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Mikrostrukturierte Interdigitalkondensatoren zur Typisierung und Charakterisierung von Erythrozyten mittels kapazitativer und resistiver Messprinzipien und massensensitiver Messungen

Stephan Aigner

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Betreuer*in

Franz Dickert

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29490.16904.592063-6

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In dieser Dissertation wurden chemische Sensoren für die Typisierung und Charakterisierung von Erythrozyten entwickelt. Durch molekulares Prägen wurden 10 µm-, 5 µm-Interdigitalkondensatoren und 10 MHz-Zweielektroden-Quarzmikrowaagen mit einer Polymer¬schicht versehen, welche Kavitäten mit einem exakten Abbild der chemischen Bindungs¬eigenschaft der Erythrozyten besitzt. Dies wird über das Prägen eines Präpolymers mit Analytzellen während des Aushärtens erreicht, da aufgrund der Polymerisation gemäß eines Selbstorganisationprozesses die Monomere sich um die Erythrozyten assemblieren und deren Oberflächenstruktur abbilden. Da die Erythrozyten der Blutgruppen A, B, AB und 0 unterschiedliche Antigene auf deren Membranen besitzen, war es möglich mittels einer sensitiven Polymerschicht unter Verwendung von IDK und QCM als Transducer diese voneinander zu differenzieren. Auch die Subblutgruppen der Blutgruppe A – A1, A2, A1B, A2B – konnten so typisiert werden, obwohl sie sich nur aufgrund der Anzahl der Antigene auf der Zellmembran unterscheiden. Dabei zeigte sich, dass sowohl mittels massensensitiver Sensoren (QCM), als auch bei der Messung mit kapazitiven und resistiven Sensoren (IDK) das Templat die größten Messsignale lieferte und somit von den anderen Blutgruppen differierte. Bei IDK-Sensoren zeigte sich eine Messfrequenz von 1 bis 10 kHz als ideal, da die Messwerte in diesem Bereich keine Abhängigkeit von der Frequenz des angelegten Wechselstroms aufwiesen. Als Polymere wurden Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylat und Polyurethan getestet. Alle Polymere zeigten eine signifikante Unterscheidbarkeit der Blutgruppe A1 und A2 zueinander, wobei Poly¬vinylpyrrolidon, sowohl bei den massensensitiven, als auch bei den kapazitiven und resistiven Messungen, die höchsten Messeffekte und die geringste unspezifische Adsorption lieferte. Bei der Kapazitätsbestimmung mittels IDK konnte bei der Differenzierung der A-Subblutgruppen für die Templatblutgruppe ein bis um den Faktor 2 größeres Signal ermittelt werden. Ebenso unterschied sich der gemessene Widerstand um zirka den Faktor 2. Bei der QCM-Messung wies Polyvinyl¬pyrrolidon für die Templatblutgruppe A1 im Vergleich zur Blutgruppe A2 eine um den Faktor 4 größere Frequenzänderung auf und die unspezifische Adsorption auf der Referenzelektrode belief sich auf unter 3 % des Messsignals. Sensoren mit einer Polyvinyl¬pyrrolidonschicht in Kombination mit einem IDK zeigten auch nach einer durchgehenden Betriebszeit von über 302 Stunden eine signifikante Unterscheidbarkeit aller Blutgruppen zur Templatblutgruppe. Des Weiteren wurde der Einfluss der umgebenden Lösung auf die Polymerschicht und die Widerstandsmessungen beobachtet. Dazu wurde mit unterschiedlichen Salzionen-Konzentrationen gearbeitet, wobei auch hier die Polyvinylpyrrolidonschicht eine sehr gute Reversibilität und Selektivität aufwies. Durch die im Polymer vorhandenen Poren wurde eine Widerstandserniedrigung aufgrund der Ionenwanderung zwischen den Elektroden des IDK nachgewiesen. Bei der Verwendung von Deionat degradierten die Blutzellen aufgrund von Osmose und die austretenden Ionen bewirkten eine Widerstandserniedrigung. Bei der Messung unter isotonischen Bedingungen führte dagegen die Einlagerung der Erythrozyten zum Verschluss der Poren und zu einer Erhöhung des Widerstandes. Beim Heranziehen von kleineren Kammstrukturen (5 µm-IDK-Sensoren) wurde dieses Messprinzip auf eine Widerstands¬erhöhung von deutlich über 100% optimiert, womit das Messen der Blutzellen in einem für deren Haltbarkeit idealen, isotonischen Umgebungsmedium ermöglicht wurde. Sowohl die Kapazitätsmessungen mittels IDK-Sensoren, als auch die Frequenzmessungen mittels QCM-Sensoren, zeigten bei der Bestimmung der Konzentrationsabhängigkeit der Messprinzipien einen lineraren Bereich für Konzentrationen von 2,0*107 bis 1,5*108 Erythrozyten/ml. Die Widerstandsmessungen zeigten in diesem Konzentrationsbereich einen exponentiellen Zusammenhang. Selbst Alterungsphänomene der Blutkonserven, welche aufgrund von Agglutinationsvorgängen auftraten, waren zugänglich. Dabei war zu beobachten, dass mittels massensensitiven Messmethoden Blutproben mit einem Alter von über 3 Monaten die Differenz der Messsignale zwischen Templat- und Testblutgruppe abnahm. Bei der Verwendung von kapazitiven und resistiven Sensoren lag das limitierende Alter des Blutes bei 6 Monaten. Es war zu sehen, dass bei allen Messungen die Messsignale anstiegen und die Differenz zwischen der bei der Prägung verwendeten Blutgruppe zu den anderen Testblutgruppen abnahm. Beim Vergleich von Proben der Templatblutgruppe A1 mit einem Alter von 2 Wochen zu einem Alter von 12 Monaten wurde ein Anstieg der Kapazitäten um den Faktor 2 und des Widerstandes um den Faktor 9 beobachtet, da die eingelagerten Erythrozyten-Agglutinate eine größere Interaktion mit dem elektrischen Feld lieferten. Mit zunehmendem Alter zeigte sich auch, dass bei den IDK Sensoren, die Form der Kapazitätsmesskurven verändert wurde und nach dem Befüllen der Messzelle und dem Stoppen der Pumpe kein starkes Abfallen der Kapazität mehr auftrat.

