Integrierte optische Sensoren für die mikrofluidische Freiflusselektrophorese
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dieser Arbeit wurde verschiedene Mikrosysteme für die miniaturisierte freiflussisoelektrische Fokussierung entwickelt, die eine im Trennbett integrierte pH-Sensorstruktur enthielten, sowie teilweise weitere Funktionalitäten. Die pH-Sensorstruktur konnte den pH-Gradienten in der isoelektrische Fokussierung überwachen sowie den isoelektrischen Punkt fokussierten Biomoleküle bestimmen. Während die prinzipielle Funktionalität im Vorgängerprojekt anhand eines einfachen Gemischs zweier Proteine demonstriert werden konnte, konnte in diesem Projekt die Fabrikation, Detektion und Anwendung vielfältig ausgebaut werden. Zur Fabrikation von Sensorschichten zur Mikrointegration wurde der Tintenstrahldruck entwickelt, auch wurden Photopolymerisationsverfahren verbessert und mit weiteren pH-Sonden erarbeitet und demonstriert. Die Mikrochipfabrikation über maskierte Photopolymerisation konnte erfolgreich auch zur Erstellung komplexerer Chipsysteme, wie einen kombinierten Reaktor-FFIEF-Mikrochip, benutzt werden, alternativ wurde die FFIEF-Mikrochipfabrikation über Laserschneiden aufgezeigt. Im Bereich der Detektionstechnologien konnte die Verfolgung von Analyten über UV-Fluoreszenz sowie die pH-Aufnahme über zeitaufgelöste Lumineszenz entwickelt werden, auch wurde die pH-Detektion in der FFIEF im nahinfraroten Spektralbereich demonstriert, womit Proteinlabel im sichtbaren Bereich, direkt auf dem Chip an Proteine angehängt und störungsfrei detektiert werden konnten. Die Mikrosysteme wurden angewandt zur Trennung und Charakterisierung von Gemischen von Proteinen, Peptiden, Antiobiotika, Blutplasma und einem tryptischen Verdau. Die IEF von Zellorganellen sowie die Integration von Temperatursensorschichten in die FFIEF konnten aus Ressourcengründen, auch aufgrund der guten Erfolge in den anderen Teilbereichen, noch nicht realisiert werden, sind jedoch weiterhin sehr interessant. Das Projekt leistete Grundlagenforschung im Bereich der methodischen analytischen Chemie und ist insofern nicht von direktem Interesse für die industrielle oder kommerzielle Anwendung, mittelfristig könnten sich jedoch durchaus solche Plattformen und Anwendungen entwickeln. Die größten Hindernisse hierzu scheinen sich momentan noch aus den Charakteristika der miniaturisierten Freiflusselektrophorese selbst zu ergeben, insbesonderen deren Trennleistung, die weiterhin nicht an die anderer elektrophoretischer und chromatographischer Verfahren heranreicht. Die Fortschritte aus diesem Projekt leisteten auch den größten Teil der Basis zu meinem Beitrag an der DFG-Forschergruppe 2177: Integrierte chemische Mikrolaboratorien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Rapid isoelectric point determination in a miniaturized preparative separation using jet-dispensed optical pH sensors and micro free-flow electrophoresis, Anal. Chem. 2014, 86, 9533–9539
C. Herzog, E. Beckert, S. Nagl
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Development of microscopic time domain dual lifetime referencing luminescence detection for pH monitoring in microfluidic free-flow isoelectric focusing, Eng. Life Sci. 2015, 15, 276-285
E. Poehler, C. Herzog, M. Suendermann, S.A. Pfeiffer, S. Nagl
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Gas removal in free-flow electrophoresis using an integrated nanoporous membrane, Microchim. Acta 2015, 182, 887-892
C. Herzog, G.F.W. Jochem, P. Glaeser, S. Nagl
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Label-free microfluidic free-flow isoelectric focusing, pH gradient sensing and near real-time isoelectric point determination of biomolecules and blood plasma fractions, Analyst 2015, 140, 7496-7502
E. Poehler, C. Herzog, C. Lotter, S.A. Pfeiffer, D. Aigner, T. Mayr, S. Nagl
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Continuous on-chip fluorescence labelling, free-flow isoelectric focusing and markerfree isoelectric point determination of proteins and peptides, Lab Chip 2016, 16, 1565- 1572
C. Herzog, E. Poehler, A.J. Peretzki, S.M. Borisov, D. Aigner, T. Mayr, S. Nagl
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In-line monitoring of pH and oxygen during enzymatic reactions in off-the-shelf all-glass microreactors using integrated luminescent microsensors, Microchim. Acta 2017, 184, 621–626
S.A. Pfeiffer, S.M. Borisov, S. Nagl
