Sensorik und Aktorik mit piezoelektrischen Schwingquarzen (PDF)

Die genaue Kenntnis der in humanem Blut enthaltenen Antikörper ist in Medizin und Forschung von zentraler Bedeutung. Der Nachweis von Antikörpern erlaubt z.B. die Diagnostik von Infektionen, die Charakterisierung des Immunstatus eines Menschen und ist bei der Transfusion von Blutkomponenten essentiell. In der vorliegenden Dissertation wurde ein innovatives Nachweisverfahren für Antikörper in Vollblut realisiert, das Vorteile gegenüber konventionellen Detektionstechniken in Bezug auf Flexibilität und Handhabung besitzt. Bei diesem Verfahren kommen piezoelektrische Schwingquarze zum Einsatz, die eine aktorische Separation der nachzuweisenden Antikörper von den restlichen Blutbestandteilen ermöglichen und in einem nachfolgenden Prozessschritt eine sensorische Antikörperdetektion erlauben. Das Nachweisverfahren wurde exemplarisch im Bereich der immunhämatologischen Diagnostik angewandt und für die Detektion blutgruppenspezifischer Antikörper des AB0-Systems in einer kleinen Vollblutprobe optimiert. Die Verwendung eines Schwingquarzes als Aktor ermöglichte die Separation der Antikörper aus der zu untersuchenden Probe, indem zuerst Erythrozyten als Trägerpartikel mit spezifischen Bindungsstellen für den nachzuweisenden Analyten auf der Quarzoberfläche immobilisiert und mit der Blutprobe in Kontakt gebracht wurden. Dann wurden nicht gebundene Blutbestandteile durch Spülen entfernt und es erfolgte die elektronische Anregung des Schwingquarzaktors zu Scheroszillationen mit hohen Amplituden, so dass sich Trägerpartikel mit dem spezifisch gebundenen Analyten von der Quarzelektrode ablösten. Nach dem Transfer der abgelösten Partikel zu einem Schwingquarzsensor (Quartz Crystal Microbalance (QCM)) konnte der separierte Analyt ohne unspezifisch auftretende Adsorptionsprozesse nachgewiesen werden.

Die Realisierung des Separations- und Nachweisverfahrens erforderte Entwicklungsarbeiten auf den Gebieten Medizintechnik, Messtechnik, Elektronik, Signal-/Datenverarbeitung, biochemische Funktionalisierung von Oberflächen, physikalische Modellbildung und Prototypenbau:

- Für den aktorischen und sensorischen Betrieb von Schwingquarzen wurde ein elektronischer Aufbau entwickelt, der zum einen die piezoelektrische Anregung hoher Beschleunigungen der Schwingquarzoberfläche von mehreren 10^6 g und zum anderen die Admittanzanalyse des Schwingquarzes ermöglichte. Die Admittanzanalyse erlaubte neben der Maximierung der angeregten Scherschwingungsamplituden auch die Untersuchung mechanischer Eigenschaften von viskoelastischen Schichten auf der Quarzoberfläche. Die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge wurden theoretisch modelliert, eine Gleichung für die induzierten Schwingungsamplituden ermittelt und eine Software zur quantitativen Auswertung gewonnener Messdaten erstellt.
- Zur Immobilisierung der erythrozytären Trägerpartikel auf einem Schwingquarzaktor wurden biologische Funktionalisierungen der Quarzelektrode mit Lektinen entwickelt. Diese ermöglichten eine dichte Belegung der Quarzoberfläche mit Erythrozyten und deren aktorische Ablösung durch elektronisch angeregte Quarzschwingungen. Die spezifische Detektion der an erythrozytären Trägerpartikeln gebundenen Blutgruppenantikörper mit einem Schwingquarzsensor konnte durch Funktionalisierung des Quarzes mit Anti-human Antikörpern verwirklicht werden.
- Für die Analyse und Optimierung des Verfahrens zum Separieren und Nachweisen von Blutgruppenantikörpern in Vollblut wurden verschiedene Schwingquarzplattformen entwickelt. Die Durchführung des Verfahrens erfolgte zum einen mit zwei seriell angeordneten Schwingquarzen und zum anderen mit zwei übereinander positionierten Quarzresonatoren. Mittels einer miniaturisierten Schwingquarzplattform mit einer Batch-Messzelle erfolgte die Untersuchung der durch den aktorischen Schwingquarzbetrieb induzierten Erhöhung der Temperatur, Veränderung der Resonanzfrequenz und Induktion von stationären Biegeschwingungen des Quarzes.
- Die miniaturisierte Schwingquarzplattform wurde des Weiteren zur sensorischen Detektion von Erythrozyten verwendet. Ein in die Plattform einsetzbarer mikrofluidischer Chip konnte realisiert werden, in dem ein Schwingquarz als massensensitiver Immunosensor und mikrofluidische Strukturen zur Mischung der zu untersuchenden Vollblutprobe mit Pufferlösung integriert wurden. Das entwickelte Labona-Chip-System ermöglichte den spezifischen Nachweis von Erythrozyten in wenigen Mikrolitern humanem Blut.

Die im Rahmen der Dissertation durchgeführten Entwicklungsarbeiten und erzielten Ergebnisse veranschaulichen deutlich das grosse Potenzial von Schwingquarzen in der Blutanalytik. Sie eröffnen die Bearbeitung einer Vielzahl von interessanten Fragestellungen insbesondere im Bereich der Lebenswissenschaften wie z.B. die Separation und Detektion von medizinisch und wissenschaftlich relevanten Antikörpern, Zellen, Viren, Bakterien und Proteinen in Blut oder anderen physiologischen Flüssigkeiten.