Ein Schritt zu nachhaltiger Synthese und Analyse: Entwicklung eines wellenlängenaufgelösten Fluoreszenzdetektors für Mikrochip-basierte chemische Prozesse

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Jens Künnemeyer

Das "Chemielabor auf dem Mikrochip": Im Laufe der letzten Jahre wurden einige der gängigsten analytischen Techniken, wie beispielsweise die Flüssigchromatographie (HPLC) oder die Kapillarelektrophorese (CE) miniaturisiert, um diese in so genannte µ-TAS (engl. micro total analysis system) oder auch lab-on-a-chip-Systeme einzubetten. Hierbei lassen sich durch die Integration mehrerer Einheiten auf einem einzelnen Mikrochip die verschiedensten Operationen, wie z.B. die Durchführung von chemischen Reaktionen mit einer anschließenden Analyse der entstandenen Reaktionsprodukte in einem einzelnen Arbeitsschritt durchführen. Ähnlich der rasanten Entwicklung in der Mikroelektronik, beinhaltet die Vision eines lab-on-a-chip-Systems als hoch miniaturisiertes Chemielabor der Zukunft, die Integration sämtlicher Arbeitsschritte eines Synthese- und Analysenlabors. Hierzu zählen beispielsweise die Probenvorbereitung, Derivatisierungsreaktionen und die Auftrennung und Detektion der einzelnen Komponenten in einem einzelnen Mikrochip. Die Motivation zur fortschreitenden Miniaturisierung solcher Verfahren ist, neben der Verringerung der Gerätedimensionen, die zumeist verbesserte Leistungsfähigkeit, sowie die erhöhte Trenneffizienz dieser mikrofluiden Systeme.Bedingt durch die geringen Dimensionen der Reaktions- und Separationskanäle, sowie der Möglichkeit sehr hohe elektrische Feldstärken anzulegen, ist es möglich minimale Probenzonen zu dosieren und eine äußerst schnelle elektrophoretische Trennung der Reaktionsprodukte zu realisieren. Weitere essentielle Vorteile der miniaturisierten Systeme liegen im besonders geringen Verbrauch an Lösungsmitteln, wodurch auch die Analysenkosten und die Umweltbelastung minimiert werden. Die Mikrochip-Technologie ermöglicht ein beliebiges Chip-Layout ohne zusätzliche Totvolumina, so dass es möglich ist, chemische Reaktionen ohne Effizienzverlust auf dem Chip zu integrieren. Ein weiterer besonders interessanter Ansatz besteht in der Möglichkeit viele identische Reaktoren und Trennkanäle auf einem einzigen Chip in einem so genannten Array-System parallel anzuordnen und somit einen hohen Probendurchsatz zu erzielen. Hierdurch, und durch die Möglichkeiten zur Entwicklung kleiner, portabler, hoch integrierter Analysensysteme liegen weitere potentielle Anwendungen Mikrochipbasierter Systeme in der mobilen Vor-Ort-Analytik und dem Hochdurchsatzscreening in der Prozessanalytik. Motivation: Ziel dieser Promotion ist es, ein neuartiges Analysensystem zu entwickeln, bei dem die Trennung chemischer Substanzen mittels Kapillarelektrophorese auf einem Mikrofluidchip vorgenommen wird. Die Detektion der einzelnen Verbindungen soll hierbei durch wellenlängenaufgelöste, laserinduzierte Fluoreszenz erfolgen. Im weiteren Verlauf des Projektes soll die Leistungsfähigkeit des entwickelten Systems charakterisiert und die analytischen Kenndaten ermittelt werden. Darüber hinaus sollen Methoden zur Analyse umweltrelevanter Verbindungen entwickelt und validiert werden. Ergebnisse: Im ersten Teilbereich der Dissertation wurde ein System zur Durchführung mikrochipbasierter Reaktionen auf Basis eines inversen Fluoreszenzmikroskops mit einer Anregung durch eine Xe-Bogenlampe und einer Detektion mittels eines Photomultipliers aufgebaut. Anschließend konnten als "proof of principle" in miniaturisierten Chipreaktoren enzymkatalysierte Spaltungen von Tripeptiden durchgeführt werden, die bei Inhibierungs-Assays eingesetzt werden, um den Einsatz von Proteinen aus Schlangengiften als mögliche pharmakologisch aktive Substanzen zu überprüfen.In den weiteren Arbeiten wurde ein Laborprototyp zur wellenlängenaufgelösten Fluoreszenzdetektion entwickelt und aufgebaut. Es wurde eine Hochspannungsquelle konstruiert, die alle technischen Anforderungen für die Mikrochipelektrophorese (MCE) erfüllt. Mit dieser neuartigen Hochspannungsquelle können auf vier Kanälen Hochspannungen von bis zu 6 kV mit Stromstärken von bis zu 1 mA generiert werden. Die Spannungsquelle ist modular aufgebaut und ist aufgrund ihrer sehr geringen Leistungsaufnahme für den netzunabhängigen Betrieb konzipiert. Die Quelle zur Anregung der Fluoreszenz wurde miniaturisiert. Hierbei wurde die bislang verwendete Xe-Bogenlampe durch einen kompakten DPSS-Laser ersetzt. Für die wellenlängenaufgelöste Detektion wurde ein hochempfindliches Miniaturspektrometer angekoppelt.

Förderzeitraum:
01.01.2006 - 31.12.2008

Institut:
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Institut für Anorganische und Analytische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Uwe Karst

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: www.laves.niedersachsen.de

Entwicklung eines Fluoreszenzdetektors für Mikrochip-basierte chemische Prozesse
Entwicklung eines Fluoreszenzdetektors für Mikrochip-basierte chemische Prozesse