Advances in automated flow systems for microfluidic analysis with mid-IR detection

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung automatisierter mikrofluidischer Systeme mit Detektion im mittleren Infrarot (MIR).<br />Der erste Teil beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung einer Mikrodurchflusszelle für online Infrarotdetektion in der Kapillarelektrophorese (CE) für Proteine und Analyse ihrer Sekundärstrukturen. Dabei wurden Myoglobin, alpha-Lactalbumin und beta-Lactoglobulin getrennt und identifiziert. Aus den online gewonnenen Infrarotspektren konnten die unterschiedlichen Sekundärstrukturen der Proteine charakterisiert werden.<br />Im zweiten Teil wurde ein CE-Chip in Zusammenarbeit mit dem Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften an der TU Wien entwickelt und am Synchrotron ANKA (Karlsruhe, Deutschland) eingesetzt.<br />Dabei wurden die anorganische Ionen Sulfat und Nitrat sowie das Protein Myoglobin in den Chip injiziert, durch Anlegen von Spannung durch den Chip bewegt und mittels IR Synchrotronmikroskopie detektiert. Die sich durch die hohe Brillianz der Synchrotronstrahlung ergebenden Anwendungen für mikrofluidische Systeme wurden unter Berücksichtigung des Stands der Technik beurteilt.<br />Der letzte Teil beschäftigt sich mit der Kopplung von sequentieller Injektionsanalyse (SIA) und Kapillarelektrophorese. Das Ziel dabei war SIA zur Probenvorbereitung und -behandlung einzusetzen und die so aufbereitete Probe in Folge mit Hilfe eines Kapillarelektrophoresesystems zu trennen und zu detektieren. Die analytischen Parameter der Kopplung wurden anhand der Injektion und Trennung von Adenosin und Adenosinmonophosphat charakterisiert. Dabei wurde eine Standardabweichung im einstelligen Prozentbereich und eine Nachweisgrenze im unteren ppm-Bereich gefunden. Das so optimierte System wurde eingesetzt um verschiedene Konzentrationen von Natriumdodecylsulfat (SDS) mit Myoglobin herzustellen. Dadurch wurde eine teilweise Denaturierung des Proteins erzielt. Injektion und Trennung im CE-System erlaubten die Charakterisierung des erhaltenen Konformationsgemisches als Funktion der Konzentration von SDS.<br />

The goal of this work was the development of automated flow systems for microfluidic analysis using mid-IR detection.<br />The first part describes the further development of a micro flow cell for on-line infrared detection in capillary electrophoresis (CE) for proteins and the analysis of their secondary structures. In this work myoglobin, alpha-lactalbumin and beta-lactoglobulin were separated and identified. Using the infrared spectra obtained on-line the different secondary structures of the proteins could be characterized.<br />In the second part a CE chip together with the institute of industrial electronics and material sciences at the University of Technology Vienna was developed and used at the synchrotron ANKA (Karlsruhe, Germany). The inorganic ions sulfate and nitrate as well the protein myoglobin were injected into the chip, moved along the chip after application of voltage and detected using IR synchrotron microscopy. The applications possible due to the high brilliance of the synchrotron radiation were assessed according to the state-of-the-art.<br />The last part deals with the coupling of sequential injection analysis (SIA) and capillary electrophoresis. The aim was to use SIA for sample preparation and treatment obtaining a modified sample, which was separated and detected in a capillary electrophoresis system. The figures of merit of the coupled system were characterized based on the injection and separation of adenosine and adenosine monophosphate. A standard deviation in a single-digit percentage range and limit of detection in the low ppm range was found. The optimized system was applied to make different concentrations of sodiumdodecylsulfate (SDS) with myoglobin. Thereby the protein was partially denatured. Injection and separation using the CE system allowed for the characterization of the obtained mixture of conformations as a function of SDS concentration.