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Thesis (M.S. in chemical engineering)--Washington State University, August 2007. / Includes bibliographical references.

Electrophoresis is a widely used analytical technique in the medical and biotechnology industries. It can provide for the determination of thousands of individual compounds on this small scale. The operating conditions are quite conducive to use with the delicate products of genetic engineering. Due to other complexities associated with scale-up, the process is not widely used on a large scale. A novel recycling electrophoretic instrument was investigated as a preparative protein separation device. The process occurs in a thin film of liquid between two flat plates, in a direction perpendicular to the flow. This device was unique in its use of a relatively high flowrate, and recycling of the process fluid as a method for increasing residence time. The apparatus was operated in three modes, isoelectric focusing (IEF), zone electrophoresis (ZE) and isotachophoresis (ITP). For use in the ITP mode, a computer was used for data acquisition and control functions. Model systems included monoclonal antibodies and lentil lectins.

Separation and isolation of a desired analyte from an impure sample solution containing numerous unwanted interfering agents is the first step of nearly every laboratory test performed in medicine and biology. Nucleic acids are often of particular interest to doctors and researchers, and although methods currently exist for their isolation, these procedures are costly in time, man-power, and real-estate. In addition to easing the execution of presently performed tests, mitigation or elimination of these drawbacks would make a large range of currently unperformed tests both practical and feasible. This thesis presents a microfluidics-based approach to the isolation of nucleic acids using transverse isotachophoresis (ITP). A boro-silicate glass chip is used with Poly(Acrylamide) gel electrodes to establish an electric field perpendicular to the direction of sample flow, causing a controlled migration of charged particles. The design and fabrication of the microfluidic chip are addressed, along with the development of a transverse-ITP model which predicts the necessary conditions for the successful separation/concentration of an arbitrary sample. Several proof-of-concept images are provided which demonstrate the effectiveness of transverse ITP using surrogate sample inputs. This thesis proposes a direction for future work which aims toward confirming the model presented and preparing the transverse ITP chip to receive biological samples.

Thesis (Ph. D.)--Washington State University, December 2007. / Includes bibliographical references.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23155号 / 工博第4799号 / 新制||工||1750(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科マイクロエンジニアリング専攻 / (主査)教授 横川 隆司, 教授 井上 康博, 教授 中部 主敬 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

A eletroforese capilar em microchips (µCE ou MCE) é uma forma diferente de eletroforese capilar que tem se desenvolvido muito nos últimos anos. Essa técnica usa microdispositivos feitos em placas que podem ser de vidro ou polímero contendo canais de dimensões micrométricas ao invés de um capilar de sílica. Ganhos significativos têm sido obtidos em termos de tempo de análise, volume manipulado, dimensões físicas, consumo energético e integrabilidade com outros sistemas. Neste trabalho foi empregada uma técnica diferente de microfabricação, usando toner de impressora laser e folhas de transparência para a construção de dispositivos para microfluídica. A técnica se mostra simples, rápida e excelente para prototipagem. Visando a aplicação desses microchips de toner-poliéster, esse trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de instrumentação para separações químicas usando microdispositivos de toner-poliéster. Fontes de alta-tensão e de corrente foram desenvolvidas usando módulos conversores de baixa para alta-tensão elétrica. As programações das fontes foram feitas usando tensões elétricas geradas por uma placa de aquisição de dados ou por um conversor digital-analógico (DAC) com uma interface de comunicação I2C. Todo o controle foi desenvolvido em sistema GNU/Linux. Um sistema de injeção hidrodinâmico também foi desenvolvido usando um compressor de ar de diafragma juntamente com um sistema de amortecimento pneumático de pulsações e tendo sua pressão interna estabilizada por uma coluna d\'água. Um medidor de pressão eletrônico foi desenvolvido, usando um sensor de pressão, e calibrado com um manômetro de coluna d\'água. Registros de pressão de -10, -1, +1 e +10cm de coluna d\'água em função de diferentes tempos de injeção foram feitos usando um software controlando o acionamento do injetor hidrodinâmico e efetuando leituras do medidor de pressão eletrônico. Os dados mostram que colunas d\'água de 10cm e tempos de injeção maiores que 3 segundos exibem um desvio padrão relativo (RSD) de aproximadamente 0,5% em módulo. uUma proposta diferente de construção de reservatórios é apresentada. Tal proposta usa mantas de silicone e um bloco de acrílico para a definição dos reservatórios. Observou-se que essa configuração promove o estrangulamento dos canais nas microestruturas de toner-poliéster. Assim, a configuração de colagem de reservatórios por pedaços de tubos, mostrou-se melhor para uso com dispositivos de toner-poliéster descartáveis. Uma nova forma de confecção de eletrodos para detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente (C4D) foi desenvolvida usando placas de circuito impresso (PCB). Após a confecção dos eletrodos pelo processo de corrosão de PCB a placa foi recoberta com uma resina para que os espaços entre os eletrodos ficassem da mesma altura da camada de cobre. Essa configuração é simples e permite uma maior integração de circuitos eletrônicos. Testes de separação eletroforética foram feitos usando a instrumentação desenvolvida neste trabalho. Soluções de 100µM dos cloretos de K+, Na+ e Li+ dissolvidos em tampão HLac/His 2mM foram usadas para os testes. Essas espécies foram injetadas eletrocineticamente e separadas usando tampão HLac/His 20mM. A quantificação não foi possível por apresentar irreprodutibilidade no processo de injeção devido ao uso de espécies de elevada mobilidade, juntamente com longos canais de injeção. Também foram realizados testes com amostras de sangue permitindo a separação de K+ e Na+ sem pré-tratamento. Separações isotacoforéticas de 1mM dos cloretos de K+, Na+ e Li+ e 1mM de HCl, como eletrólito líder, e 1mM de cloreto de tetrametilamônio, como terminador, foram realizadas para demonstrar a funcionalidade do sistema em sistemas isotacoforéticos. / The Microchip Capillary Electrophoresis (µCE or MCE) is a different kind of capillary electrophoresis that has been growing. This technique uses devices made with small plates of glass or polymer with a microchannel instead of a silica capilar. Improvements in time analysis, sample volumes, physical dimensions, power consume, and integrability with diferent systems have been archieved. A diferent microfabrication technique using laser printer toner and polyester sheets was used to build devices for microfluidic devices. This tecnique is simple, fast and suitable for prototyping. In this work were developed instruments for use with these toner-polyester microdevices. High-voltage and current sources were developed using high-voltage conversors (DC/HVDC). The programming was obtained by electric voltages from a data acquisition board and a digital-analogic conversor (DAC) with a I2C interface communication. Its control was made in a GNU/Linux System. An hidrodynamic injector was developed using an air compressor with a pulse dumper. The internal pressure was regulated by water column. An electronic manometer was built and calibrated with a water manometer. Recording of pressure using -10, -1, +1, and +10cm water column using different injection times were acquired with a data acquisition system. The data show that when water columns of ca. 10cm and injection times greater than 3 seconds are used, the relative standard deviation (RSD) is about 0.5% in modulus. A different way to build vials is presented. This method uses a silicone mantle and plastic glass block with holes. As a result, channels are stragled due to the poliester sheets. A new way to build electrodes for capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) using printed circuit boards (PCB) is shown. After the corrosion of the copper board, varnish is applied on the board to planify its surface. This configuration is simple and allows good integrability with the electronic circuit. Electrophoretic tests using the instrumentation developed was performed by separation of 100µM K+, Na+ and Li+ solutions in 2mM HLac/His buffer. This solutions were injected by electrokinetic method and separated using 20mM HLac/His buffer under high-voltage. The three species were detected but not quantified due to irreprodutibilities of the electrokinetic injection with high mobility ions. Demonstrative separations of K+ and Na+ were made with the same chemical system and blood samples without pretreatment. Isotacophoretic separations of 1mM K+, Na+, and Li+ in 1mM HCl (leader electrolyte) and 1mM tetramethylammonium (terminate electrolyte) were carried outto demonstrate the system functionality.

