Digitale Mikrofluidik (DMF) zwecks SERS-Analyse auf einem Chip mit EWOD-/(w)OEW-getriebenen Analyt-Tropfen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Chemische Analysen tendieren zu immer kleineren Systemen („lab-on-a-chip 1.0“), wobei die Analytflüssigkeiten in Kapillarkanälen auf dem Chip strömen. Mittlerweile werden jedoch auch Chipsysteme entwickelt („lab-on-a-chip 2.0“, „Digitale Mikrofluidik“ (DMF)), mit denen Analyttropfen auch ohne Kanäle genutzt, manipuliert und analysiert werden können. Das spart große Mengen an Lösungsmitteln ein und ermöglicht Analysen kleinster Substanzmengen. – Auf einem DMF-Chip müssen Mikrotropfen an verschiedene Stellen bewegt werden, um sie zu manipulieren oder zu analysieren. Im Vorhaben sollten erstmals die gezielte Tropfenbewegung und die online-Analyse mittels oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS = „surface-enhanced Raman scattering“) kombiniert werden. Die erhaltenen Spektren können genutzt werden, um chemische Substanzen zu identifizieren. Das Raman-Streusignal und damit die Sensitivität können deutlich verstärkt werden, wenn die Substanzen mit Metallpartikeln oder -oberflächen in Kontakt gebracht werden. Die Gruppe Belder hat im Rahmen des Projekts beide dieser Ansätze untersucht. Bei Verwendung stationärer SERS-Targets ist es sogar gelungen, diese in kurzer Zeit wieder zu regenerieren. Dies stellt eine wesentliche Neuerung dar, da die Chips dann für weitere Analysen genutzt werden können. Für die on-chip-Manipulation und Bewegung der Tropfen wurde zunächst Elektrobenetzung (EWOD) genutzt, später von der Gruppe Fouckhardt auch Optoelektrobenetzung (OEW), basierend auf geeigneten Schichtenfolgen auf dem Chip. Bei Anlegen einer Spannung kann die Oberflächenspannung der Analyttropfen verändert werden, wodurch sie in Richtung auf einen elektrischen Kontakt gezogen oder geschoben werden können. Im OEW-Fall kann auf die aufwändige Elektrodenstrukturierung verzichtet werden. Dafür werden gegenüber EWOD eine photoleitfähige Schicht und ein Lichtspot implementiert. Der Spot wird beliebig über den Chip bewegt, so dass auch die Tropfen beliebig bewegt werden können. Um den Platz ober- und unterhalb des Chips für eine mikroskopische Kontrolle und die SERS-Detektion frei zu bekommen, sollte ursprünglich mit wellengeleitetem OEW-Licht gearbeitet werden. Im Projekt hat sich die Wellenleitung aber als nicht realisierbar erwiesen, da die OEW-Anforderungen an die Schichtenfolge dem entgegenstehen. Gleichwohl wurde das OEW-Licht wie geplant nicht von oben, sondern von der Chipseite eingekoppelt und die Tropfen konnten quer zu dem verschobenen Lichtstrahl bewegt werden. Dieses neue Konzept wird LL-OEW („light line OEW“) genannt. Das Projekt stellt ein erfolgreiches Beispiel dafür dar, wie in der DMF Tropfenmanipulation und chemische online-Analyse verknüpft werden können, wobei SERS wegen der inhärenten Signalverstärkung besonders geeignet ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Microfluidic optical shutter flexibly x-y actuated via electrowetting-on-dielectrics with <20 ms response time. Adv. Opt. Technol. 2017, 8, 1-5
H. Fouckhardt, J. Strassner, C. Heisel, D. Palm, C. Doering
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2017/7610652) - Microfluidic droplet array as optical irises actuated via electrowetting. Adv. OptoElectron. 2018, 1262947
J. Strassner, C. Heisel, D. Palm, H. Fouckhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2018/1262947) - Raman Spectroscopic Detection in Continuous Micro-Flow Using a Chip-Integrated Silver Electrode as Electrically Regenerable SERS Substrate. Anal. Chem. 2019, 91, 9844-9854
E. M. Höhn, R. Panneerselvam, A. Das, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b01514) - Microdroplet actuation via light line optoelectrowetting (LL- OEW). Int. J. Anal. Chem. 2021, 3402411
C. Doering, J. Strassner, H. Fouckhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2021/3402411) - Lithography-free technology for the preparation of digital microfluidic (DMF) lab-chips with droplet actuation by optoelectrowetting (OEW). Int. J. Anal. Chem. 2022, 2011170
C. Doering, J. Strassner, H. Fouckhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2022/2011170) - Microfluidics and surface-enhanced Raman spectroscopy, a win–win combination? Lab Chip 2022, 22, 665-682
R. Panneerselvam, S. Hasan, E.-M. Höhn, A. Das, H. Noothalapati, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/D1LC01097B) - On-the-Fly Mass Spectrometry in Digital Microfluidics Enabled by a Microspray Hole: Toward Multidimensional Reaction Monitoring in Automated Synthesis Platforms. J. Am. Chem. Soc. 2022
A. Das, C. Weise, M. Polack, R. D. Urban, B. Krafft, S. Hasan, H. Westphal, R. Warias, S. Schmidt, T. Gulder, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jacs.2c01651) - Optoelectrowetting (OEW) with push-actuation of microdroplets at small frequencies and OEW equations revisited. Sens. & Act.: A. Physical 2022, 334, 113331
J. Strassner, C. Doering, E. Oliveira, H. Fouckhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.113331)
