Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7290 

Mikrofluidische CE-Systeme aus Polymeren mit elektrischer Detektion für Life-Science-Anwendungen

Holger. Mühlberger, Werner. Hoffmann, Andreas E. Guber, Volker Saile

Zusammenfassung
Als Beitrag zur Entwicklung innovativer mikrofluidischer Lab-on-a-Chip-Systeme liefert diese Arbeit wichtige Ergebnisse zur Praxiseinführung der Kapillar-elektrophorese (CE) im Chipformat - insbesondere mit dem Ziel einer drastischen Kostenreduzierung. Schlüssel dazu sind die Substituierung des konventionellen Substratmaterials Glas durch Polymere und die Einführung der kontaktlosen Leitfähigkeitsmessung zur Detektion anstelle teurer optischer Methoden.

In dieser Arbeit konnten CE-Chips aus den in der Massenproduktion bewährten kostengünstigen Polymeren PMMA, Polystyrol und Polycarbonat und auch aus den chemisch sehr inerten und biokompatiblen Hochleistungsmaterialien COC und PEEK hergestellt und charakterisiert werden. Durch einen neuen Verbindungsprozess konnte PEEK erstmals als nahezu ideales Material für mikrofluidische CE-Systeme eingesetzt werden. Das Prinzip der kontaktlosen Leitfähigkeitsmessung wurde in die Chipebene übertragen und unter Verwendung von gesputterten Dünnschicht-elektroden auf ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis hin optimiert.

Das für das chemische Analysenergebnis wesentlich mitverantwortliche  Fluidtrans-portverhalten im Injektionskreuzungsbereich wurde fluoreszenzmikroskopisch an verschiedenen Kreuzgeometrien untersucht. Dabei konnten störende hydrostatische Effekte und methodenbedingte Instabilitäten aufgezeigt werden. Alternativ zur aufwendigen Fluoreszenzmikroskopie konnte der Fluidtransport optimal mit Leitfähigkeitsmessungen beobachtet werden. Im Injektionskreuz angeordnete Messelektroden erlaubten quantitative Aussagen in Echtzeit. Störungen und methodenbedingte Instabilitäten können somit erfasst und ggf. korrigiert werden.

Für grundlegende experimentelle Untersuchungen wurde ein komplexer und flexibel einsetzbarer Messplatz realisiert. Im Hinblick auf die praktische Anwendung, für die einfach zu bedienende, portable und kostengünstige Geräte erforderlich sind, wurde darüber hinaus ein vollständig miniaturisiertes Meßsystem, die „MinCE“, entwickelt.

Potentielle Anwendungen wurden an ausgewählten typischen Beispielen demonstriert: für die vor-Ort-Lebensmittelanalytik die Bestimmung der organischen Säuren und Zucker in Getränken, für die medizinische Point-of-Care-Diagnostik die quantitative Bestimmung des Antidepressivums Lithium im Blutserum und für die Bioanalytik der Nachweis proteinogener Aminosäuren.

Biologische Makromoleküle - und insbesondere die in den Life-Sciences wichtige DNA - waren bisher nicht im Fokus der kontaktlosen Leitfähigkeitsmessung. Nach umfangreichen impedanzspektroskopischen Studien gelang es in dieser Arbeit erstmals, DNA hochempfindlich mittels elektrischer Leitfähigkeitsmessung zu detektieren. Die dabei erzielten äußerst kleinen Nachweisgrenzen können mit der laserinduzierten Fluoreszenz bei kommerziellen CE-Chip-Geräten gut konkurrieren und somit eine sehr kostengünstige Alternative darstellen.

Microfluidic Polymer CE-Systems with Electrical Detection for Life Science Applications

Abstract
As a contribution to the development of innovative microfluidic lab-on-chip systems, this work presents important results for the practical introduction of capillary electrophoresis (CE) in chip format – in particular with the objective of significant cost reduction. Key contributions are the substitution of conventional substrate glass by polymers and the introduction of contactless conductivity measurement for detection instead of expensive optical methods.

In this work CE chips were fabricated and characterized using cost effective polymers such as PMMA, polystyrene and polycarbonate, which are already established in mass production processes, as well as chemically inert and biocompatible high-performance polymers COC and PEEK. By using a new bonding process, PEEK as a near-ideal material, could be used for the first time for microfluidic CE-systems. The principal of contactless conductivity measurement was transferred to chip level and optimized to a high signal-to-noise ratio using sputtered thin film electrodes.

Chemical analysis results depend significantly on fluid transport behaviour at the fluid injection cross area. This was investigated by fluorescence microscopy on several different cross geometries. Hydrostatic interfering effects and method based instabilities were shown. As a simple alternative to complex fluorescence microscopy, fluid transport could be optimally observed by conductivity measurement. Measurement electrodes placed at the injection cross area allowed real time quantitative analyses. Thus, interferences and method based instabilities can be acquired and compensated for.

For basic experimental investigations, a comprehensive and flexible test setup was developed. In practical application however ease of use, portability and low-priced devices are required. To this end, a completely miniaturized measuring device, the „MinCE“, was developed.

Potential applications were demonstrated on selected typical examples: for in-situ food analysis the determination of organic acids and saccharide in beverages, for medical point-of-care diagnostics the quantitative determination of antidepressant lithium in blood serum and for bio analytics the detection of proteinogenic amino acids.

Biological macro molecules - in particular for life sciences fundamental DNA - have not been in focus of contactless conductivity measurements until now. After substantial impedance spectroscopy studies it was possible for the first time to detect DNA highly sensitive by conductivity measurement in this work. The extremely low detection limits achieved are very competitive with laser induced fluorescence in commercial CE-chip-devices and can provide a highly cost-efficient alternative.

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