Isotachophoresis (ITP) coupled to capillary zone electrophoresis (CE) in a comprehensive manner was used to separate mixture components in both insufficient and sufficient concentrations without heart-cutting or splitting. Examples of comprehensive ITP-CE involving multiple CE injections of preconcentrated ITP zones are demonstrated. In the comprehensive arrangement, all of the sample in the first dimension (ITP) is subjected to analysis in the second dimension (CE), without significant sample loss or decrease in sample detectability resulting from removal of a portion of the sample. This is especially important for analytes at low concentrations which may form a single mixed zone instead of individual ITP zones. Direct online coupling of ITP to CE in this comprehensive arrangement involved the use of columns having different diameters with one directly inserted inside the other. A counterflow was applied when the isotachophoretic sample stack reached the bifurcation point. Large volume (10 µL) injections were made using an electrically-insulated commercial polymeric rotary valve injector for increased reproducibility compared to previous comprehensive ITP-CE studies, with ITP and CE retention time RSD values ranging from 2-5%. An ultraviolet (UV) detector positioned at the bifurcation point was used to determine the beginning of CE injection. Application of a splitting voltage at the bifurcation point showed no affect on analyte transfer into the CE column. By using multiple injections of the ITP band(s), CE column overloading was not observed. Online capillary isotachophoresis (ITP) and comprehensive isotachophoresis-capillary electrophoresis (ITP-CE) were also coupled with electrospray ionization (ESI)-orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometry (TOFMS). Separations were performed using 200 µm I.D. and 50 µM I.D. polyvinylalcohol (PVA)-coated fused silica capillaries for ITP and CE, respectively. Both ITP and ITP-CE were coupled to TOFMS for analysis of sufficient (10-5 M) and insufficient (10-6-10-7 M) concentrations of angiotensins in mixtures. ITP-TOFMS of a single mixed zone of five angiotensins (3 x 10-7 M) showed that ion suppression due to the co-elution of angiotensin III in the electrospray significantly reduced the ionization of other analytes. A practical solution to the detection difficulties for ITP mixed zones involved the insertion of a CE separation between the ITP and TOFMS for online preconcentration, separation, and identification in one system.

A eletroforese capilar em microchips (µCE ou MCE) é uma forma diferente de eletroforese capilar que tem se desenvolvido muito nos últimos anos. Essa técnica usa microdispositivos feitos em placas que podem ser de vidro ou polímero contendo canais de dimensões micrométricas ao invés de um capilar de sílica. Ganhos significativos têm sido obtidos em termos de tempo de análise, volume manipulado, dimensões físicas, consumo energético e integrabilidade com outros sistemas. Neste trabalho foi empregada uma técnica diferente de microfabricação, usando toner de impressora laser e folhas de transparência para a construção de dispositivos para microfluídica. A técnica se mostra simples, rápida e excelente para prototipagem. Visando a aplicação desses microchips de toner-poliéster, esse trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de instrumentação para separações químicas usando microdispositivos de toner-poliéster. Fontes de alta-tensão e de corrente foram desenvolvidas usando módulos conversores de baixa para alta-tensão elétrica. As programações das fontes foram feitas usando tensões elétricas geradas por uma placa de aquisição de dados ou por um conversor digital-analógico (DAC) com uma interface de comunicação I2C. Todo o controle foi desenvolvido em sistema GNU/Linux. Um sistema de injeção hidrodinâmico também foi desenvolvido usando um compressor de ar de diafragma juntamente com um sistema de amortecimento pneumático de pulsações e tendo sua pressão interna estabilizada por uma coluna d\'água. Um medidor de pressão eletrônico foi desenvolvido, usando um sensor de pressão, e calibrado com um manômetro de coluna d\'água. Registros de pressão de -10, -1, +1 e +10cm de coluna d\'água em função de diferentes tempos de injeção foram feitos usando um software controlando o acionamento do injetor hidrodinâmico e efetuando leituras do medidor de pressão eletrônico. Os dados mostram que colunas d\'água de 10cm e tempos de injeção maiores que 3 segundos exibem um desvio padrão relativo (RSD) de aproximadamente 0,5% em módulo. uUma proposta diferente de construção de reservatórios é apresentada. Tal proposta usa mantas de silicone e um bloco de acrílico para a definição dos reservatórios. Observou-se que essa configuração promove o estrangulamento dos canais nas microestruturas de toner-poliéster. Assim, a configuração de colagem de reservatórios por pedaços de tubos, mostrou-se melhor para uso com dispositivos de toner-poliéster descartáveis. Uma nova forma de confecção de eletrodos para detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente (C4D) foi desenvolvida usando placas de circuito impresso (PCB). Após a confecção dos eletrodos pelo processo de corrosão de PCB a placa foi recoberta com uma resina para que os espaços entre os eletrodos ficassem da mesma altura da camada de cobre. Essa configuração é simples e permite uma maior integração de circuitos eletrônicos. Testes de separação eletroforética foram feitos usando a instrumentação desenvolvida neste trabalho. Soluções de 100µM dos cloretos de K+, Na+ e Li+ dissolvidos em tampão HLac/His 2mM foram usadas para os testes. Essas espécies foram injetadas eletrocineticamente e separadas usando tampão HLac/His 20mM. A quantificação não foi possível por apresentar irreprodutibilidade no processo de injeção devido ao uso de espécies de elevada mobilidade, juntamente com longos canais de injeção. Também foram realizados testes com amostras de sangue permitindo a separação de K+ e Na+ sem pré-tratamento. Separações isotacoforéticas de 1mM dos cloretos de K+, Na+ e Li+ e 1mM de HCl, como eletrólito líder, e 1mM de cloreto de tetrametilamônio, como terminador, foram realizadas para demonstrar a funcionalidade do sistema em sistemas isotacoforéticos. / The Microchip Capillary Electrophoresis (µCE or MCE) is a different kind of capillary electrophoresis that has been growing. This technique uses devices made with small plates of glass or polymer with a microchannel instead of a silica capilar. Improvements in time analysis, sample volumes, physical dimensions, power consume, and integrability with diferent systems have been archieved. A diferent microfabrication technique using laser printer toner and polyester sheets was used to build devices for microfluidic devices. This tecnique is simple, fast and suitable for prototyping. In this work were developed instruments for use with these toner-polyester microdevices. High-voltage and current sources were developed using high-voltage conversors (DC/HVDC). The programming was obtained by electric voltages from a data acquisition board and a digital-analogic conversor (DAC) with a I2C interface communication. Its control was made in a GNU/Linux System. An hidrodynamic injector was developed using an air compressor with a pulse dumper. The internal pressure was regulated by water column. An electronic manometer was built and calibrated with a water manometer. Recording of pressure using -10, -1, +1, and +10cm water column using different injection times were acquired with a data acquisition system. The data show that when water columns of ca. 10cm and injection times greater than 3 seconds are used, the relative standard deviation (RSD) is about 0.5% in modulus. A different way to build vials is presented. This method uses a silicone mantle and plastic glass block with holes. As a result, channels are stragled due to the poliester sheets. A new way to build electrodes for capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) using printed circuit boards (PCB) is shown. After the corrosion of the copper board, varnish is applied on the board to planify its surface. This configuration is simple and allows good integrability with the electronic circuit. Electrophoretic tests using the instrumentation developed was performed by separation of 100µM K+, Na+ and Li+ solutions in 2mM HLac/His buffer. This solutions were injected by electrokinetic method and separated using 20mM HLac/His buffer under high-voltage. The three species were detected but not quantified due to irreprodutibilities of the electrokinetic injection with high mobility ions. Demonstrative separations of K+ and Na+ were made with the same chemical system and blood samples without pretreatment. Isotacophoretic separations of 1mM K+, Na+, and Li+ in 1mM HCl (leader electrolyte) and 1mM tetramethylammonium (terminate electrolyte) were carried outto demonstrate the system functionality.

The presence of inorganic ions is one of the criteria for thermal water assessing. The most important anions that affect the water quality and allow their use for therapeutic purposes, include sulfates, chlorides, nitrates and bicarbonates. Ions (as sodium, potassium, calcium and magnesium) are the significant cations. The ion chromatography is used for separation of these substances and also some methods based on electrophoretic migration of ions in an electric field. The electromigration method of isotachophoresis was chosen for determination of selected ions in water samples collected from thermal boreholes in Pasohlávky.