Sensors and actuators for single particles and cells

Abstract

Eine der interessantesten Gebiete der modernen Biologie ist der Erforschung von Zellen und deren Kommunikation mit ihrer Umgebung gewidmet. Wissenschaftliche Werkzeuge zur Erforschung der grundlegenden Mechanismen müssen einige Schlüsselanforderungen erfüllen: kleinste Volumen (bis in die Größenordnung von einzelnen Zellen) müssen manipuliert werden können und eine hohe Sensitivität ist nötig um Signale von einzelnen Zellen aufnehmen zu können. Miniaturisierte Systeme können zum Teil bereits heute diese Anforderungen erfüllen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden derartige Systeme zur Messung und zur Manipulation von einzelnen Partikeln und Zellen untersucht. Der Fokus wurde auf physikalische Chemosensoren gelegt weil diese im Gegensatz zu rein chemischen Sensoren eine hohe Robustheit und Langzeitstabilität aufweisen. Im Detail wurden miniaturisierte Systeme untersucht die einerseits auf optischen Methoden und andererseits auf Messung der elektrischen Impedanz basieren. In beiden Fällen wurden mirkofluidische Chips realisiert um mit Hilfe von hydrodynamischen Fokusierens die zu untersuchenden Spezies zu manipulieren. Außerdem wurden noch Separationsmethoden auf Basis des Effekts der Dielektrophorese untersucht, ein Phänomen das es erlaubt auf polarisierbare Partikel Kräfte auszuüben die von stark inhomogenen elektrischen Feldern erzeugt werden. Im Vergleich zu konventionellen Instrumenten zu Zellanalyse haben miniaturisierte Systeme den klaren Vorteil der Integrierbarkeit. Die Herstellungsprozesse wurden so ausgewählt dass eine Kombination mehrerer Sensoren und Aktautoren in einem mikrofluidischen Chip möglich ist. Als weiterer Vorteil ist der stark reduzierte Bedarf an Probenflüssigkeiten herauszuheben der sich aus der Miniaturisierung automatisch ergibt. Die hier untersuchten Systeme wurden hauptsächlich mit Hilfe von Partikel Standards mit bekannten physikalischen Eigenschaften charakterisiert. Zusätzlich werden Messungen mit biologischen Zellen gezeigt die die Anwendbarkeit dieser Systeme für die Zellanalyse demonstrieren.

One of the most exciting fields in todays research in biology is dedicated to understanding how cells and cell ensembles work and communicate with their environment. When considering potential scientific instruments for observing those processes one soon determines the key requirements: small volumes down to the size of single cells have to be handled and a high sensitivity is needed to receive data from those single cells. As a result, miniaturized systems are desired. This thesis documents research on such microfabricated sensors and actuators for single particles and cells. The focus was intentionally set to physical chemosensors rather than chemical sensors for their robustness and long term stability. The devices investigated in this research are based on optical measurement and electrical impedance sensing. In both cases hydrodynamic focusing stages were implemented on microfluidic chips for accurate sample handling. Additionally, microfluidic separation of species was investigated based on dielectrophoresis, a phenomenon where floating particles and cells can be manipulated by strong non-uniform electric fields. The clear advantage of those miniaturized systems as opposed to classical instruments is their compatibility regarding integration. As the fabrication processes are similar different sensors and actuators can potentially be integrated into one microfluidic chip. Also the reduced amount of sample and other liquids (for instance sheath liquid) has proven beneficial. The systems investigated in this thesis were mostly characterized using particle standards of defined characteristics. Additionally, measurements with cells are shown to prove the applicability of the systems for cell analysis.