Lehrstuhl für Biotechnik
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Item Development and application of microreactors for biocatalytic reactions(2014-05-15) Karande, Rohan; Schmid, Andreas; Agar, David W.Item Implementation of multi capillary column ion mobility spectrometry (MCC-IMS) for medical and biological applications(2012-08-22) Hariharan, Chandrasekhara B.; Baumbach, Jörg I.; Schmid, AndreasDie Komplexität der mittels Ionenmobilitätsspektrometern in Kopplung mit Multi- Kapillarsäulen analysierten Proben hat sich seit Beginn des 21. Jahrhunderts enorm erhöht. Trotz der zahlreichen Vorteile der Methode, wie die schnelle Trennung, die hohe Auflösung, die Empfindlichkeit im Femtomol-Bereich u.v.m., steht die MCC-IMS zwei grundlegenden Problemen gegenüber: zum einen der erforderlichen Identifikation eines detektierten Analyten aus dem gemessenen Chromatogramm und zum anderen der Clusterbildung, wie sie bei der Analyse derartiger Proben auftritt. Erstmalig wurde in dieser Arbeit ein linearer Zusammenhang zwischen der inversen reduzierten Ionemobilität und der Anzahl der Kohlenstoffatome innerhalb einer homologen Reihe von Substanzen gezeigt und schließlich zur Vorhersage der reduzierten Ionenmobilität anderer Substanzen aus der gleichen Reihe genutzt. Die empirische Prognose, welche mit 18 aliphatischen Komponenten durchgeführt und mittels MCCIMS Messungen validiert wurde, zeichnet sich durch eine sehr hohe Genauigkeit von über 99,5 % aus. Diese innovative Technik reduziert den Aufwand für zeitraubende und kostenintensive Referenzmessungen mittels anderer Methoden, wie der Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie, die derzeit verwendet wird um unbekannte Signale im IMS Chromatogramm zu identifizieren, signifikant. Die aus der empirischen Vorhersage entwickelten Regressionsgleichungen wurden anschließend generalisiert in eine einzige Gleichung für die reduzierte Ionenmobilität, die dann mit der herkömmlichen Mason-Schamp-Gleichung verglichen wurde. Dabei zeigten sich Unstimmigkeiten in dieser 30 Jahre alten Gleichung. Um diese aufzulösen wurde der den Stoßquerschnitt beschreibende Term in zwei unterschiedliche, dieMassenund die Radikalabhängigkeit beschreibende Terme, aufgespalten. Die derart modifizierte Mason-Schamp-Gleichung beschreibt nun die in der Driftstrecke stattfindenden Stöße zwischen geladenen und ungeladenen Molekülen vollständig. Im abschließenden Kapitel dieser Studie wird eine neuartige Driftstrecke vorgestellt, deren modularer Aufbau eine Variation der Länge erlaubt. Damit konnte die Auflösung der mittels IMS detektierten Signale um bis zu 40 % gesteigert werden. Zudem konnte die Clusterbildung in der Driftstrecke, beispielsweise bei medizinisch relevanten Substanzen, weitgehend vermieden werden. Dieses moderne Design erleichtert die maßgeschneiderte Anpassung von IMS-Systemen an die jeweilige individuelle Anwendung. Dies wird noch dadurch verstärkt, dass neben einer Variation der Länge der Driftstrecke auch die Driftspannung innerhalb eines sehr großen Bereichs eingestellt werden kann, was neue Forschungsoptionen bezüglich der Bewegung von Ionen im elektrischen Feld erschließt.Item Microfluidic separation(2009-10-14T10:29:22Z) Cai, Ying; Schmid, A.; Manz, A.Item Miniaturised nucleic acid analysis systems(2008-06-25T08:29:03Z) Chen, Lin; Schmid, Andreas; Zorn, HolgerThe design and implementation of miniaturised systems for analysis of nucleic acids from various biological samples has undergone extensive development. Several advances have been made particularly with the integration of nucleic acid amplification and detection, where amplification is most often polymerase chain reaction (PCR). Sample preparation remains a major obstacle for achieving a quantitative analysis employing full miniaturised integration. Miniaturised devices for nucleic acid sample preparation, amplification and detection have to be further developed in order to achieve a fully integrated system, which ultimately can perform single