Evaneszente optische Felder zur ultrasensitiven Detektion von Pathogenen mittels integrierter Mikroring-Resonatoren und Dielektrophorese (EvaDetekt)

Abstract

Das EvaDetekt Projekt wurde auf Basis der Bekanntmachung „Wissenschaftliche Vorprojekte (WiVoPro): Photonik und Quantentechnologien“ beantragt und gefördert. Es war ein Einzelvorhaben des Fachgebietes Bioverfahrenstechnik der TU Berlin, das im Rahmen von Kooperationen mit dem IHP, dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik in Frankfurt (Oder), das die elektronischen Chips herstellte und die Biosolutions Halle GmbH, bei der die Kultivierung pathogener Bakterien erfolgte, unterstützt. Das Ziel von EvaDetekt war die Entwicklung und funktionelle Demonstration eines Systems zum Nachweis mikrobieller Pathogene, am Beispiel von Legionellen, mit siliziumbasierten photonischen Mikroringresonatoren in Kombination mit der Dielektrophorese. Die Technologie basiert auf einer monolithisch integrierten elektronisch-photonischen Plattform, die von der CMOS/BiCMOS-Technologie abgeleitet ist, und ermöglicht einen Point-of-Care-Test mit markierungsfreier Analyse und Separation in einem System. Der verfolgte Ansatz nutzt photonische Mikroringresonatoren für die selektive Erkennung von Zielorganismen, wobei Sensitivität durch elektrische Anziehung mittels Dielektrophorese und Spezifität durch immunologische Bindung über einen spezifischen Antikörper erreicht werden. Durch Nutzung der Dielektrophorese in ihrer die Zellen anziehenden Variante werden nur lebende, klinisch relevante Zellen aus der Probe separiert und detektiert. Im EvaDetekt Projekt konnten (1) sowohl die Ringresonatoren entwickelt sowie eine spezifische Detektion von ganzen Zellen über die Bindung an die immobilisierten Antikörper gezeigt werden. Weiterhin wurden (2) ausgehend von umfangreichen Simulationen mehrere Generationen von Mikrofluidik-Systemen mit integrierter Dielektrophorese entwickelt, wobei Parameter gefunden wurden, die es entsprechend der Hypothese erlaubten, lebende von hitzeinaktivierten (d.h. toten) Legionellen zu separieren. Dies konnte lichtmikroskopisch mit einer automatischen Bildauswertungsmethode belegt werden. Damit konnte im Projekt die prinzipielle Machbarkeit des geplanten Ansatzes demonstriert werden. Allerdings hat der Zeitraum des Projektes nicht ausgereicht, um einen Demonstrator zu entwickeln, der beide Teilaspekte miteinander verbindet. Auch konnte zwar am Ende der Förderung eine neue Chipgeneration designt und produziert werden, allerdings stehen Untersuchungen mit dieser noch aus. Zusammenfassend wurden die wichtigsten Ziele im Projekt erreicht, und die wissenschaftliche Hypothese konnte bestätigt werden. Die Ergebnisse sind wegweisend für die Entwicklung von quantitativen markierungsfreien Ganzzellsensoren für Mikroorganismen, die nicht auf das hier gezeigte Anwendungsbeispiel limitiert sind, sondern im Bereich der Lebensmittel-, Wasser- und klinischen Analytik eine grundlegende Voraussetzung und interessanten Ansatz darstellen.

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