Abstract

(Englisch)

In this PhD thesis, chemical sensors have been developed for differentiation, typing, and characterization of erythrocytes. Molecular imprinted polymers are applied as sensitive layers on transducers such as interdigital capacitors (IDCs) of width 5 or 10 µm, and 10-MHz dual electrodes quartz microbalances (QCMs). During polymerization, monomers engulf the template molecules (erythrocytes) by self organization process, leads to the structuring of polymer surface for the reversible incorporation of blood cells after removal of template. On the basis of different antigen structure on erythrocytes, blood groups are classified in ABO blood group system. Moreover, these structured polymers show appreciable selectivity and enable us to differentiate between subgroups A1, A2, A1B and A2B. The subgroups A1 and A2 owe same antigen structure but differ only by the number of antigens on the membrane surface. In capacitance, resistance, and mass-sensitive measurements, the templated blood groups show the higher sensor signals. Optimum frequency range to measure capacitance and resistance on IDCs is 1 to 10 kHz. Polyvinylpyrrolidone, polyacrylate, and polyurethane were used as sensitive layers for analysis. All these materials allow us to differentiate between A1 and A2 blood groups. Whereas, pronounced sensor responses and minimal non-specific adsorption on reference electrode were achieved in the case of polyvinylpyrrolidone as sensitive layer. In capacitance measurements, the templated blood group A1 show higher sensor signals by a factor greater than two than the other A-subgroup; while, a factor of about two in measuring resistance. In mass sensitive measurements, four times higher frequency shift was observed towards templated blood group A1 in comparison to the blood group A2, while using polyvinylpyrrolidone as sensitive layer. Moreover, excellent rigidity of the polyvinylpyrrolidone layer in combination with IDCs is good compromise to measure more than 302 hours. During this time span, typing of the blood groups was feasible. Furthermore, the influence of different analyte solutions on polymer layer was observed as a function of resistance. Polyvinylpyrrolidone layer shows excellent reversibility and selectivity while exposing to different concentrations of salt ions. A decrease in the resistance of material was observed due to the incorporation of ions into the layer. Disintegration of erythrocytes occurred when they remain in non-isotonic solvent systems – e.g. deionized water – and as a reason of ions attaining into the solvent reduction of the resistant signals were observed. In the measurements under isotonic conditions, the inclusion of red cells into the cavities leads to an increase in resistance due to closure of pores. Increase in the resistance above 100% was observed while using IDC of 5 µm comb width. Through this measurement a differentiation under isotonic conditions were practicable. Concentration dependent sensor responses were obtained while capacitive and mass sensitive measurements. In this case, a concentration range of 2.0×107 - 1.5×108 erythrocytes/ml was available for analysis. In this range, an exponential relation exists between concentration and measured resistance. Even, degradation of blood samples could was monitored. In samples with an age of more than 3 months, agglomeration of blood cells occurred due to the agglutination of erythrocytes and the measured differences between template and blood group samples decreased. The age limit of blood cells reduces to 6 months while exposing to IDCs for capacitance or resistance measurements. Due to agglomeration of blood cells, enhanced sensor responses were obtained for almost all the samples. Thus, differentiation between various blood types is going to be decreased. The comparative studies represent that blood group A1 at an age of two weeks shows an increase in capacitance by a factor of two whereas resistance by a factor nine in comparison to blood groups with an age of twelve months. As a result of agglutination, the erythrocytes provide a greater interaction to the electric field. In the case of exposing fresh blood samples to measurement cell, a permanent change in the capacitance was observed, because of the disintegration of the erythrocytes. In contrast, by the use of older red blood cell solutions, a constant capacitance was measured, as represented by the shape of response curve.

Autor*innen

Stephan Aigner

Haupttitel (Deutsch)

Mikrostrukturierte Interdigitalkondensatoren zur Typisierung und Charakterisierung von Erythrozyten mittels kapazitativer und resistiver Messprinzipien und massensensitiver Messungen

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

235 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Deutsch

Beurteiler*innen

Dietmar Knopp ,

Wolfgang Kautek

Klassifikation

35 Chemie > 35.39 Analytische Chemie: Sonstiges

AC Nummer

AC08505764

Utheses ID

12705

Studienkennzahl

UA | 091 | 419 | |

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