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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-86913
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8691/


Martinez Garza, Miguel Angel

Characterization of the adsorption of biomolecules in open electrowetting on dielectrics microfluidics-tool platform for bio-analytical applications

Charakterisierung des Adsorptionsverhaltens von Biomolekülen auf Open Electrowetting On Dielectrics Mikrofluidikplattform für Bioanalytische Anwendungen

Dokument1.pdf (4.483 KB) (md5sum: 13ede695040d28793b644c0abddf84da)

Kurzfassung in Englisch

Open Electrowetting On Dielectrics (OEWOD) is one of several designs of the original Electrowetting On Dielectrics (EWOD) microfluidics platform. EWOD has gained considerable attention for its capacity of transporting smallest volumes of liquids especially in biochips and BioMEMS approaches. The electrical polarization of the dielectrics layer causing the apparent increase in surface energy is uses to transport microdroplets to carry out the basic operations fulfilling a bioassay protocol. This thesis was mainly focused to describe and characterize the behaviour of several electrolytes and biomolecules solution under OEWOD conditions. A general overview of OEWOD microfluidics platform will provide by (1) the characterization by Contact Angle (CA). (2) the atomic Force Microscopy (AFM) of OEWOD surfaces. (3) the Laser Scanning Confocal Microscopy (LSCM) of OEWOD surfaces, and (4) the relative quantitative biomolecular adsorption behaviour of several biomolecules as Horseradish Peroxidase [HRP], Peroxidase-Conjugated Rabbit Anti-Mouse Immunoglobulin [HRP-IgG] and Deoxyribonucleic acid-Peroxidase [HRP-DNA] under OEWOD “actuation” and static conditions. The relative quantitative biomolecular adsorption in OEWOD surfaces will identified through a chemiluminescence method, which is a very practical and sensitive protocol where HRP and theirs labelled molecules are previously adsorbed at different OEWOD conditions. The adsorbed HRP catalyzed the reagent Luminol, emitting a signal by 430 nm and creating an image in a Charged Coupled Device (CCD)/Luminescent Image Analyser System (LAS- 3000). The luminescent image is then relative quantified with AIDA (Advanced Image Data Analyzer). The biomolecular adsorption in OEWOD depends on biomolecules properties like isoelectric point, pH of solution, polarity of the electric field, “actuation” time and definitively of surface properties. Therefore in this thesis are mainly compared two surface systems: Durimid 115A–Teflon®AF and Cellulose Acetate–Teflon®AF. The manipulation of these properties: limiting the “actuation” time- potential applied, choosing the proper pH of the solution and selecting the proper electrode polarity and surface, allow applying two options: (1) minimize biomolecular adsorption or (2) to intentional immobilization/adsorption of biomolecules to specific locations determined by the underlying actuation electrode structure. This thesis presents mainly two examples of the OEWOD microchip as a platform for microfluidic applications. OEWOD microchip as a tool for the research of enzymatic reaction inactivation or kinetics and the performance of a real time molecular biological isothermal protocol “Nucleic Acid Sequence Based Amplification” (NASBA) for the amplification of Oligonucleotide of Human Papilloma Virus 16 (HPV16) in an integrated optical and temperature system, through Molecular Beacon (MB) technology allowing the real time measurement of the amplification products. However, the details, efficiency, or high-throughput of this bioassay was not covered herein in this thesis. The OEWOD microchip system shows the flexibility, potential and practical tools for bio- application and the availability to implement an additional external sensing device for additional measurements.


