Integrierte Impedanzspektroskopie aerober Zellkulturen in biotechnologischen Hochdurchsatzscreenings

Hofmann, Mirko; Mokwa, Wilfried

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-28433

Integrierte Impedanzspektroskopie aerober Zellkulturen in biotechnologischen Hochdurchsatzscreenings = Integrated impedance spectroscopy of aerobe cell cultures in high throughput screenings

Hofmann, Mirko (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mirko Hofmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangV, 143 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-04-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-28433
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51294/files/Hofmann_Mirko.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Impedanz (Genormte SW) ; Impedanzmessung (Genormte SW) ; Impedanzspektroskopie (Genormte SW) ; Fermentation (Genormte SW) ; Zellwachstum (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Impedance (frei) ; Impedance spectroscopy (frei) ; Fermentation (frei) ; cell growth (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung, Herstellung und Untersuchung spezieller Sensoren zur Messung elektrischer Eigenschaften mikrobieller Zelllösungen während der Fermentation in Mikroreaktorenarrays. Hierzu wurden zwei verschiedene Verfahren getestet: galvanisch entkoppelte Sensoren und Vierelektrodenanordnungen. Die Herstellung der Sensoren wurde mittels mikrosystemtechnischer Verfahren auf flexiblen Polyimidfolien durchgeführt. Zur Charakterisierung aller hergestellten Sensoren wurden Messungen an KCl-Lösungen mit Leitfähigkeiten in einem Bereich von 3 mS/cm bis 19 mS/cm vorgenommen. Des Weiteren wurden Tests an Zelllösungen während der Fermentation durchgeführt. Diese Messungen wurden mit zuvor gezeigten Modellen verglichen und interpretiert. Neben den geometrischen Eigenschaften wurden auch die Materialeigenschaften der Elektroden genauer untersucht. Hierzu wurden Elektroden aus reinem Platin mit Elektroden aus Iridiumoxid verglichen. Durch eine einfache Vorkonditionierung der Iridiumoxidelektroden verringerten sich die Elektrodenimpedanzen deutlich gegenüber vergleichbarer Platinelektroden. Anhand von Messungen in konzentrierten Hefelösungen und während laufender Fermentationen konnte die Anwendbarkeit der Sensoren zur Online-Überwachung mikrobieller Prozesse nachgewiesen werden. Die für die Tests verwendete Kultur war die Hefe Hansenula Polymorpha. Bereits bei den niedrigen Zelldichten von unter 15 g/l, die sich während der durchgeführten Batch-Fermentationen einstellten, waren die Wachstumsverläufe der Kulturen gut messbar. Es wurden ebenfalls Versuche mit Escherichia Coli in komplexem TB-Medium durchgeführt. Da der in dieser Arbeit verwendete Frequenzbereich nicht die vollständige beta-Dispersionsstufe der Bakterien auflösen konnte, war das kapazitive Messsignal kein eindeutiger Indikator für die lebende Biomasse. Stoffwechselbedingte Leitfähigkeitsveränderungen des Mediums und morphologische Änderungen der Zellen hatten ebenfalls große Einflüsse auf die gemessenen elektrischen Eigenschaften. Es konnte mit den Untersuchungen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Integration von Impedanzmesselektroden in eine herkömmliche Mikrotiterplatte möglich ist. Die durch die Messung der elektrischen Impedanz gewonnenen Informationen eignen sich hervorragend, zur Beobachtung und Charakterisierung aerober Fermentationsprozesse bereits im Mikrolitermaßstab.

The presented work focuses on the development, fabrication and characterisation of electrical sensors to measure dielectrical properties of biological cell solutions during fermentation processes. For this, two different sensor concepts are tested and compared: galvanically decoupled sensors and sensors with four-electrode-configuration. All sensors are fabricated on flexible polyimide foils with processes based on MEMS-technology. In order to characterise the developed sensors physically, all sensors are tested in KCl-solutions of different conductivity. The conductivity varies in a range of 3 mS/cm up to 19 mS/cm. Furthermore, impedance measurements in cell solutions are carried out during fermentation processes. All these measurements are compared and interpreted with postulated theoretical models. Beside the electrical also the material properties of the fabricated electrodes are of interest. Therefore, electrodes with pure platinum surfaces are compared to electrodes covered by a thin iridiumoxyde layer. By a simple electrical pre-conditioning of the iridium-electrodes the electrochemical impedance of the electrode surface can be reduced significantly compared to those made out of pure platinum. Measurements in high concentrated cell-solutions and during fermentation processes show the applicability of the developed sensors for the online monitoring of biological processes and cell growth. The cell culture used in this work is the yeast culture Hansenula Polymorpha. Even at low concentrations of less than 15 g/l the growth of these cells can be monitored clearly. In addition to this, tests with bacteria Escherichia Coli are carried out in complex TB-medium (terrific broth medium). As the maximum frequency is not higher than 10 MHz in this work it is not possible to detect the whole frequency-step of the beta-dispersion of the small bacterial cells (< 2 µm). Therefore, the capacitive measurement signal is not a clear indicator for the biomass. Changes in conductivity due to the metabolism or morphological changes of the cells can influence the measured signal of the electrical properties as well. In this work the feasibility of integration of impedance measurement systems in standard microtiter plates is shown. The information achieved by the electrical measurements is suited for monitoring and characterising fermentation processes of aerobe cell cultures even in small volumes of less than 200 µl.

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