Development and Characterization of a molecualr-biomechanical sensor for the optical measurement of dynamic forces in vitro and in vivo
Analytical Chemistry
Final Report Abstract
Bislang beruhen die meisten Strömungs- und Druckmessungen an Oberflächen auf makroskopischen mechanischen Aufbauten, die bestenfalls eine sehr grobe Ortsauflösung bieten. Oberflächendruckmessungen über drucksensitive Anstriche (pressure sensitive paints, PSPs) erlauben zwar eine höhere Ortsauflösung und kontaktfreie Messungen mittels der Messung der lokalen Sauerstoffkonzentration über Lumineszenzfarbstoffe, jedoch ist diese Methode sehr temperaturabhängig und erfordert außerdem das Arbeiten in aerober Umgebung mit bekanntem Sauerstoffgehalt. Zusätzlich zeigt diese Technik zwar Druckunterschiede an, kann jedoch keine Strömungsdynamiken sichtbar machen. Der in diesem Projekt bearbeitete Oberflächensensor erfasst die Fluiddynamik einer Oberfläche mit Hilfe chemisch modifizierter biologischer Moleküle und erlaubt eine kontaktlose, fluoreszenzbasierte Messung von Strömungsparametern mit sehr hoher Ortsauflösung. Die operative Vielseitigkeit des Systems wurde sowohl auf verschiedenen Substraten (Glas, Metall, Polymerfolien) als auch in unterschiedlichen Fluiden (Gase, Flüssigkeiten) unter Beweis gestellt. Im Hinblick auf den Produktionsprozess wurde die chemische Synthese grundlegend überarbeitet, um höhere Ausbeuten, bessere Oberflächenbedeckungen und eine höhere Homogenität der Sensorantwort zu ermöglichen. Auch die Sensorgeometrie durchlief mehrere Optimierungsstufen, insbesondere im Hinblick auf erhöhte Empfindlichkeit, hoher Einheitlichkeit der einzelnen Sensorelemente und der verlässlichen Verankerung mit der Oberfläche in einer definierten Orientierung. Zusätzlich lassen sich die neuen Sensorgeometrien leicht modifizieren, so dass sie auf den jeweiligen Anwendungsbereich angepasst werden können. Zur Konstruktion wurde ein computergestützter Algorithmus entwickelt, der die selbstorganisierte Zusammensetzung der Sensorkomponenten optimiert und beschleunigt. In Fortführung der hier vorgestellten Arbeiten kann die Struktur des Sensors besser kontrolliert und besser verstanden werden, was Vergleiche und bidirektionale Verbesserungen der experimentellen Seite und ein diskretes mathematisches Modell ermöglicht. Dies ist nicht nur ein großer Schritt zur Realisierung von Sensoranwendungen, sondern könnte auch tiefere Einblicke in den Grenzbereich zwischen klassischer Mechanik und Quantenmechanik liefern.
