Mikrofluidististen paperipohjaisten analyysilaitteistojen kehittäminen farmaseuttiseen analytiikkaan

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151173
Title: Mikrofluidististen paperipohjaisten analyysilaitteistojen kehittäminen farmaseuttiseen analytiikkaan
Author: Peuraniemi, Tuukka
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2012
Language: fin
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151173
http://hdl.handle.net/10138/32820
Thesis level: master's thesis
Discipline: Farmaceutisk kemi
Pharmaceutical Chemistry
Farmaseuttinen kemia
Abstract: The aim of this research was to evaluate the use of microfluidic paper-based devices (µPAD) in drug analysis. Micro total analysis systems (µTAS) channels are in the range of a few micrometers and are capable of performing all steps of a chemical analysis. The advantages of miniaturization are lower sample consumption and faster analysis time. µTASs are usually fabricated of glass, silicon or polymers and their fabrication requires cleanroom facilities and specific equipment. Paper offers an inexpensive and versatile substrate for µTASs. Paper wicks liquids and no external pumps are required. µPADs advantages over µTAS are its ease of use and inexpensive and simple fabrication. µPADs are fabricated by patterning hydrophobic barriers in hydrophilic paper. There are several fabrication methods for µPADs such as photolithography, cutting and methods based on the application of wax (etching, wax printing, wax dipping). In this research wax printing was selected as the fabrication method because it's simple, rapid and inexpensive. Wax was printed using Xerox Phaser 8560DN solid ink printer. After printing the wax was melted through the paper by heating the paper at 150 °C for 120 seconds on a hotplate. Thus the wax creates a hydrophobic barrier on the hydrophilic paper which channels the liquids flow. Owing to papers anisotropic nature the wax also spreads horizontally in the paper when heated, thus reducing the wax patterns resolution and making the pattern coarse. Wax printing is an inexpensive and simple fabrication method suitable for fabricating µPADs. Also liquids flow velocity and methods for controlling the flow rate were studied. By knowing the flow velocity, one can assure that the analytes and reagents reach the reaction site. Controlling the flow velocity enables the use of multiphase reactions or the use of multiple simultaneous reactions on the µPAD. The liquid flow velocity can be controlled by changing the hydrophilic channels width, reducing the average pore size by melting a layer of wax inside the hydrophilic channel or by changing the surface tension or viscosity of the liquid used. Colorimetric assays are the most commonly used detection methods in µPADs, but also electrochemical sensing and detection methods based on fluorescence are used. In this study direct and indirect fluorescence detection methods were studied. In the detection method based on direct fluorescence, fluorescein and coumarine derivates were studied. In indirect fluorescence amino acids fluorescamine conjugates, which were created in the paper, were studied. Level of the analytes detected in direct fluorescence detection was 10-13 mol in the range of visible light and 10-12 mol in the range of UV-light. Level of the amino acids fluorescamine conjugates detected in indirect fluorescence detection was 10-9 mol. According to our results the fluorescence based detection methods used in this study are suitable for drug analysis on µPADs.Työn tarkoituksena oli kartoittaa paperipohjaisten, mikrofluidististen analyysilaitteistojen (engl. paper-based microfluidic devices, µPAD) käyttömahdollisuuksia farmaseuttisessa analytiikassa. Miniatyrisoiduissa kokonaisanalyysilaitteistoissa (engl. micro total-analysis system, µTAS) on mikrometrimittakaavan rakenteita, ja ne kykenevät suorittamaan kaikki analyysiketjun prosessit. Miniatyrisoinnin etuja ovat pienemmät reagenssi- ja näytetilavuudet sekä nopeammat analyysiajat. µTAS:t valmistetaan yleensä lasista, piistä tai polymeereistä ja niiden valmistaminen vaatii puhdastilatyöskentelyä sekä erikoislaitteita. Paperi tarjoaa edullisen ja monimuotoisen alustan µTAS:ien valmistamiseen. Neste liikkuu paperissa kapillaarivoimien vaikutuksesta eikä ulkoisia laitteita nesteen liikuttamiseen tarvita. µPAD:ien etuja perinteisiin µTAS:eihin nähden ovat niiden helppokäyttöisyys sekä edullinen ja yksinkertainen valmistus. µPAD:t valmistetaan tekemällä hydrofiiliseen paperiin hydrofobisten esteiden rajaama kuvio. µPAD:ien valmistusmenetelmiä on useita, kuten esim. fotolitografia, leikkaaminen sekä vahan käyttöön perustuvat menetelmät (syövytys, vahatulostus, vahaan upotus). Työhön valittiin µPAD:ien valmistusmenetelmäksi vahatulostus sen nopeuden, edullisuuden ja yksinkertaisuuden takia. Vaha toimii hydrofiilisessä paperissa hydrofobisena esteenä ohjaten nesteen virtausta. Haluttu vahakuvio tulostettiin paperiin Xerox Phaser 8560DN -kuumavahatulostimella, minkä jälkeen vaha sulatettiin paperin läpi kuumentamalla paperia 120 sekunnin ajan 150 °C:ssa kuumalevyllä. Paperin anisotrooppisuudesta johtuen vaha leviää paperissa kuumennuksen aikana myös horisontaalisesti, mikä heikentää vahakuvion resoluutiota eikä vahakuvio ole tarkkarajainen. Vahatulostus on edullinen ja yksinkertainen valmistusmenetelmä, joka soveltuu µPAD:ien valmistamiseen. Työssä tutkittiin myös nesteen virtausnopeutta paperissa ja virtausnopeuden säätelyä. Tuntemalla nesteen virtausnopeus voidaan varmistua, että analyytit ja reagenssit kulkeutuvat reaktiopaikoilleen. Virtausnopeuden säätely mahdollistaa monivaiheisten ja useampien samanaikaisten reaktioiden tekemisen µPAD:lla. Nesteen virtausnopeutta voidaan säädellä paperissa muuttamalla hydrofiilisen kanavan leveyttä, pienentämällä paperin keskimääräistä huokoskokoa sulattamalla kanavaan vahakerros tai muuttamalla nesteen pintajännitystä tai viskositeettia. Värireaktiot ovat yleisimmin käytetty havainnointimenetelmä µPAD:lla, mutta myös elektrokemiallisia ja fluoresenssiin perustuvia havainnointimenetelmiä käytetään. Työssä tutkittiin suoraa sekä epäsuoraa fluoresenssidetektiota. Suorassa fluoresenssidetektiossa tutkittiin fluoresiini- ja kumariinijohdannaisia, kun taas epäsuorassa fluoresenssidetektiossa tutkittiin paperissa muodostettuja fluoresoivia aminohappojen fluoreskamiinikonjugaatteja. Suoralla fluoresenssidetektiolla havaitaan analyytit näkyvän valon alueella ainemäärien ollessa tasolla 10-13 mol ja UV-alueella tasolla 10-12 mol. Epäsuoralla fluoresenssidetektiolla voidaan kvantitoida aminohappojen fluoreskamiinikonjugaatit ainemäärien ollessa tasolla 10-9 mol. Tulosten perusteella työssä käytetyt fluoresenssiin perustuvat havainnointimenetelmät soveltuvat farmaseuttiseen analytiikkaan µPAD:lla.
Subject: µPAD
paper-based microfluidic device
microfluidics
wax printing
paperipohjainen mikrofluidistinen analyysilaitteisto
mikrofluidistiikka
vahatulostus


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record