Mikrowellen-Dielektrometrie von biologischen Flüssigkeiten in kleinen Mengen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby; Professorin Dr. Svetlana Vitusevich, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Biomaterialien ; Biophysik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270137098

Die präzise Messung der komplexen Permittivität stark verlustbehafteter Materialien insbesondere im Mikrowellenbereich ist für das Monitoring biologischer Flüssigkeiten von zentraler Bedeutung. Trotz einer Vielzahl von Messverfahren fehlen verlässliche Ansätze der Mikrowellen-Charakterisierung bei biologischen Flüssigkeiten in kleinen Mengen komplett. Daher ist es extrem wichtig, Methoden zu entwickeln, die es erlauben i) direkte Messungen der Eigenschaften des flüssigen Materials durchzuführen, ii) eine Methode zu entwickeln, die Flüssigkeiten in kleinsten Mengen von 1 µL bis 1 nL bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser zu charakterisieren und iii) Flüssigkeiten mit einem hohen Wert des Verlustfaktor zu untersuchen. Die Lösung dieses Problems ist von hoher wissenschaftlicher und anwendungsbezogener Bedeutung. Dennoch sind die entscheidenden Herausforderungen an die Messgenauigkeit und die Empfindlichkeit solcher Messungen verlustbehafteter Flüssigkeiten bisher nicht gelöst. Daher kommen direkte Messungen der komplexen Permittivität eine besondere Bedeutung zu. Heute sind die nicht-resonanten Methoden basierend auf Koaxialleitungen oder Metall-Wellenleiter weit verbreitet. Jedoch haben sie eine geringe Empfindlichkeit und erfordern große Mengen an Flüssigkeit im Vergleich mit den sehr kleinen Mengen, die in Resonanz-Verfahren verwendet werden können.Dieses Projekt hat zum Ziel, wissenschaftliche Prinzipien der Mikrowellen-Dielektrometrie an biologischen Flüssigkeiten zu entwickeln, die sensible, direkte Messungen der komplexen Permitivität von verlustbehafteten Flüssigkeiten in kleinen Mengen erlauben. Im Vordergrund steht hierbei eine Technik, die höchstgenaue Messungen ermöglicht. Unsere vorangegangenen Studien zeigen, dass die Probleme unter Einsatz speziell entwickelter Whispering Gallery-Mode (WGM) dielektrischer Resonatoren und Mikrofluidik/Nanofluidik gelöst werden können. Zusätzlich soll als Referenzverfahren ein Breitbandiges Verfahren auf der Basis der Mikrofuidik entwickelt werden, das sich durch eine optimierte Sensitivtät bei gleichzeitig minimalen Messvolumen auszeichnet. Hier werden die wichtigsten Aufgaben erläutert: i) Studie der theoretischen Grundlagen für die Konstruktion und Herstellung neuer Arten von Messzellen für Mikrowellenuntersuchungen von verlustbehafteten Flüssigkeiten in kleinen Mengen, ii) Lösen des invers-elektromagnetischen Problems bei der Bestimmung der komplexen Permitivität aus den Messergebnissen. Hierbei soll ein Dielektrometer-Prototyp mit neuen Messzellen entwickelt werden und Testmessungen an den wichtigsten biologischen Flüssigkeiten (Albumin, Glucose, Cytochrome C, wässrige Lösungen von DNA, usw.) durchgeführt werden.Der erfolgreiche Abschluss dieses Projekts eröffnet Perspektiven für eine neue Art von Dielektrometrie in Biologie und Medizin.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Ukraine
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Carolin Hessinger
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Nicolay Cherpak, Ph.D.