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Stefan Achtsnicht

• Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.
• The qualitative and quantitative detection of target substances in an aqueous sample is of interest for many questions, for example in the detection of contaminations in drinking water in crisis situations. It is not only important that pathogens can be detected with highest possible sensitivity, but also that the analysis is carried out quickly so that safe drinking water can be provided in the event of a disaster. During such a scenario one cannot rely on a functioning laboratory infrastructure nearby. Therefore it is important that the measurement can be carried out directly on site. Within the scope of this work, it was investigated whether such a quick analysis can be performed using superparamagnetic beads (MBs) and the magnetic frequency mixing technique. The MBs are bound to the target substance with the aid of primary antibodies and fixed to the pore surfaces of a polyethylene filter with secondary antibodies (sandwich immunoassay). The quantification of the target substance can thus be traced back to a magnetic measurement of the immobilized MB markers. The magnetic frequency mixing technique is based on the excitation of the sample with magnetic fields of two different frequencies. The mixing frequencies generated due to the non-linear shape of the magnetization of the superparamagnetic MBs are typically analyzed using a two-stage Lock-in detection (analog demodulation), which was implemented in a magnetic reader as a handheld device. In addition to this technique, the principle of direct digitization of the entire response signal with subsequent Fourier analysis of the generated mixing frequencies was experimentally implemented in order to simultaneously record the amplitudes and phases of several mixing frequencies. One possibility for increasing the sensitivity is magnetic concentration. In that case, the MBs are separated from a larger sample volume by means of a magnetic field gradient before the magnetic analysis. To characterize various commercial MBs with regard to their magnetic separability, a setup for measuring their magnetophoretic mobility was implemented and their velocities in the gradient field were measured with an optical microscope.Often, a sample has to be examined not only for a single target substance, but for several different pathogens simultaneously. Various approaches have been developed and tested which enable such a multiparametric magnetic immunoassay. On the one hand, a spatial separation of the binding areas for different target substances was realized, which can be evaluated sequentially. On the other hand, a distinction among different target substances based on the magnetic characteristics of their attached different MB types was examined. For this discrimination, the excitation frequency of the magnetic frequency mixing technology was varied during measurement. It is shown that different MB types can be distinguished from one another based on the phase of their frequency mixing signals. The signal curve of a binary mixture of two different MB types is obtained as a gradual transition of the curves of the two pure MB solutions. Another method of analysis for a multiparametric immunoassay is based on an additional adjustable static magnetic offset field. For this purpose, several setups based on permanent magnets and electromagnets were simulated, designed and characterized. The simulations show that a distinction based on this method is possible for MBs with different magnetic particle moments. As a direct application of the developed magnetic reader in conjunction with digital demodulation, a magnetic assay against the B subunit of cholera toxin in drinking water was demonstrated, and a low detection limit of 0.2 ng/ml was achieved.