Shear-driven micro- and nano-channel separations : from

Shear-driven micro- and nano-channel separations : from
small molecules to large particles
Sarah Vankrunkelsven
Samenvatting
Het snel en nauwkeurig bepalen van chemische of biologische parameters is uiterst
belangrijk in gebieden zoals milieu-analyse, medische diagnose, scheikundige en
biotechnologische productie. Een scheidingsstap is meestal noodzakelijk in de hiervoor
gebruikte analytische procedures.
Sinds het ontstaan van de zogenaamde micro-total analysis systems (of µ-TAS) in 1990,
is de miniaturizatie van analytische systemen een belangrijk domein geworden in
onderzoek en ontwikkeling. De voordelen van deze geminiaturizeerde systemen omvatten
niet alleen een kleiner staal- en reagentiaverbruik, maar ook de mogelijkheid om een
groot aantal analyses gelijktijdig uit te voeren. Daarnaast laten ze toe alle voor- en
nabehandelingsstappen te integreren in één enkel apparaat. Het ontrafelen van het
menselijk genoom heeft ervoor gezorgd dat de belangrijkste toepassingen van deze
microchip-systemen liggen in de analyse van nucleïnezuren (DNA) en eiwitten.
De creatie van een stroming in deze kanalen met een diepte van enkele micro- of zelfs
nanometers is nog steeds een uitdaging. De twee meest gebruikte methoden vertrouwen
op het opleggen van druk- of elektrische spanningsgradiënten. Het grootste nadeel is
echter dat zeer hoge drukken nodig zijn om stroming te veroorzaken in deze zeer smalle
kanalen. Het gebruik van spanningsgedreven methoden is beperkt door de
opwarmingseffecten die ontstaan bij hoge elektrische veldsterkten. Schuifkrachtgedreven
stromingen kunnen aangewend worden om deze problemen te omzeilen. Het principe is
gebaseerd op het gebruik van kanalen bestaande uit twee onafhankelijke delen. Door één
wand te bewegen ten opzichte van de andere, genereert het visceuze meesleepeffect
immers een stroming. De verkregen vloeistofsnelheid is onafhankelijk van de
kanaaldiepte en -lengte, wat het gebruik van nanokanalen en hoge snelheden toelaat.
Sinds de ontdekking van chromatografie meer dan een eeuw geleden, is zij geëvolueerd
tot de belangrijkste scheidingstechniek. De te scheiden componenten verdelen zich over
twee fasen: een stationaire fase en een mobiele fase die door de stationaire fase stroomt.
We hebben schuifkrachtgedreven chomatografie (SGC) toegepast op verscheidene
mengsels van kleine moleculen in nanokanalen: fluorescente kleurstoffen (coumarines en
rhodamines) en peptiden.
Dankzij de grote vloeistofsnelheden die kunnen bereikt worden metSGC, kan een
mengsel van twee fluorescente coumarines in slechts 50 ms gescheiden worden in een
400nm kanaal. Theoretische plaathoogten waren <1 µm, veel lagere waarden dan deze
bekomen met druk- of electrisch gedreven chromatografie. Een kleinere plaathoogte
betekent een grotere scheidingscapaciteit van de kolom.
Rhodamine kleurstoffen werden gebruikt om detectiekwesties in nanokanalen te
bekijken. De detectielimiet van de gebruikte opstelling kon verlaagd worden door de
excitatiebron te veranderen van een kwikdamplamp naar een argonlaser. Een betere
optische opstelling moet echter gebouwd worden in de toekomst. Het installeren van een
photovermenigvuldigingsbuis als detector in plaats van een ladingsgekoppelde camera
brengt belangrijke voordelen met zich mee. Dit leidt niet alleen het verlagen van de
detectielimiet tot de micromolaire regio, maar laat ook een continue uitvoering van de
scheidingen toe en de opname van een echt chromatogram. Dit is een groot voordeel
vergeleken met het stop-flow-mechanisme met de camera.
Tenslotte werd de verzameling van de mengsels die kunnen gescheiden worden met SGC
uitgebreid met een peptidemengsel. Na een fluorescent merking konden twee
angiotensines gescheiden worden in ongeveer 2 s.
Een studie van grotere verhoudingen van de partikel- tot kanaaldiameter leidde tot het
succesvol transporteren van nano- en micropartikels in kanalen die slechts 50% dieper
waren dan de diameter van de partikels. Deze stromingen volgden nog steeds de
theoretische snelheidswet voor schuifkrachtgedreven stromingen. Deze eigenschap werd
benut in een nieuwe voorgestelde scheidingsmethode, gebaseerd op het aanbrengen van
een schuifkrachtgedreven stroming in "getrapte" nano- of microkanalen. Scheidingen op
basis van grootte van mengsels van zowel 0.5 and 1.0 µm gecarboxyleerde polystyrene
partikels als van Staphylococcus aureus en Saccharomyces cerevisiae cells en van S.
cerevisiae en Escherichia coli werden getoond. De schuifkrachtgedreven stroming bleek
een terugstroom te veroorzaken aan de trap die kanaalverstopping en celbeschadiging
voorkomt. Computersimulaties hebben geleid tot nieuwe geoptimaliseerde
kanaalontwerpen die in verder experimenteel onderzoek getest moeten worden.