Mikrowellensensoren für die dielektrische Charakterisierung biologischer Zellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Arne F. Jacob
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423711081

Wie in der einschlägigen Literatur ausführlich diskutiert, eignen sich Mikrowellen zur zerstörungs- und marker-freien Charakterisierung von biologischen Zellen. Dies könnte völlig neue Möglichkeiten in biomedizinischen und biotechnologischen Anwendungen eröffnen. Messungen sowohl von Zellkulturen als auch an einzelnen Zellen haben unterschiedliche elektromagnetische Antworten (Streuparameter) ergeben. Eine eindeutige Signatur, wie die Permittivität, wurde für Einzelzellen bisher allerdings nur ansatzweise bestimmt. Der Einfluss von Größe und Inhomogenität der Zelle wurde noch gar nicht berücksichtigt. Mit diesem Vorhaben beabsichtigen wir diese Lücke zu schließen. Es sollen dafür Mikrowellensensoren und Charakterisierungsmethoden erforscht werden, mit denen die breitbandigen dielektrischen Eigenschaften von einzelnen Zellen unabhängig von deren Größe extrahiert werden können. Dabei sollen die irreguläre Form, die Verformbarkeit und die Inhomogenität der Zellen berücksichtigt werden.Um diese Ziele zu erreichen verfolgen wir zwei komplementäre Ansätze. Der erste beruht auf einem planaren Sensor, der einen Teil der Zelle abtastet. Für eine umfassende Untersuchung soll die Zelle von verschiedenen Seiten gemessen werden. Hierfür muss sie gedreht werden, was mit Hilfe der Elektrorotation geschehen soll. Zusammen mit der Dielektrophorese ergibt sich ein flexibles Mittel für die Zellmanipulation und -positionierung.Im zweiten Ansatz wird die Zelle mit einem nahezu homogenen Feld durchleuchtet. Hierfür soll ein Parallelplattenkondensator mit Schirmelektrode entworfen werden. Schirmelektroden sind im Niedrigfrequenzbereich eine bewährte Methode, um Streufelder zu verringern. Der Sensor misst also die ganze Zelle, oder zumindest einen signifikanten Teil davon. Eine einfache mechanische Dreiwege-Falle soll zur Positionierung der Zellen integriert werden.Bei beiden Ansätzen soll die Permittivität mit Hilfe von aus gemessenen Streuparametern gewonnenen Ersatzschaltbildern extrahiert werden. Hierfür soll eine einfache Kalibriermethode weiterentwickelt werden. Ein (statistischer) Vergleich beider Ansätze soll Hinweise auf die Aussagekraft geben. Dies wird dazu beitragen, die Resultate der verschiedenen Zellmessungen zu klassifizieren, interpretieren und verstehen.Als übergeordnetes Ziel dieser Projektphase sollen die Permittivitätsmuster unterschiedlicher kommerzieller Zelllinien ermittelt werden sowie, sofern möglich, zwischen unterschiedlichen pathologischen Zuständen, wie gesund, tot, kanzerös oder durch Elektroporation geschädigt, differenziert werden können. In einer möglichen zweiten Phase sollen die Sensoren und Messmethoden auf die Charakterisierung von Primärzellen übertragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen