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  • Chip-based bioanalytical microsystems: new applications

    Maria A. Schwarz

    Universitt BaselDepartement Chemie

  • 1-2

    Table of contents

    1 ZUSAMMENFASSUNG.............................................................................................................................1-4

    2 LIST OF ABBREVIATION .......................................................................................................................2-5

    3 INTRODUCTION .......................................................................................................................................3-2

    4 OVERVIEW OF RESEARCH PROJECTS.............................................................................................4-3

    5 ELECTROPHORETIC SEPARATIONS ON MICROCHIP ................................................................5-4

    5.1 THE MICROCHIP AS A SEPARATION DEVICE .....................................................................................5-45.2 SEPARATION EFFICIENCY ................................................................................................................5-4

    5.2.1 Injection.....................................................................................................................................5-85.2.2 Current detection methods on microchip the advantage of EC-detection...........................5-10

    5.3 SEPARATION SELECTIVITY OF BIOGENIC MONOAMINES (P1, P2) ..................................................5-125.3.1 Separation selectivity modified by complexing equilibria ......................................................5-155.3.2 Separation selectivity modified by partition equilibria (MEKC, P6) .....................................5-18

    5.4 CHIRAL SEPARATIONS (P1 AND P2) ..............................................................................................5-21

    6 SENSITIVITY AND SELECTIVITY FOR AMPEROMETRIC DETECTION OFNEUROTRANSMITTERS.......................................................................................................................6-25

    6.1 ENZYME-CATALYZED REACTIONS ................................................................................................6-256.1.1 Glucose oxidase/ glucose (P3) ................................................................................................6-276.1.2 Glucose oxidase/glucose/NADH (P4) .....................................................................................6-29

    6.2 CARBON NANOTUBE MODIFIED AMPEROMETRY (P6)....................................................................6-306.3 HADAMARD TRANSFORM MICROCHIP - CE(P5) ...........................................................................6-316.4 MICROCHIP SEPARATIONS OF BIOLOGICAL SAMPLES (P6) ............................................................6-32

    6.4.1 Microchip separations in neuroscience ..................................................................................6-33

    7 AFFINITY CAPILLARY ELECTROPHORESIS (ACE) ....................................................................7-36

    7.1 MODES OF AFFINITY CAPILLARY ELECTROPHORESIS....................................................................7-387.2 THEORY OF ACE- ......................................................................................................................7-427.3 CHARACTERIZATION OF ACE ON MICROCHIPS (P7) .....................................................................7-437.4 MC-ACE APPLICATIONS ..............................................................................................................7-46

    7.4.1 Synthetic Receptors (P9) .........................................................................................................7-467.4.2 DNA-Metal Ion Interactions (P8) ...........................................................................................7-487.4.3 Selectivity of metal ions...........................................................................................................7-54

    8 CONCLUSION ..........................................................................................................................................8-62

    9 ACKNOWLEDGMENTS.........................................................................................................................9-63

    10 APPENDIX...............................................................................................................................................10-64

    10.1 PUBLICATIONS ............................................................................................................................10-6410.2 CURRICULUM VITAE ...................................................................................................................10-68

    11 PUBLICATIONS.....................................................................................................................................11-70

    ACE as a separation tool P1: Rapid chiral on-chip separation with simplified amperometric detection (J. Chromatogr. A, 928,

    2001, 225-232) P2: Chiral on-chip separation of neurotransmitters (Anal. Chem., 75, 2003, 4691-4695) P3: Enzyme-catalyzed amperometric oxidation of neurotransmitter in chip-capillary electrophoresis

    (Electrophoresis, 25, 2004, 1916-1922) P4: Enzymatic sensitivity enhancement of biogenic monoamines on chip (Electrophoresis, 26, 2005,

    2701-2707)

  • 1-3

    P5: Modified Hadamard transform microchip electrophoresis (Electrophoresis, 26, 2005, 3151-3159)

    P6: Determination of cationic neurotransmitters and metabolites in brain homogenates by microchipelectrophoresis and carbon nanotubes modified amperometry (J. Chromatogr. A , in press)

    ACE for characterizing interactions P7: Affinity capillary electrophoresis on chip (J. Chromatogr. A , 1063, 2005, 217-225) P8: Quantification of single-stranded nucleic acid and oligonucleotide interactions with metal ions

    by affinity capillary electrophoresis. Part I (J. Biol. Inorg. Chem., in press) P9: Electrophoretic affinity measurements on microchip determination of binding affinities

    between diketopiperazine receptors and peptide ligands (Electrophoresis, in press) P10: Microchip affinity capillary electrophoresis: applications and recent advances, Review (J. Liq.

    Chromatogr. Relat. Technol., 29, 2006, 1047-1076)

  • 1-4

    1 ZUSAMMENFASSUNGDurch Einsatz verschiedenster Trennmechanismen (Modifier) konnten am Beispiel vonbiogenen Aminen (Neurotransmitter) anspruchsvolle sowie schnelle chirale Trennungenauf Mikrochips mit Trennlngen von 8 cm gezeigt werden. Zu bercksichtigendesKriterium der eingesetzten Modifier war die geeignete Steuerung der Trennselektivitt ohneVerschlechterung der elektrochemischen Detektion der Analyten. Ein Weg der sensitivenund selektiven Detektion stellte die Verwendung von enzymkatalysierten Reaktionen dar,um Nachweisgrenzen im oberen nM Bereich zu ermglichen. Es wurde gezeigt, dass auchdie diagnostisch interessanten Metaboliten des Dopamin durch Glukoseoxidase/Glukose(GOx/G) mit deutlich kleineren Nachweisgrenzen detektierbar sind, sowie NADH(Nikotinamid Adenin Dinukleotid) in der Lage ist, die Empfindlichkeit desamperometrischen Signals weiter zu verbessern.Neben den Untersuchungen der elektrochemischen, katalytischen Reaktionen wurde dieHadamard-Transformation und Carbon nanotubes (CNT) immobilisierte Elektrodeneingesetzt. Die Verstrkung des Signals (enzymatisch als auch mit CNT) war ausreichend,um biologische Proben zu untersuchen. Die simultane Bestimmung von kationischenNeurotransmittern und deren kationischen Metaboliten knnte in der Diagnostik vonErkrankungen des zentralen Nervensystems wie Parkinson aber auch der MultiplenSklerose von Bedeutung sein. Von Interesse ist weiterhin die Bestimmung dieser Aminenach Verabreichung verschiedenster Wirkstoffe, die einen Einfluss auf dieNeurotransmitter-Konzentration im Hirn bzw. Hirnflssigkeiten haben.

    Microchip-(EC/UV)-Affinittsmessungen wurden erstmalig erfolgreich an Hand vonWechselwirkungen zwischen Catecholaminen und Cyclodextrinen gezeigt und qualitativmit der klassischen kapillaren CZE (Capillary Zone Electrophoresis) verglichen. Da beiAffinittsstudien die Sensitivitt und Trennleistung weniger problematisch ist, wurdendiese Untersuchungen mittels UV-Detektion auf Trennkanlen von 2.5 cm verfolgt.Weitere Applikationen, welche wichtige Informationen zu molekularbiologischenInteraktionen geben, wurden beschrieben. So konnten DNA/Metallionen - Interaktionencharakterisiert, als auch der Einfluss von Pufferkomponenten auf die Bildung von binrenund ternren Oligonukleotid-Komplexen gezeigt werden. Die Untersuchungen lassen eineSelektivitt ausgewhlter Metallionen zu Oligonukleotiden mit variabler Sequenz erkennen.Sequenzspezifische Bindung von Metallen ist hinsichtlich der Entwicklung von Antitumor-Wirkstoffen aber auch zur Klrung grundlegender biologischer Funktionen der DNA vongrosser Bedeutung. Bindungsstudien knstlicher Rezeptoren und deren Affinitt zuPeptiden wurden mit konventionellen Methoden wie der Kalorimetrie verglichen.

  • 2-5

    2 LIST OF ABBREVIATION

    5-HT - serotoninA- adrenaline, peak area, adenineACE - affinity capillary electrophoresisACE-- affinity capillary electrophoresis

    (evaluation of mobility shift)BGE - background electrolyteC - capillary, cytosineCD - cyclodextrinCDOPA - hydrazinomethyldihydroxy-

    phenylalanineCE - capillary electrophoresisCMCD - carboxymethylated cyclodextrinCNT - carbon nanotubesCSF - cerebrospinal fluidsCOx - catechol oxidaseCZE - capillary zone electrophoresisD - dopamine, diffusion coefficientDOPA - dihydroxyphenylalanineDOPAC - 3,4-Dihydroxyphenylacetic acidE electric fieldEC - electrochemical detectionECR - enzyme-catalyzed reactionEG - electrophoretic groundEMSA - electrophoret

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