Eine gemultiplexte magneto-assay Platform basierend auf Farbstoff-codierten Polyelektrolyt-Mikrokapseln

• Antragsteller: Dr. Metin Kayci
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506083804

Mit diesem Antrag wird die Entwicklung einer Mikrosensor-Plattform verfolgt, welche die Fähigkeit zur spezifischen Anbindung von Biomolekülen kombiniert mit einem Messsystem, welches auf Stickstoff-Fehlstellen (NV, nitrogen vacancy) Quantenzentren basiert und in dem die Ankopplung eines Konjugats aus einem Biomolekül und einem magnetischem Nanopartikel (MNT), in einem charakteristischen und optisch detektierbaren magnetischen Resonanzspektrum (ODMR) resultiert. Als Mikrosensoren kommen Polyelektrolyt-Mikrokapseln mit einer Mehrlagen-Architektur zum Einsatz, die als magneto-assay Plattform dienen sollen. Durch ihren mehrschaligen Aufbau, können die Mikrokapseln dabei beliebig viele voneinander abgegrenzte Bereich von unterschiedlichem Inhalt und Funktionalität aufweisen. Beispielsweise ist auf diese Weise die Ausstattung eines einzelnen Mikrosensors mit mehreren Fluoreszenzfarbstoffen möglich, was die gemultiplexte Detektion von Zielmolekülen in komplexen biologischen Systemen erlauben würde. Basierend auf dem Aufbau, welcher in unserer aktuellen Veröffentlichung vorgestellt wurde (PNAS, 118, 51 (2021)), soll zunächst ein Diamant im Chip-Maßstab als Quelle für die Stickstoff-Fehlstellen (NV, nitrogen vacancy) Quantenzentren dienen, um damit magnetische Profilmessungen an den Mikrosensoren durchzuführen und so die Kopplung der MNTs nachzuweisen. In einem zweiten Schritt, sollen fluoreszierende Nanodiamanten (FND, fluorescent nanodiamond) in die äußerste Schicht der Polyelektrolyt-Mikrokapseln eingebettet werden, um den Chip-basierten Diamanten zu ersetzen. Das führt zu einem miniaturisierten und integrierten Mikrosensor-System, welches zur direkten Ausgabe des ODMR Signals fähig ist. Ultimativ wird die Entwicklung einer auf magnetischen Nanopartikel (MNT) basierenden Aptasensor-Plattform zur Detektion von Thrombin-Molekülen verfolgt. Ein wichtiger Schritt zu diesem Ziel ist die Detektion von DNA-Hybridisierungsvorgängen mit einer niedrigen Erfassungsgrenze und hoher Selektivität für die DNA Zielmoleküle.Daneben wird die Entwicklung von Mehrlagen-Mikrokapseln für die Integration erweiterter Funktionalitäten angestrebt. Zum Beispiel sollen Therapeutika oder Signalmoleküle direkt in die Mikrokapseln eingebunden werden, die dann gleichzeitig als Vehikel fungieren um die Moleküle am Ort des Interesses durch Ultraschall kontrolliert freizusetzen. Die Interaktion der freigesetzten Therapeutika mit den Thrombin-Molekülen in Sensornähe führt zu deren Inhibierung, was sich in einem modulierten ODMR Signal niederschlägt, welches simultan durch die eingebetteten NV-Quantenzentren erzeugt wird. Die Umsetzung auf einer komplementären mikrofluidischen Plattform erlaubt eine kosten- und volumeneffiziente Manipulation und Analyse von biologischen Proben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen