IMADS – Ionenmobilitäts-aktivierte Tröpfchen-Sortierung

• Antragsteller: Professor Dr. Detlev Belder; Professor Dr.-Ing. Stefan Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 578463913

In der Tröpfchen-Mikrofluidik werden Flüssigkeitssegmente, die wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht sind, in einer nicht mischbaren Trägerphase durch Chipkanäle transportiert. Chemische Prozesse in Lösungen lassen sich so auf sehr kleinem Maßstab mit hohem Durchsatz und auf konfigurierbare Weise untersuchen. Jedes Tröpfchen dient als winziges Reaktionsgefäß, in dem die gewünschten Versuchsbedingungen eingestellt und gesteuert werden. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften hat sich die Tröpfchen-Mikrofluidik als leistungsstarke Plattformtechnologie etabliert, insbesondere für das Hochdurchsatzscreening mit minimalem Probenverbrauch. In einigen Anwendungen sind die Tröpfchen für weitere Experimente zu sortieren und zu sammeln. Um den Sortierprozess zu steuern, ist eine geeignete Messtechnik erforderlich, mit der sich die Eigenschaften eines Tröpfchens schnell bestimmen lassen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Analyse der chemischen Zusammensetzung mittels Ionenmobilitätsspektrometrie. Dazu werden kleine Mengen der Tröpfchen in ein Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) überführt. Ja nach Analysenergebnis aktiviert ein Triggersignal die Tröpfchen-Sortierung. Um diese Idee zum Erfolg zu führen, wird in der Arbeitsgruppe Belder an neuartiger Mikrofluidik für die Kopplung von Tröpfchen-Chip und IMS sowie die Sortierung der Tröpfchen geforscht. Die Kopplung von Tröpfchen-Chip und IMS soll per Elektrosprayionisation oder kontaktloser elektrostatischer Sprayionisation über eine in den Chip integrierte Mikrospray-Öffnung erfolgen, um die Analyten in den Tröpfchen on-the-fly in die Gasphase zu bringen. Darüber hinaus wird ein auf der Dielektrophorese basierender Tröpfchen-Sortierer entwickelt und stromabwärts der Mikrospray-Öffnung platziert. Parallel dazu konzentriert sich die Arbeitsgruppe Zimmerman auf die Ionenmobilitätsspektrometrie, wobei eine hohe Wiederholrate von 300 Hz angestrebt wird, um hohe Tröpfchen-Frequenzen zu ermöglichen. Zudem ist ein einstellbares elektrisches Potential am Einlass für die Kopplung mit der auf Massepotential liegenden Mikrofluidik wichtig. Die Kombination dieser beiden Features erfordert sowohl ein neues IMS-Design mit kurzer Verdampfungs- und Driftregion für kurze Driftzeiten, als auch eine neue elektrisch isolierte schnelle Datenerfassung. Dabei sollen ein hohes Auflösungsvermögen und Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erreicht werden. Hohes SNR ist besonders herausfordernd, da die hohe Tröpfchen-Frequenz keine Signalmittelung zulässt. Daher werden hardwaretechnische Ansätze untersucht, um das SNR zu steigern. Die beiden Forschungsstränge werden schließlich zu einem integrierten System zusammengeführt. Die langjährige und sehr erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen bildet die Grundlage, um die Idee der ionenmobilitäts-aktivierten Tröpfchen-Sortierung (IMADS) in eine neue, kostengünstige und kompakte Plattformtechnologie zu überführen. Die Evaluierung erfolgt anhand ausgewählter chemischer Reaktionen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen