Eva-Maria Laux

• In this dissertation, an electric field-assisted method was developed and applied to achieve immobilization and alignment of biomolecules on metal electrodes in a simple one-step experiment. Neither modifications of the biomolecule nor of the electrodes were needed. The two major electrokinetic effects that lead to molecule motion in the chosen electrode configurations used were identified as dielectrophoresis and AC electroosmotic flow. To minimize AC electroosmotic flow, a new 3D electrode configuration was designed. Thus, the influence of experimental parameters on the dielectrophoretic force and the associated molecule movement could be studied. Permanent immobilization of proteins was examined and quantified absolutely using an atomic force microscope. By measuring the volumes of the immobilized protein deposits, a maximal number of proteins contained therein was calculated. This was possible since the proteins adhered to the tungsten electrodes even after switching off the electric field. The permanent immobilization ofIn this dissertation, an electric field-assisted method was developed and applied to achieve immobilization and alignment of biomolecules on metal electrodes in a simple one-step experiment. Neither modifications of the biomolecule nor of the electrodes were needed. The two major electrokinetic effects that lead to molecule motion in the chosen electrode configurations used were identified as dielectrophoresis and AC electroosmotic flow. To minimize AC electroosmotic flow, a new 3D electrode configuration was designed. Thus, the influence of experimental parameters on the dielectrophoretic force and the associated molecule movement could be studied. Permanent immobilization of proteins was examined and quantified absolutely using an atomic force microscope. By measuring the volumes of the immobilized protein deposits, a maximal number of proteins contained therein was calculated. This was possible since the proteins adhered to the tungsten electrodes even after switching off the electric field. The permanent immobilization of functional proteins on surfaces or electrodes is one crucial prerequisite for the fabrication of biosensors. Furthermore, the biofunctionality of the proteins must be retained after immobilization. Due to the chemical or physical modifications on the proteins caused by immobilization, their biofunctionality is sometimes hampered. The activity of dielectrophoretically immobilized proteins, however, was proven here for an enzyme for the first time. The enzyme horseradish peroxidase was used exemplarily, and its activity was demonstrated with the oxidation of dihydrorhodamine 123, a non-fluorescent precursor of the fluorescence dye rhodamine 123. Molecular alignment and immobilization - reversible and permanent - was achieved under the influence of inhomogeneous AC electric fields. For orientational investigations, a fluorescence microscope setup, a reliable experimental procedure and an evaluation protocol were developed and validated using self-made control samples of aligned acridine orange molecules in a liquid crystal. Lambda-DNA strands were stretched and aligned temporarily between adjacent interdigitated electrodes, and the orientation of PicoGreen molecules, which intercalate into the DNA strands, was determined. Similarly, the aligned immobilization of enhanced Green Fluorescent Protein was demonstrated exploiting the protein's fluorescence and structural properties. For this protein, the angle of the chromophore with respect to the protein's geometrical axis was determined in good agreement with X-ray crystallographic data. Permanent immobilization with simultaneous alignment of the proteins was achieved along the edges, tips and on the surface of interdigitated electrodes. This was the first demonstration of aligned immobilization of proteins by electric fields. Thus, the presented electric field-assisted immobilization method is promising with regard to enhanced antibody binding capacities and enzymatic activities, which is a requirement for industrial biosensor production, as well as for general interaction studies of proteins.…
