In der Mikrofluidik wird eine Vielzahl an elektrophoretischen Techniken angewendet, zum Beispiel um Biopartikel wie DNA-Moleküle, Proteine, Zellen oder extrazelluläre Vesikel aufzureinigen, zu fokussieren, zu fraktionieren, zu detektieren oder zu verarbeiten. Obwohl es viele etablierte Methoden gibt - z.B. Kapillarelektrophorese, Free-Flow Elektrophorese oder Isotachophorese - gibt es immer noch ein großes Potential für Verbesserungen und die Entwicklung neuer Ansätze. Deshalb werden in dieser Arbeit Untersuchungen zur Akkumulation, Separation, Mischung und Detektion von geladenen Spezies mittels mikrofluidischer Elektrophorese präsentiert.

Der erste Teil behandelt den elektrophoretischen Transport von Biopartikeln in wässrigen Zweiphasensystemen (englisch: aqueous two-phase systems, kurz: ATPS) auf Basis von Dextran und Polyethylenglycol (PEG). In einem ersten Schritt wird die Interaktion von zwei Modellproteinen mit der Grenzfläche des ATPS untersucht. Beide Proteine erfahren an der Grenzfläche einen Transportwiderstand, wenn sie von der Dextran-reichen Phase in die PEG-reiche Phase transportiert werden. Da dieser jedoch nicht für beide Proteine gleich stark ausgeprägt ist, können diese an der Phasengrenze separiert werden. Ein ähnliches Prinzip wird anschließend auf eine Lösung angewendet, die sowohl Exosomen als auch Proteine enthält. Während die Exosomen an der Phasengrenze zurückgehalten werden, können die Proteine relativ einfach passieren. Es sollte deshalb möglich sein, Exosomen auf diese Weise aufzureinigen.

Anschließend wird die Stabilität der flüssig-flüssig Phasengrenze in einem ATPS untersucht. Besonders bei hohen Feldstärken treten Instabilitäten auf, die vermutlich von Faradayschen Reaktionen an den Elektroden verursacht werden. Nur wenn diese Phänomene verhindert werden, wird es möglich sein, den eigentlichen Einfluss des elektrischen Feldes auf die Grenzfläche zu ermitteln und Trennoperationen zuverlässig durchzuführen.

Der nächste Teil dieser Arbeit fokussiert sich auf die Probendetektion mittels Isotachophorese (ITP), einer speziellen elektrophoretischen Technik, die es erlaubt, die lokale Konzentration einer Probe um mehrere Größenordnungen zu erhöhen. Ein neuer Ansatz wird präsentiert, mit dem es möglich ist, die Nachweisgrenze in der Signalverarbeitung zu verringern. Durch Kreuzkorrelation von Paaren verrauschter Fluoreszenzbilder eines mittels ITP aufkonzentrierten Analyten kann in einem ersten Schritt die elektrophoretische Geschwindigkeit der Probe auch bei geringen Signal-Rausch-Verhältnissen bestimmt werden. Basierend auf dieser Geschwindigkeit wird anschließend eine Galilei-Transformation auf den gesamten Datensatz angewendet, um die Fluoreszenzintensitätsverteilungen der Probe aus den einzelnen Bildern auszurichten und eine Reihe von quasi-identischen Daten zu erzeugen. Das Rauschen, das die Rohdaten überlagert, kann durch Mittelung über diesen transformierten Datensatz reduziert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Nachweisgrenze ohne zusätzliche Messinstrumente um zwei Größenordnungen zu verringern.

Mikrofluidische ITP ist nicht nur von Vorteil bei der Detektion von Proben mit geringer Konzentration, sondern kann auch verwendet werden, um Reaktionen von chemischen Spezies signifikant zu beschleunigen, indem Reaktanten zusammen in einer engen Probenzone aufkonzentriert werden. In der traditionellen ITP ist fehlt es jedoch an Möglichkeiten, die Reaktionsrate in Echtzeit zu kontrollieren. Aus diesem Grund wird eine neue Variante der ITP eingeführt, die es erlaubt, die Überlappung von zwei ITP-Zonen mittels eines oszillierenden elektrischen Feldes temporär zu manipulieren. Durch Anpassung der Frequenz und der Amplitude der Oszillation ist es möglich, das zeitliche Mittel dieser Überlappung präzise zu kontrollieren. Dieses Konzept wird anhand zweier fluoreszierender Spezies, die nicht miteinander reagieren, demonstriert. Es liegt jedoch nahe, dass dieser Ansatz auch auf chemische Reaktionen zwischen ionischen Spezies, die durch ITP aufkonzentriert werden, angewendet werden kann, was die direkte Kontrolle der entsprechenden Reaktionsrate über die Einstellung der Parameter des oszillierenden elektrischen Feldes erlaubt.