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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-25270
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2527/


Spiller, Erasmo

Entwicklung einer neuartigen elektronischen 1536-er Mikrotiterplatte zur Bestimmung der Biomasse im Hochdurchsatz

Development of a novel electronic 1536 microtiter plate for quantifying the biomass in high throughput devices

Dokument1.pdf (10.134 KB) (md5sum: bd7be0d6a30b63c8d8202bbed25c9788)

Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass mit einem mikrosystemtechnisch hergestellten Bauteil eine Automatisierung und Parallelisierung des Biomassenscreenings bei Reduzierung des Probevolumens möglich ist. Dieses Bauteil kann zukünftig für das Screening von Pharmaka und anderen löslichen Stoffen eingesetzt werden. Durch Verwendung einer 1536-er Mikrotiterplatte können viele Testsubstanzen parallel in sehr kurzer Zeit analysiert werden. Durch die elektrische Messmethode ist die Auswertung von trüben und gefärbten Testsubstanzen in hohen Konzentrationen möglich geworden, was mit einem klassischen optischen Ausleseverfahren nicht realisierbar ist. Weiterhin wird mit der elektrischen Auswertung eine kontinuierliche Untersuchung der Biomasse ermöglicht, so dass Änderungen durch den Einfluss einer Testsubstanz nicht nur durch Endpunktdetektion, sondern auch kinetisch bestimmt werden können. So kann die Testdauer für eine Testsubstanz deutlich reduziert werden. Vorteile eines elektrischen Ausleseverfahrens sind der durch Automatisierung resultierende geringere Arbeitsaufwand und das schnellere Evaluieren von Daten. Die Messung ist für einen großen Bereich sowie stark gefärbte oder trübe Materialien möglich, und die Kosten der Testsubstanzen und Ansatzchemikalien können erheblich reduziert werden.

Das Neuartige an dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Leitfähigkeitsmesszelle im 1536-er Mikrotiterplattenformat, welche die Biomasse im HTS untersuchen kann. Hierbei dienen die biophysikalischen Theorien von Maxwell-Fricke und Schwan als Ansatz für die Entwicklung der Leitfähigkeitsmesszellen. Entscheidend bei der Entwicklung des Sensors ist die Nutzung einer Hydrogelmembran, welche ausschließlich den Elektrolyten beinhaltet und so die Suspensionszellen auf Abstand von den Elektroden hält. Durch die FEM-Simulation konnten die optimalen Elektrodenbreiten anhand der Feldverteilung in der 1536-er Mikrotiterplatte und die geeignete Hydrogelmembranhöhe für die Technologie optimiert werden. Es wurden mit der Schwarz-Christoffel-Transformation die Zellkonstanten der optimalen Leitfähigkeitsmesszellen berechnet. Drei Elektroden konnten in Dünnschichttechnologie erfolgreich am Boden einer 1536-er Messkammer integriert werden. Durch die Verwendung eines Strom-Spannung-Wandlers und Integration in einer Schaltbox wurde das kontinuierliche Screening von verschiedenen Testsubstanzen in geringen Volumina möglich, und man kann passiv große Arrays auslesen. Das entwickelte Testsystem kann eine große Bandbreite an verschiedenen dielektrischen Partikelgrößen (Latexkugeln: 3 und 23 µm) und biologischen Zellen (Ps. putida und E. faecalis: 0,5 - 8 µm) im statischen und kontinuierlichen Modus detektieren.


Kurzfassung in Englisch

A device which should be used for drug screening or solved substances was realized in microsystem technology in order to automatize and parallelize biomass screening and to reduce the analyte volume. By using a 1536 microtiterplate it becomes possible to analyze a multitude of substances in parallel in a short time (HTS). By using the electrical read out, the
measurement of high optical density and colored substances in high concentrations can be realized. A continuous monitoring of biomass is possible, so that a signal change can be evaluated earlier unlike classical end point detection, also the kinetic of the biological pathway can be detected. Thus, an optimization of test substances is possible. The advantage of the electronic read out by automatization leads to a simplification of work, a higher resolution of colored and turbid samples is possible, the analyte volume and analyte amount and also the cost of the test substances can be reduced.

The thesis deals with a new concept to analyze the biomass as a screening tool. Therefore, the biophysical basics developed by Maxwell-Fricke and Schwan were used to develop a conductivity measurement device and have a route map for the electronic device. Regarding the technology steps, a FEM simulation was made to evaluate the optimal electrode geometry and hydrogel thickness. By using the Schwarz-Christoffel-Transformation, the cell geometry of the optimized electrode design was calculated. The development of a current-voltage-converter and integration in a control box allows to detect different test substances in a low volume and has an important impact on reading out a big array in the continuous mode. The developed test system has a considerable bandwidth of dielectric particle size (latex beads: 3 and 23 µm) and biological cells (Ps. putida and E. faecalis: 0,5 - 8 µm) in static and continuous monitoring.


SWD-Schlagwörter: Biomasse , High throughput screening , Schwarz-Christoffel-Formel , Pseudomonas putida , 1536 Mikrotiter-Platte
Freie Schlagwörter (deutsch): Enterococcus faecalis , Maxwell-Fricke-Gleichung
Freie Schlagwörter (englisch): biomass , Schwarz-Christoffel-Equation , Pseudomonas putida , Enterococcus faecalis , 1536 microtiter plate , Maxwell-Fricke-Equation
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Urban, Gerald (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.06.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 06.07.2006
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