• In dieser Doktorarbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der Biomoleküle unter dem Einfluss von elektrischen Feldern auf Metallelektroden immobilisiert und ausgerichtet werden können. Für die Immobilisierung wurden weder Modifikationen an den Biomolekülen noch an den Elektroden benötigt. Zwei elektrokinetische Effekte, die Dielektrophorese und der AC-elektroosmotische Fluss, wurden als verantwortliche Effekte für die Molekülbewegung identifiziert. Mit einer neuen 3D Elektrodenkonfiguration wurde der AC-elektroosmotische Fluss minimiert. Damit konnte der Einfluss der experimentellen Parameter auf die Dielektrophoresekraft und deren Auswirkungen auf die Moleküle untersucht werden: Die permanente Immobilisierung von Proteinen wurde mit einem Rasterkraftmikroskop quantifiziert, indem die Volumina der immobilisierten Proteinablagerungen gemessen wurden, und daraus die maximal darin enthaltene Anzahl an Proteinen berechnet wurde. Diese Art der absoluten Quantifizierung war nur möglich, da die Proteine auch nach Abschalten des elektrischenIn dieser Doktorarbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der Biomoleküle unter dem Einfluss von elektrischen Feldern auf Metallelektroden immobilisiert und ausgerichtet werden können. Für die Immobilisierung wurden weder Modifikationen an den Biomolekülen noch an den Elektroden benötigt. Zwei elektrokinetische Effekte, die Dielektrophorese und der AC-elektroosmotische Fluss, wurden als verantwortliche Effekte für die Molekülbewegung identifiziert. Mit einer neuen 3D Elektrodenkonfiguration wurde der AC-elektroosmotische Fluss minimiert. Damit konnte der Einfluss der experimentellen Parameter auf die Dielektrophoresekraft und deren Auswirkungen auf die Moleküle untersucht werden: Die permanente Immobilisierung von Proteinen wurde mit einem Rasterkraftmikroskop quantifiziert, indem die Volumina der immobilisierten Proteinablagerungen gemessen wurden, und daraus die maximal darin enthaltene Anzahl an Proteinen berechnet wurde. Diese Art der absoluten Quantifizierung war nur möglich, da die Proteine auch nach Abschalten des elektrischen Feldes auf den Wolframelektroden hafteten. Eine solche permanente Immobilisierung funktioneller Proteine auf Elektroden oder Oberflächen im Allgemeinen ist eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung von Biosensoren. Des Weiteren muss die Biofunktion der Proteine nach der Immobilisierung erhalten bleiben. Da die Proteine durch die Immobilisierung chemisch oder physikalisch verändert werden, ist auch ihre Biofunktion häufig eingeschränkt. In dieser Arbeit wurde erstmals der Erhalt der Aktivität dielektrophoretisch immobilisierter Enzyme gezeigt. Hierfür wurde das Enzym Meerrettichperoxidase exemplarisch verwendet, dessen Aktivität über die Oxidation von Dihydrorhodamin 123, einem nicht-fluoreszentem Vorläufer des Fluoreszenzfarbstoffes Rhodamin 123, nachgewiesen wurde. Molekulare Ausrichtung und Immobilisierung – sowohl reversibel als auch permanent – wurde unter dem Einfluss inhomogener elektrischer Wechselfelder erreicht. Für die Bestimmung der Molekülausrichtung wurde mit ein Messaufbau entwickelt, der auf einem Fluoreszenzmikroskop basiert. Der Aufbau, das Messprotokoll und die Auswertungsmethode wurden mit einer selbst hergestellten Kontrollprobe, die aus ausgerichteten Acridinorangemolekülen in einem Flüssigkristall bestand, validiert. Lambda-DNA Doppelstränge wurden zwischen benachbarten Interdigitalelektroden gestreckt und temporär ausgerichtet. Die Ausrichtung von interkalierten PicoGreen-Molekülen im rechten Winkel zur Längsachse der Doppelstränge konnte hier gezeigt werden. Zudem konnte die ausgerichtete Immobilisierung des enhanced Green Fluorescent Protein nachgewiesen werden, indem die Fluoreszenz des Proteins und seine Struktureigenschaften ausgenutzt wurden. Aus den Messungen konnte der Winkel des Chromophors relativ zur Proteinlängsachse mit guter Übereinstimmung mit Röntgenkristallstrukturdaten bestimmt werden. Eine permanente Immobilisierung mit gleichzeitiger Ausrichtung der Proteine wurde entlang der Kanten, an den Spitzen und auf der Oberfläche von Interdigitalelektroden erzielt. Damit wurde zum ersten Mal eine ausgerichtete Immobilisierung von Proteinen mit elektrischen Wechselfeldern gezeigt. Diese Methode ist vielversprechend für die Immobilisierung von Antikörpern oder Enzymen mit einheitlicher Ausrichtung und dadurch verbessertem Zugang zu den aktiven Zentren, was nicht nur für die industrielle Biosensorherstellung von Interesse ist, sondern genauso für allgemeine Wechselwirkungsstudien von Proteinen.…