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Mikrowellen-Dielektrometrie hochresistenter Biofilme und mikrowelleninduzierte Membranporation

Schmidt, Sönke (2021):
Mikrowellen-Dielektrometrie hochresistenter Biofilme und mikrowelleninduzierte Membranporation. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00017379,
[Ph.D. Thesis]

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Text
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Mikrowellen-Dielektrometrie hochresistenter Biofilme und mikrowelleninduzierte Membranporation
Language: German
Abstract:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mikrowellenbasierten Analyse und Manipulation biologischer Zellen sowie der dazu notwendigen Messtechnik. Die dielektrische Charakterisierung biologischer Substanzen kann Aufschluss über Konzentrationen, Anomalien oder Reaktionen von Experimenten geben. Eine besondere Rolle nimmt dabei die frequenzabhängige Permittivität von Zellen ein. Die Zellmembran weist ein Hochpassverhalten auf und wird somit spektroskopisch betrachtet mit steigender Frequenz zunehmend transparent. Dementsprechend dominieren bei niedrigen Frequenzen die Eigenschaften der Membran, im Mikrowellenbereich dagegen die des Zytoplasmas. Dies ermöglicht eine nicht-invasive, kontaminations- und markerfreie Analyse des Zellinneren. Potentiell kann diese Methode für zukünftige, integrierte Plattformen, sogenannte Lab-On-A-Chip, verwendet werden. Dies ist von großer Bedeutung, da Lab-On-A-Chip gerade im Hinblick auf die sogenannte Point-Of-Care-Diagnose das Potential attestiert wird, die medizintechnische Praxis maßgeblich zu verändern. Dafür bedarf es unter anderem einer präzisen Kalibrierung, um die minimalen Änderungen der komplexen Permittivität mit Hilfe von Streuparametermessungen in einem mikrofluidischen System eindeutig und wiederholbar ermitteln zu können. Hierfür wird ein Schema demonstriert, das nur auf der Vorwärtstransmission S_21 einer Streuparametermessung basiert. Es handelt sich dabei um eine Formulierung, die ohne weitere Informationen, etwa aus Vollwellensimulationen oder Messungen gesonderter Strukturen, auskommt. Stattdessen genügt für diese inline-Kalibrierung die Messung dreier Referenzflüssigkeiten. Die Validierung in einem Frequenzbereich von 10MHz bis 40 GHz zeigt das Potential Permittivitäten von Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Kanal mit einem kleinen relativen Fehler von < 0,7 % zu messen. Neben den rein messtechnischen Herausforderungen hat die vorliegende Arbeit den Anspruch, das Potential der Mikrowellentechnik im interdisziplinären Forschungsfeld anhand von relevanten biologischen Fragestellung zu validieren. Aus diesem Grund wird die Mikrowellen-Dielektrometrie erstmals angewendet, um bei fünftägigen Langzeitmessungen in einem Frequenzbereich von 10MHz bis 26,5 GHz im mikrofluidischen System hochresistente Biofilme zu überwachen. Dabei wird gezeigt, dass der Metabolismus, das Wachstum sowie die Inaktivierung durch ein Antibiotikum detektierbar sind. Als Erweiterung zur reinen Überwachung von biologischen und pathologischen Experimenten wird anhand der in der Forschung aktuell diskutierten mikrowelleninduzierten Membranporation die Manipulation der Zellmembran durch das elektrische Feld demonstriert. Dabei werden exogene Moleküle durch eine temporäre, reversible Permeabilisierung der Zellmembran dauerhaft eingeschleust. Erstmals wird dieser Vorgang mit optischen Daten und simultan ermittelten dielektrischen Messungen korreliert. Es wird gezeigt, dass ab einem Grenzwert von 100 V/cm bei 18 GHz der Effekt der Membranporation eintritt. Die Permeabilisierung ist dabei eindeutig durch eine Veränderung der Permittivität detektierbar. Eine thermische Analyse zeigt, dass der Effekt nicht temperaturinduziert ist. Dabei scheint das Verfahren weder durch den Zelltyp noch durch die einzubringenden relevanten Substanzen limitiert zu sein.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In this work, microwave-based analysis and manipulation of biological cells as well as the underlying measurement techniques are discussed. The dielectric characterization of biological substances can be linked to concentrations, anomalies, or reactions of experiments. Here, a key-element is the frequency dependent permittivity of a cell. The membrane corresponds to a high-pass characteristic, and thus, its transparency increases with increasing frequency from a spectroscopic point of view. Therefore, for lower frequencies the influences of the cell’s membrane dominate, while for microwave frequencies it is the cytoplasm. This allows for a non-invasive, marker-less, and contamination-free analysis of the inside of a cell. Potentially, this method is suitable for future integrated platforms, so called lab-on-a-chip. This is of particular importance, as lab-on-a-chip have the potential to change the state of the art in medical technology, especially with respect to point of care testing. For this purpose, precise calibration schemes in order to measure minimal differences in the complex permittivity based on scattering parameters in a microfluidic system are highly required. A calibration technique which is based on the transmission parameter S_21 only, is demonstrated. This calibration scheme neither rely on preliminary information nor on coefficients from full-wave simulations or measurements of additional structures. In contrast, for this inline calibration, measurements of three reference liquids are sufficient. The validation in a frequency range of 10MHz to 40 GHz demonstrates the potential to measure the permittivity of a liquid in a microfluidic channel with a relative error as small as < 0.7 %. Besides the challenges of measurement techniques, the present work aims to validate the potential of microwave technology in the interdisciplinary field of research on the basis of relevant biological experiments. For this reason, microwave dielectrometry is used for five day log-term measurements in a frequency range of 10MHz to 26.5 GHz to monitor highly resistant biofilms in a microfluidic system for the first time. The detection of the metabolism as well as the growing and the inactivation due to an antibiotic treatment is demonstrated. In addition to the monitoring of biological and pathological experiments, the manipulation of the cell membrane by the electric field is demonstrated using the novel approach of microwave-induced membrane poration. Thereby, a temporarily reversible permeabilization of the cell’s membrane leads to a permanent uptake of exogenious molecules. For the first time, this method is monitored by means of dielectric spectroscopy and optical microscopy simultaneously. A lower limit of the electric field strength of 100 V/cm at 18 GHz could be identified. The permeabilization of the membrane can be detected clearly by a change in the permittivity. A thermal analysis shows that the permeabilization effect is not temperature-induced. Moreover, the method does not seem to be limited by the cell type or the range of substances.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 131 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 28 Jan 2021 08:16
Last Modified: 28 Jan 2021 08:16
DOI: 10.26083/tuprints-00017379
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-173797
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf ; Rapp, Prof. Dr. Bastian E.
Refereed: 18 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17379
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