Ultra-broadband dielectric spectroscopy of biomolecules
Final Report Abstract
Es wurde ein Messsystem entwickelt für die Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften biomedizinisch relevanter Substanzen. Mittels vektorieller Netzwerkanalyse werden Realteil ε' und Imaginärteil ε'' im Frequenzbereich zwischen 10 MHz und 110 GHz lückenlos erfasst. Da die interessierenden Probensubstanzen typisch nur im mg-Maßstab vorliegen, wurden die Messsonde und die Handhabung der Proben soweit optimiert, dass jetzt 30 µl Probenvolumen für mehrfach wiederholbare Messungen ausreichen. Dabei wird nahezu kein Probenmaterial verbraucht, da in den Behältern der originalen Proben, 0,2 bis 1,5 ml Polypropylenröhrchen, gemessen werden kann. Ebenso kann unter sterilen Bedingungen gearbeitet werden. Die Probentemperatur wie auch ihr zeitlicher Verlauf können nun rechnergesteuert auf beliebige Werte zwischen -10°C und 120°C eingestellt werden. Diese Steuerung umfasst auch die Kontrolle der Datenerfassung, sodass beliebig viele Spektren vollautomatisch registriert werden können. Die Rechenverfahren, die notwendig sind, um aus den primären hochfrequenztechnischen Messwerten (s-Parameter) die biophysikalisch relevanten Größen zu bestimmen, wurden wesentlich verbessert und automatisiert. Dabei werden beide Komponenten der komplexen Permittivität simultan berücksichtigt. Die Software erlaubt die Bestimmung der Zeitkonstanten, Stärken und Symmetrieparameter von bis zu drei Dispersionen sowie die der DC-Leitfähigkeit. Somit konnten über 10.000 Spektren erfasst werden, von denen über 6.000 im Rahmen des Projektes ausgewertet wurden. Als biomedizinisch relevante Verbindungen wurden sowohl Nukleinsäuren als auch Aminosäuren und Proteine untersucht. In den Spektren für die Nukleotide AMP und ATP konnten zwei Rotationsdispersionen identifiziert werden und daraus die Hydratationszahlen zu 57 bzw. 67 Wassermolekülen je Nukleotidmolekül bestimmt werden. Als wohldefinierte DNA wurde das Plasmid pET-21 mit 5443 Basenpaaren vermessen. Im Vergleich zu Vertebraten-DNA fehlen die beiden niederfrequenten Dispersionen. Dies könnte eine Folge des erheblich geringeren Methylierungsgrades der Plasmid-DNA sein - ein bisher in der dielektrischen Spektroskopie unberücksichtigter Aspekt. Für Aminosäuren konnte eine starke Verbreiterung der γ-Dispersion bis weit unter 1 GHz festgestellt werden, die auf mindestens zwei weitere Relaxationsvorgänge hinweist. Im Bereich der Proteine wurden Hämoglobin von Mensch und Rind, Myoglobin, Rinderserumalbumin, Lysozym sowie Ribonuklease untersucht. Der Einfluss der Temperatur und verbreiteter Denaturierungsagenzien wurde beispielhaft für Rinderserumalbumin studiert. Ferner wurde für dieses Protein der Einfluss seiner Konzentration auf die dielektrischen Eigenschaften untersucht, die mit bekannten Daten von Lysozym zum Teil übereinstimmen. Ermöglicht durch den im Vergleich zur Literatur erweiterten Frequenzbereich zeigen sich Effekte, wie z. B. die starke Verbreiterung der γ-Dispersion, die eine Erweiterung der gängigen Modelle erfordern. Da die Tendenz zu immer höheren Frequenzen in der Kommunikations- und der Verkehrstechnik (z. B. 77 GHz-Rader) weiterhin anhält, ist zu erwarten, dass auch im Mikrowellenbereich zunehmend preisgünstige Komponenten verfügbar sein werden. Damit lassen sich auch für den Bereich der Biomedizin handliche Tischgeräte entwickeln, die analog zu pH-Metern oder Absorptionsspektrometern benutzt werden können und die auf Permittivitätsmessungen im hier vorgestellten Bereich bis über 100 GHz basieren.
Publications
- Broadband dielectric spectroscopy of bovine serum albumin in the GHz range, Eur. Biophys. J. 46, S347 (2017)
E.-M. Laux, J. Gibbons, E. Ermilova, F. F. Bier, R. Hölzel
- Dielectric spectroscopy of bovine serum albumin up to 110 GHz, European Biosensor Symposium BioSensor 2017, Potsdam
E.-M. Laux, J. Gibbons, E. Ermilova, F. F. Bier, R. Hölzel
- Dielectric spectroscopy of biomolecules up to 110 GHz, Frequenz 72, 135-140 (2018)
E.-M. Laux, E. Ermilova, D. Pannwitz, J. Gibbons, R. Hölzel, F. F. Bier
(See online at https://doi.org/10.1515/freq-2018-0010) - Dielectric spectroscopy of bovine serum albumin at GHz frequencies, DPG-Frühjahrstagung 2018, Berlin
E.-M. Laux, J. Gibbons, E. Ermilova, F. F. Bier, R. Hölzel
- Dielectrophoretic immobilisation of nanoparticles as isolated singles in regular arrays, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 065308 (2018)
X. Knigge, C. Wenger, F. F. Bier, R. Hölzel
(See online at https://doi.org/10.1088/1361-6463/aaa528) - Electrode-based AC electrokinetics of proteins: A mini-review, Bioelectrochem. 120, 76-82 (2018)
E.-M. Laux, F. F. Bier, R. Hölzel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2017.11.010)
