein Chip-Array geführt, welches in eine selbst entwickelte und mittlerweile patentierte Messzelle eingelegt ist. Um kleinste Fluidmengen optimal und in kürzester Zeit effektiv zu vermischen, werden an die jeweilige Aufgabe angepasste Mikromischer benötigt. Diese werden mittels CFD (Strömungsanalyse) zuvor entworfen und untersucht. Das spart Zeit und Ressourcen. In Kooperation mit Partnern an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik, ist die AG in der Lage, die im Hause entwickelten Kompetenzen in der Messzellenentwicklung, in der optischen Auswertung von Chip-Arrays (Mikrosensorik), deren Ansteuerung und optimierte Versorgung sowohl hinsichtlich der Versorgungssysteme (Pumpen, Mikromischer, Mikrofluidik etc.) als auch der Entwicklung der dazugehörigen Software mit den Kompetenzen des Hallenser Partners in der Strömungsmodellierung und optimierten Strömungsführung zu verbinden. Das langfristige Ziel der Entwicklungsarbeiten besteht im Einsatz der mikrofluidischen Systeme und Sensorik in der biotechnologischen Mikro-Reaktionstechnik. Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikrofluidik Messzellenentwicklung Im Zentrum des mikrofluidischen Messplatzes befindet sich eine selbst entwickelte Messzelle, welche aus einem beschichteten Glaschip besteht, auf dem durch Spotten die Wirtsmoleküle mit einer festgelegten Topologie immobilisiert werden. Über dem Chip befindet sich ein die Strömung definierender Mäander, welcher den Fluidfluss so über die Polymermatrix und somit über die Wirtsmoleküle leitet, dass alle Bereiche gleichmäßig überströmt werden. Die Gasmesszelle kann durch die kleinen Abmessungen des Mäanders von geringsten Volumenströmen (bis einige µl/s) durchströmt werden, besitzt ein Totvolumen von nur 19 µl und ein Wechselwirkungsvolumen von 20 µl. Sowohl der beschichtete Chip als auch der Fluidmäander werden von der eigentlichen Messzellenhalterung aufgenommen und fluidisch kontaktiert. Das langfristige Ziel (unter evtl. Ausweitung des vorhandenen Patentes) besteht in der Entwicklung einer universellen Mess- und Wechselwirkungszelle für die Mikroreaktionstechnik in der Biotechnologie. 1

2 Messzelle mit Durchflussküvette Chip mit Fluidmäander Mikropumpenentwicklung Bei einigen Messungen wird mittels Mikropumpen der Fluidstrom durch die Messzelle geleitet. Diese Pumpen zeichnen sich durch ihre geringe Abmessung (1,4 cm³) und die Möglichkeit sowohl Gase als auch Flüssigkeiten zu fördern aus. Die externe Ansteuerung der Pumpenparameter erfolgt über selbst entwickelte LabVIEW-Programme, welche es ermöglichen, ein zeitlich einstellbares Flussraten-Profil abzuarbeiten. Dadurch wird zu jeder Zeit ein vom Benutzer eingestelltes Verhältnis von Analyt- und Trägerstrom realisiert. Die Pumpen wurden von der Firma ThinXXS entwickelt und gebaut. Sie bestehen aus einem Piezo-Kristall, welcher eine Membran antreibt und den Pumpvorgang in Gang setzt. Dies bedingt eine starke Pulsation des geförderten Volumenstromes. Zurzeit wird, gemeinsam mit einem KMU der Region, an einer innovativen pulsationsfreien Peristaltikpumpe gearbeitet. Mikropumpe der Firma ThinXXS Schema einer Peristaltikpumpe Mikromischer Um bestimmte Stoffe miteinander zu vermischen wurden verschiedene Mikromischer konzipiert. Ihr Grundsubstrat ist neben PMMA auch Cycloolefin-Copolymer (COC/Topas), welches hochtransparent, bis 170 C stabil, biokompatibel und beständig für Säuren/Basen sowie polare Lösungsmittel ist. Weiterhin besitzt es eine sehr geringe Hintergrundfluoreszenz. In die Oberfläche des Polymers sind Mikrostrukturen eingebracht, die durch ihre Form den gewünschten Vermischungseffekt erzielen. Die Herstellung der Mikromischer erfolgt in Kooperation mit Partner-Instituten in Jena. 2

3 verschiedene Mikromischer Strömungsanalyse Die Funktionstüchtigkeit eines Mikromischers muss im Vorfeld getestet werden. Dank moderner Software wie Ansys CFX kann man die Qualität der Mischerkonstruktion schon vor der Fertigung beurteilen. CFX ist ein Finite-Volumen CFD-Programmsystem modernster Technologie zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen. Mit dem robusten und schnellen Löser von CFX lassen sich die bisher üblichen langen Rechenzeiten erheblich verkürzen. Der Postprozessor ermöglicht die umfangreiche qualitative und quantitative Analyse der Berechnungsergebnisse. Die zu mischenden Stoffe werden vor der Analyse definiert, das Programm berechnet den Strömungsverlauf und gibt eine dreidimensionale Verteilung vieler relevanter Größen wie Temperatur, Druck, Dichte oder auch Konzentration aus. Für die geplanten Arbeiten zur Mikrofluidik in komplexen Untersuchungsmedien, insbesondere der Weiterentwicklung zur Mikroreaktionstechnik, sind die vorgesehenen Arbeiten eine wesentliche Voraussetzung. Vernetzte Mischerstruktur Fließgeschwindigkeit in einem T-Mischer Softwareentwicklung für mikrofluidische Baugruppen Software zur Gerätesteuerung In den laufenden Arbeiten und Projekten ist es immer wieder n notwendig, Geräte vom Rechner aus anzusteuern oder Vorgänge zu automatisieren. Die dazu erforderliche Software wird selbst entwickelt. Als Programmierumgebung wird LabVIEW 8 genutzt. Die Geräte werden hauptsächlich über die RS232 - Schnittstelle angesprochen oder man gibt Signale über eine USB-Box aus, welche vom jeweiligen Gerät interpretiert werden. Ein weiterer Teil der Soft- 3

4 wareentwicklung ist die Datenvisualisierung und -auswertung im Rechner, wobei die gemessenen Daten an den Rechner übergeben und gespeichert werden. Ansteuerung über Gerätetreiber/RS232 Programmierbares Volumenstrom-Zeit-Profil diverse Dosier-Modi (oder andere Bilder Homepage KHF) Software zur Bilderkennung und Verarbeitung Für die Bildaufnahme und -erkennung mikrofluidischer Interaktionsmuster werden verschiedene Softwaremodule verwendet. Nach der Bilderkennung müssen die jeweiligen Fluoreszenzaufnahmen der einzelnen Spots auf ihre Intensitätsverteilung untersucht werden. Diese Daten werden an die Chemometriesoftware zur Diskriminanzanalyse weitergegeben. Die Aufnahmen werden mit einer gekühlten CCD-Kamera "CoolSamba" der Firma Sensovation angefertigt und über ein mitgeliefertes Programm abgespeichert. Diese Software basiert auf LabVIEW und ermöglicht die Einstellung bzw. Optimierung verschiedener Bildaufnahmeparameter. Software "Iconoclust" 4

5 Chemometriesoftware zur multivarianten Datenanalyse Im Rahmen der Arbeiten zur Chemosensorik werden Chip-Arrays entwickelt, auf denen Komponenten-Profile von Substanzgemischen über die selektive Anlagerung im Sinne einer Gruppen -Selektivität an variierten Wirtmolekül-Komplexen bestimmt werden. Die Anlagerung ist mit einer Intensitäts- und spektralen Veränderung der Fluoreszenz von angebrachten Markern verbunden. Aufgrund der begrenzten Selektivität erfolgt die Anlagerung der zu bestimmenden Komponente an mehreren Wirtmolekülen, d. h. an mehreren Spots. Mit Hilfe einer Kamera werden die spektral aufgelösten Intensitätsprofile der auf dem Chip-Array immobilisierten Fluoreszenzmarker-Wirtmolekül-Komplexe aufgenommen. Eine Spot-Erkennungs-Software sichert die optimale und untergrundfreie Aufnahme der Intensitätsprofile bei begrenzter Pixelzahl. Hauptproblem der weiteren Datenauswertung bis hin zu einer thermometrischen Diskriminanzanalyse ist die optimale Auswertung und Minimierung der (zweidimensionalen) Intensitäts-Wellenlängen-Daten in Bezug auf die angelagerten Profilkomponenten. Im Ergebnis erhält man eine Datenmatrix, die relative (Fluoreszenz-)-Intensitätswerte bei verschiedenen Wellenlängen der angelagerten Substanzen (und nicht mehr der Spots) enthält. Erst hier kann der Zusammenhang einer Intensitätsverteilung auf dem Array und der dazugehörigen Komponente oder mehrerer Komponenten in verwertbare Ergebnisse überführt werden. Diese werden mit Hilfe einer Diskriminanzanalyse bewertet und Komponenten-Profile erstellt, die eine eindeutige Unterscheidung unterschiedlicher Komponenten-Profile erlaubt. Die Eichung der pro Spot angelagerten Komponenten erfolgt über eine Thermodesorption der Komponenten und nachgelagerter Analyse im Gaschromatographen. Farbsensorik im Mikrobereich In Zusammenarbeit mit regionalen KMU s wird ein mikrofluidischer Messplatz zur Farbabstimmung entwickelt. Dabei kommen kommerziell erhältliche Farbsensoren zum Einsatz. Diese zeichnen sich durch hohe Temperaturstabilität und geringe Baugröße aus (Durchmesser der optisch sensitiven Fläche ca. 2 mm). Mit Hilfe eines solchen Farbsensors können beliebig strukturierte Untersuchungen zur Produktqualität bzw. Produktionsüberwachung modular aufgebaut und unter Mikrodimensionen realisiert werden. Konzept für den Farbmessplatz Testaufbau des Sensorsystems 5