Neuartige Sensorkonzepte wie Lab-on-a-Chip (LOC)-Technologien ermöglichen die Detektion und Quantifizierung von Analyten auch in Laboren mit einfacher Grundausstattung und wenig geschultem Personal. Heutzutage sind diese Technologien wichtige und leistungsfähige Diagnosewerkzeuge im Gesundheitswesen und werden zunehmend auch im industriellen Umfeld der Bioökonomie eingesetzt. Die derzeitige LOC-Technologie ist jedoch keine All-in-One-Lösung, da sie nicht den Nachweis mehrerer Analyten erlaubt und Limitierungen in Bezug auf Kosten, Empfindlichkeit, einfache Handhabung und Haltbarkeit aufweist. Im Projekt BioQuant sollen die bestehenden Limitierungen aktueller Biosensoren überwunden werden, indem eine neuartige Klasse biologischer Nanomaterialien – DNA-stabilisierte Metallquantencluster (QC:DNA) - mit Mikrofluidik kombiniert werden, um die nächste Generation von LOC-basiertenTechnologien für industrielle Anwendungen zu entwickeln.
Um dieses Ziel zu erreichen, soll in Bioquant durch die transdisziplinäre Expertise der Partner in den Bereichen der Molekularbiologie, Quantenphysik, Chemie und Ingenieurwesen, eine einzigartige Technologieplattform auf Basis von Metall-DNA-Kompositmaterial entwickelt werden, welche ultrasensitive Nachweisverfahren im industriellen Umfeld ermöglicht. Das Projekt kombiniert:
1) maßgeschneiderte QC:DNAs mit abstimmbaren Fluoreszenzeigenschaften als empfindliche, schnelle und kostengünstige Sensoren für verschiedene Anwendungen mit optimierter Zielspezifität;
2) fluoreszenzbasierte Auslesesysteme für Multiplexanwendungen; und
3) mikrofluidische LOC-Geräte mit oberflächenimmobilisierten oder schwimmenden QC:DNAs zur Maximierung der Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Zielmoleküldetektion in Lösung
Um das industrielle Potenzial der BioQuant-Technologie zu demonstrieren, wird sich das Projekt auf die Detektion verschiedener Gruppen von Analyten konzentrieren, die wichtige Produktverunreinigungen in biotechnologischen und industriellen Prozessen darstellen: Toxine in Lebens- und Futtermitteln sowie anthropogene pharmazeutische Rückstände in Wasser. Die ehrgeizige langfristige Vision des Projekts ist es, verschiedene Moleküle mit Hilfe eines miniaturisierten tragbaren Geräts, das für Anwendungen wie Umwelt- und Lebensmittelanalytik sowie Point-of-Care (PoC)-Diagnostik geeignet ist, aufzuspüren, um eine schnellere und kostengünstigere, empfindlichere, zuverlässigere und bequemere Multiplex-Detektion von Analyten wie Toxinen, Krankheitserregern und Prozessverunreinigungen im Vergleich zu bestehenden Methoden und Technologien zu erreichen.
Arbeitsschritte: Um das Vorhabensziel zu erreichen, sind folgende Arbeiten geplant: (1) Design und Entwicklung von maßgeschneiderten QC:DNAs mit abstimmbaren Fluoreszenzeigenschaften, bestehend aus DNA und Metallionen für den spezifischen Nachweis von zwei repräsentativen Klassen von Analyten: Toxine und
Arzneimittelrückstände. (2) Engineering von QC:DNAs mit ausgewählten Biomolekülen zur Verbesserung ihrer Bindungseigenschaften für eine optimale Target-Detektion. (3) Immobilisierung der fein abgestimmten funktionalen QC:DNAs auf vorfunktionalisierten Chipoberflächen. (4) Integration der funktionalisierten QC:DNAs in ein mikrofluidisches Gerät für die Online/Inline-Analytik und (5) Demonstration der schnellen und hochspezifischen Detektion von Analyten in einem tragbaren biohybriden, mikrofluidischen System im Labormaßstab.
Blaschke, Oliver; Kluitmann, Jonas; Elsner, Jakob; Xie, Xie; Drese, Klaus Stefan (2024)
micromachines 15 (11), 1312.
The study presents a unifying methodology for
characterizing micromixers, integrating both experimental and simulation
techniques. Focusing on Dean mixer designs, it employs an optical
evaluation for experiments and a modified Sobolev norm for simulations,
yielding a unified dimensionless characteristic parameter for the whole
mixer at a given Reynolds number. The results demonstrate consistent
mixing performance trends across both methods for various operation
points. This paper also proposes enhancements in the evaluation process
to improve accuracy and reduce noise impact. This approach provides a
valuable framework for optimizing micromixer designs, essential in
advancing microfluidic technologies.Consistent Evaluation Methods for Microfluidic Mixers
DOI: 10.3390/mi15111312
Open Access
Peer Reviewed
Kluitmann, Jonas; Drese, Klaus Stefan (2024)
Posterpräsentation auf der EuroMBR Microfluidics Catanzaro, September 2024 .
Droplet Based Platform for the Detection of Environmental Pollutants with Fluorescent DNA Quantum Clusters
Kluitmann, Jonas; Blaschke, Oliver; Elsner, Jakob; Drese, Klaus Stefan (2024)
Posterpräsentation auf der iCampus Cottbus Conference ICCC2024, Mai 2024.
Schnelle und Robuste Experimentelle Evaluationsmethoden für Mikrofluidische Mischer
Kluitmann, Jonas; Blaschke, Oliver; Elsner, Jakob; Drese, Klaus Stefan (2024)
, 195-198.
Fast and Robust Experimental Evaluation Methods for Mi-crofluidic Mixers
DOI: 10.5162/iCCC2024/P25
Open Access
Kluitmann, Jonas; Drese, Klaus Stefan (2024)
Vortrag auf dem 12th Workshop of Chemical and Biological Micro Laboratory Technology CBM2024 in Ilmenau, März 2024.
Environmental pollution is an
ever-growing concern. Industrial sites as well as agricultural use areas can
bear immense harmful burdens. Unintentionally improperly disposed of wastes as
well as illegally dumped chemicals pose additional risks in the environment,
while remains of pharmaceuticals are a regular concern in sources of drinking
water. Pollutants such as PFAS and microplastics could even be detected in the
most remote regions of the earth and are known for adverse effects on humans
and their environment. Establishing a comprehensive overview of where pollution
of which severity and with what substances occurs is thus important, so
remediations can be planned and prioritized. This necessitates fast, versatile,
reliable and cheap measurements, ideally directly at sampling sites. A promising class of transducers for
detecting a multitude of pollutants are DNA Quantum Clusters. QC:DNA are highly
sensitive and selective transducers for many substances, showing responses in
their fluorescent behaviors based on their chemical environment. Based on the
specific design, QC:DNA can interact with different chemical species and
exhibit tuned excitation and emission wavelengths. For the use of such transducers, we
present a fluorescence reader integrated around capillaries. The system is
designed for easy and fast customization for a large range of excitation and
emission wavelengths while focusing on system portability and striving for
affordability. The microfluidic system controlling and performing the assay is
based on droplet sequences to facilitate fast mixing while allowing for
incubation times with minimal dispersion and enabling a temporary storage and a
precise processing of samples.Versatile platform for mobile detection of environmental pollutants using DNA Quantum Clusters
ORCID iD: 0000-0001-8829-1161