Mikrowellensensoren für die dielektrische Charakterisierung biologischer Zellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war die Charakterisierung einzelner biologischer Zellen. Zu diesem Zweck wurden mikrofluidische Sensoren konzipiert und in einem kommerziellen mikrosystemtechnischen Verfahren extern hergestellt. Die Sensoren wurden mit einer neuartigen mechanischen Falle und unterschiedlichen Elektrodenanordnungen entworfen. In zwei Fällen sind letztere einlagig ausgeführt, in einem dritten zweilagig, und zwar als Parallelplattenkondensator mit einer Schutzelektrode. Dies ist ein bei niedrigen Frequenzen bekannter Ansatz, um die Wirkung von Streufeldern abzuschwächen. Die im Vorhaben entwickelte Erweiterung auf hohe Frequenzen ist neuartig. Um breitbandige Messungen der komplexen Permittivität zu ermöglichen, wurde ein Kalibrierverfahren für elektrisch kleine Proben entwickelt. Aufgrund einer Änderung des kommerziellen Herstellungsverfahrens und der daraus resultierenden erhöhten Kosten, konnte entgegen der ursprünglichen Planung nur einer von zwei Technologiedurchläufen realisiert werden. Dadurch fehlte ein Optimierungsschritt. Um dies zu kompensieren, wurden die Sensoren in mehreren Geometrievarianten ausgeführt. Dies und die Corona-Pandemie führten zu mehreren Änderungen des ursprünglichen Zeitplans. Mit den gelieferten Sensoren wurden zwei verschiedene Zelllinien, nämlich von CHO- und HepG2-Zellen gemessen. Für jede wurden lebende und zwei Versionen von toten Zellen untersucht. In allen Fällen erwies sich der dielektrische Kontrast zum umgebenden Kulturmedium als groß genug, um nachweisbar zu sein. Die experimentellen Ergebnisse zeigten auch einen signifikanten und deutlich messbaren Unterschied zwischen den beiden Typen von lebenden Zellen. Außerdem konnten tote Zellen von lebenden Zellen unterschieden werden. Es gibt sogar Hinweise darauf, dass die Art des Abtötens der Zellen, nämlich entweder mit Formalin oder mit Ethanol, mit den aufgenommenen Permittivitätskurven unterschieden werden könnte. Obwohl der ursprüngliche Zeitplan und die vorgesehenen Arbeiten leicht geändert wurden, konnten die wichtigsten Projektziele erreicht werden. Das neuartige Kalibrierverfahren ist ein wesentlicher Beitrag zur Permittivitätsmessung kleiner Proben. Mit allen realisierten Sensoren konnte die breitbandige komplexe Permittivität unterschiedlicher einzelner Zellen erfolgreich bestimmt werden. Die entdeckten Kontraste zwischen verschiedenen Zelllinien und pathologischen Zuständen öffnen die Tür für neue Sensorideen und könnten zukünftige klinische Studien rechtfertigen. Ein Highlight des Vorhabens war das erfolgreiche Schüler-Projekt. Es startete eine neuartige Kooperation zwischen Universität und Gymnasium, in deren Verlauf vier Schüler eine Lösung zur Temperaturerfassung für Mikrochips entwickelten. Die Schüler erhielten erste Einblicke in universitäre Forschungsprojekte und berichteten von wertvollen Erfahrungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“A Capacitive Microwave Sensor with Guard Electrodes for Biological Cell Characterization”, IEEE MTT-S International Microwave Biomedical Conference (IMBioC 2020)
A. Savić, A.F. Jacob
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“A Capacitive Microwave Sensor with Guard Electrode for Single Cell Characterization”, IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology
A. Savić, F. Freiberger, R. Pörtner, A.F. Jacob