cells genomic analysis with sample-in-answer-out ability. In this thesis, three miniaturised systems have been presented, which can be used for purification and preconcentration of DNA, pre-amplification and long-term storage of DNA, and amplification with real-time detection of DNA, respectively. The first miniaturised system applies isotachophoresis for pretreatment of DNA, where the DNA sample can be purified and concentrated using a discontinuous electrolyte system. Both qualitative and quantitative information can be acquired simultaneously. The second miniaturised system employs simple isothermal multiple displacement amplification, (MDA) for whole genome amplification (WGA) of human genomic DNA. The miniaturised WGA process showed a high efficiency of 95.8%, and the fidelity of the amplified products is extremely high as suggested by single-nucleotide polymorphisms analysis. For the last system, we developed a bidirectional shunting PCR microdevice equipped with real-time fluorescence detection, which allows higher flexibility and fast thermocycling by combining both advantages of stationary PCR and continuous-flow PCR. Real-time monitoring of RNase P PCR amplification from lower concentration human genomic DNA down to ~24 copy numbers or 12 cells was achieved. The three systems described in this thesis can be readily adapted to current reported miniaturised platforms. Such a fully integrated device capable of quantitative nucleic acid analysis remains an enigma, and with further development will represent significant importance for the development of point-of-care device.Item Analyse flüchtiger Metaboliten von der Ausatemluft mittels Ionenmobilitätsspektrometer(2005-11-17T10:13:14Z) Ruzsányi, Veronika; Manz, A.; Schmid, A.Es ist seit langem bekannt, dass die Detektion von Metaboliten, insbesondere der flüchtigen organischen Verbindungen, der Atemluft als nichtinvasive diagnostische Methode zur Lieferung von Informationen zahlreicher unterschiedlicher metabolischer Prozesse des menschlichen Körpers benutzt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein am ISAS - Institute for Analytical Sciences entwickeltes lonenmobilitätsspektrometer (IMS) für die Atemluftanalyse modifiziert, sowie die Anwendbarkeit der entwickelten on-line, in-situ Methode in der klinischen Diagnostik an ausgewählten Patientengruppen gezeigt. In der Entwicklung des Systems wurde die für die Atemluftanalyse geeignete Strahlungsquelle ausgewählt, sowie der Probeneinlass des IMS aufgrund der hohen relativen Feuchte der Atemluft (nahe 100%), welche einen negativen Einfluss auf das IMS-Signal verursacht, optimiert. Dabei gelingt durch die Kopplung des IMS mit einer Multikapillarsäule (MCC) die on-line Abtrennung der Feuchte am Anfang der Analyse, eine schnelle Trennung komplexer Gemische und eine sofortige Detektion der getrennten Analyten mittels IMS. Das hier entwickelte Verfahren wurde in einer Kooperation mit der Lungenklinik in Hemer zur Untersuchung von Patienten mit infektiösen Lungenkrankheiten in-situ eingesetzt. Insgesamt 30 Patienten mit verschiedenen Lungenkrankheiten und den häufigsten Infektionserkrankungen der Atemwege konnten in der Lungenklinik Hemer untersucht werden. Anhand der Atemluftanalyse konnte ein charakteristisches Muster der nur bei diesen Patienten vorgekommenen Peaks ermittelt werden. Daneben wurden 72 gesunde Mitarbeiter des ISAS und der Lungenklinik Hemer untersucht, um das Atemluftmuster einer Kontrollgruppe zu bestimmen. Da Infektionen oft durch Bakterien ausgelöst sind, wurde überprüft, ob die durch Bakterien in-vitro produzierten Metaboliten eine Korrelation mit der in der Atemluft bei Infektionen der Respirationstrakt auftretenden Komponenten zeigen. Daher wurden die Emissionen von Reinkulturen ausgewählter infektiöser Bakteriumsspezies, die im Hygieneinstitut in Iserlohn gezüchtet wurden, mittels IMS vermessen. Dies zeigte, dass sich die Methode ebenfalls zur on-line Detektion von Metaboliten verschiedner Bakteriumsarten eignet.