Kurzfassung
Die Analyse von DNA-Molekülen ist in verschiedenen Bereichen von großer Bedeutung, wie der Forensik,
Genetik, Medizin und Evolutionsbiologie. Die Qualität der DNA-Analyse hängt wesentlich von der
Reinheit, Integrität und Menge des DNA Probenmaterials ab, was eine Herausforderung darstellt, wenn es
um begrenzte Probenmengen geht. Um die Handhabung mit geringem Probenmaterial zu vereinfachen und
eine höhere Qualität zu garantieren, geht der aktuelle Trend dahin, Extraktion aus der entnommenen Probe
und DNA Analyse auf einem Gerät zu integrieren. Lab-on-a-Chip (LOC)-Systeme zeigen dahingehend
großes Potential, da sie komplexe Prozesse auf kompakten miniaturisierten Chips durchführen und dabei
auf der gleichen Größenskala arbeiten, wie die DNA selbst.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein LOC System zur DNA-Extraktion und -Analyse entwickelt. Der
fluidische Chip wird unter Verwendung direkter Nanoimprint-Techniken hergestellt, um das Strukturieren
von großen (Hunderte von Mikrometern) und kleinen (Zehntel von Nanometern) 2D- und 3D-Strukturen in
einem einzigen Herstellungsschritt zu ermöglichen. Hierfür wird zunächst ein Silikonstempel unter
Verwendung verschiedener Mikro- und Nanolithografieverfahren hergestellt. Die dosismodulierte
Elektronenstrahllithographie ermöglicht zusätzliche komplexe 3D-Strukturierung. Externe Heizelemente
und Magnetfelder erweitern die Funktionalität des polymerbasierten Chips und ermöglichen den Einsatz
von Einweg-Chips für verschiedene Anwendungen, während die Herstellung einfach und kostengünstig
bleibt.
Der fluidische Chip besteht aus zwei integrierten Abschnitten: dem DNA-Extraktionsteil und dem DNA
Analyseteil. Im Extraktionsteil binden DNA-Moleküle selektiv an magnetische Partikel, die effizient in
eine saubere Pufferlösung überführt werden können, indem externe Magneten verwendet werden, um die
Proben zu reinigen. Im Analyseteil werden markierte DNA-Moleküle in Nanokanälen gestreckt und
mithilfe eines Lasersystems ausgelesen. Das System wurde für verschiedene Forschungszwecke eingesetzt.
Wir untersuchten das dynamische Verhalten von in Nanokanälen eingeschlossenen DNA-Molekülen und
untersuchten den Einfluss von zwei Faktoren, der Ionenkonzentration und des Kanaldurchmessers, auf das
DNA-Strecken und die Geschwindigkeit. Darüber hinaus haben wir den Nachweis erbracht, dass das
System für verschiedene biomedizinische Anwendungen, einschließlich der Identifizierung von Viren und
der Untersuchung der Genomeinlagerung von DNA in Tumorzellen, verwendet werden kann, was die
Vielseitigkeit und Fähigkeiten dieses Systems zeigt.
The analysis of DNA molecules holds significant importance in various fields, such as forensics, genetics, medicine, and evolutionary biology. The quality of DNA analysis is substantially contingent upon the purity, integrity, and quantity of the sample material, which poses a challenge when dealing with limited sample volumes. To simplify the handling of small sample quantities and ensure higher quality, the current trend is towards integrating extraction from the collected sample and DNA analysis within a single device. Lab-on-a-Chip (LOC) systems exhibit significant potential in this regard, as they perform complex processes on compact miniaturized systems, operating at the same scale as DNA molecules themselves. This study presents an integrated micro- and nanofluidic device for on-chip DNA extraction and analysis. It is based on a LOC system for on-chip sample preparation and a laser-based analytical method for in-line DNA analysis. The LOC device is fabricated using direct nanoimprinting techniques, allowing the patterning of large (hundreds of microns) and small (tens of nanometers) 2D and 3D structures within one device in just one fabrication step. For this, a silicon stamp is first fabricated using different micro and nanolithography methods. Dose-modulated electron-beam lithography allows for additional complex 3D structuring. External heating elements and magnetic fields add extra functionality to the polymer-based chip, enabling single-use chips for various applications while keeping the fabrication simple and low-cost. The LOC plastic device comprises two integrated sections: the DNA extraction part and the DNA analysis part. In the extraction section, DNA molecules selectively bind to magnetic particles, which can be efficiently transferred into a clean buffer solution using external magnets, thereby purifying the samples. In the analysis section, labeled DNA molecules are stretched within nanochannels and read out using a laser system. The system has been applied for different research purposes. We investigated the dynamic behavior of DNA molecules confined in nanochannels and studied the influence of two factors, ion concentration and channel diameter, on DNA stretching and velocity. In addition, we showed the proof of concept of using the system for various biomedical applications, including virus identification and the study of genome intercalation in DNA in tumor cells, showcasing the versatility and capabilities of this system.