Kurzfassung in Deutsch

Open Electrowetting On Dielectrics (OEWOD) ist eine von vielen Weiterentwicklungen der ursprünglichen EWOD (Electrowetting On Dielectrics) Mikrofluidikplattform. EWOD erreichte ein beachtliches Interesse aufgrund der Möglichkeit, kleinste flüssige Volumina auf einer Biochip Plattform zu transportieren. Die elektrische Polarisierung der dielektrischen Schicht, welche einen Oberflächenenergiezuwachs verursacht, wird verwendet, um Tröpfchen zu transportieren. Die vorliegende Arbeit fokussiert im Wesentlichen auf dem Verhalten verschiedener Elektrolyt- und Biomoleküllösungen unter EWOD Bedingungen. Sowohl die Charakterisierung der OEWOD Oberflächen mittels Kontaktwinkelmessung (CA), Atomkraft-Mikroskopie (AFM), Laser Scannning Confocal Microscopy (LSCM) als auch das relative quantitative biomolekulare Adsorptionsverhalten verschiedener Elektrolyte und Biomoleküle wie Horseradish Peroxidase (HRP), HRP-DNA, HRP-IgG unter OEWOD-Bedingungen verschaffen einen allgemeinen Einblick auf das Adsorptionsverhalten an Oberflächen unter elektrischer Feldeinwirkung. Die relative quantitative biomolekulare Adsorption auf OEWOD-Oberflächen wird mittels der Methode der Chemolumineszenz nachgewiesen. Diese basiert auf der Katalyse von Luminol, HRP wird als Biomolekül verwendet, das zuvor unter verschiedenen OEWOD Bedingungen für den späteren Nachweis adsorbiert wurde. Dies ist ein innovatives, praktisches und sehr sensitives Protokoll um relative quantitative biomolekulare Oberflächenadsorption nachzuweisen - im Besonderen für diejenigen Oberflächen, die für die biomolekulare Verwendung zur Verfügung stehen. Das adsorbierte HRP katalysiert das Reagens Luminol und emittiert ein Signal bei 430 nm, das ein Bild in einer CCD schafft. Das Luminiszenzbild wird mit Advanced Image Data Analizer (AIDA) relative quantifiziert. Die biomolekulare Adsorption in OEWOD hängt ab von den Eigenschaften der Biomoleküle; dies sind der isoelektrische Punkt, der pH der Lösung, die Polarität des elektrischen Feldes, die Wirkungsdauer und die Oberflächeneigenschaften. Dies ermöglicht entweder, die biomolekulare Adsorption zu minimieren (durch Limitierung der angewandten zeit-potentiellen Wirkung, durch Wahl des richtigen pHs der Lösung und der Elektrodenpolarität) oder absichtlich Biomoleküle an spezifische Orte, welche durch die zu Grunde liegenden wirkende Elektrodenstruktur bestimmt werden, zu immobilisieren bzw. zu adsorbieren.
Die vorliegende Arbeit stellt hauptsächlich zwei Beispiele möglicher Anwendungen von OEWOD als einer mikrofluidischen Plattform für Bioassays vor: OEWOD als eine mikrofluidische Plattform für die Erforschung von Inaktivierung enzymatischer Reaktion oder Kinetiken in einem Lumineszenz bildgebendem System und die Durchführung eines Echtzeit-molekularen biologischen isothermen Protokolls “Nucleic Acid Sequence Based Amplification” (NASBA), um Oligonukleide des Human Papilloma Virus 16 (HPV16) in einem integrierten optischen und Temperatursystem durch Molecular Beacon (MB) Technologie zu amplifizieren. Damit wird eine reale Zeitmessung der amplifizierten Oligonukleide von HPV16 ermöglicht. Deren Details, Effizienz oder Hoch-Durchlauf sind hierin nicht eingeschlossen. Das OEWOD Mikrochip-System zeigt die Flexibilität einer potentiellen und praktischen Plattform für Bioapplikation und erleichtert die Verwendung eines zusätzlichen externen Messgerätes Messungen.


SWD-Schlagwörter: Adsorption , Mikrofluidik , Charakterisierung , Chemilumineszenz
Freie Schlagwörter (englisch): Open Electrowetting On Dielectrics , biomolecular adsorption.
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Urban, Gerald (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.03.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 30.07.2012
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