Dielectrophoresis (DEP), an electrokinetic force, is the motion of a polarizable particle in a non-uniform electric field. Contactless DEP (cDEP) is a recently developed cell sorting and isolation technique that uses the DEP force by capacitavely coupling the electrodes across the channel. The cDEP platform sorts cells based on intrinsic biophysical properties, is inexpensive, maintains a sterile environment by using disposable chips, is a rapid process with minimal sample preparation, and allows for immediate downstream recovery. This platform is highly competitive compared to other cell sorting techniques and is one of the only platforms to sort cells based on phenotype, allowing for the isolation of unique cell populations not possible in other systems. The original purpose of this work was to determine differences in the bioelectrical fingerprint between several critical cancer types. Results demonstrate a difference between Tumor Initiating Cells, Multiple Drug Resistant Cells, and their bulk populations for experiments conducted on three prostate cancer cell lines and treated and untreated MOSE cells. However, three significant issues confounded these experiments and challenged the use of the cDEP platform. The purpose of this work then became the development of solutions to these barriers and presenting a more commercializable cDEP platform. An improved analysis script was first developed that performs whole cell detection and cell tracking with an accuracy of 93.5%. Second, a loading system for doing smart sample handling, specifically cell focusing, was developed using a new in-house system and validated. Experimental results validated the model and showed that cells were successfully focused into a tight band in the middle of the channel. Finally, a proof of concept for an on-chip micropump is presented and achieved 4.5% in-plane deformation. When bonded over a microchannel, fluid flow was induced and measured. These solutions present a stronger, more versatile cDEP platform and make for a more competitive commercial product. However, these solutions are not just limited to the cDEP platform and may be applicable to multitudes of other microfluidic devices and applications. / Master of Science

Microfluidics has found numerous applications ranging from the life sciences industries for pharmaceuticals and biomedicine (drug design, delivery and detection, diagnostic devices) to industrial applications of combinational synthesis (such as rapid analysis and high throughput screening). Among all these, one of the intriguing exploitation of microfluidics or micro total analysis systems (µTAS) is the separation of circulating tumor cells (CTCs) from body fluids. Cancer cells spread from the initial site of a tumor by first invading the surrounding tissue, then by entering the blood or lymph vessels, and finally by crossing the vessel wall to exit the vasculature into distal organs. The September 2006 issue of the Journal of the National Cancer Institute (NCI) states: "The war on cancer was declared 40 years ago and cancer is still here," and "Technologies that capture enemy CTCs for further interrogation might prove useful in the war on cancer." CTCs cannot only become a new marker for cancer prognosis, but their detection can also be a valid new parameter for diagnosing cancer early, for monitoring disease progression and relapse, and for optimizing therapy. This research established a new method to manipulate rare cell types based on their electrical signatures using dielectrophoresis (DEP) without having direct contact between the electrodes and the sample, known as contactless dielectrophoresis (cDEP). DEP is the motion of a particle in a suspending medium due to its polarization in the presence of a non-uniform electric field. cDEP relies upon reservoirs filled with highly conductive fluid to act as electrodes and provide the necessary electric field. These reservoirs are placed adjacent to the main microfluidic channel and are separated from the sample by a thin barrier of a dielectric material as is shown in Figure 1h. The application of a high-frequency electric field to the electrode reservoirs causes their capacitive coupling to the main channel and an electric field is induced across the sample fluid. Similar to traditional DEP, cDEP exploits the varying geometry of the electrodes to create spatial non-uniformities in the electric field. However, by utilizing reservoirs filled with a highly conductive solution, rather than a separate thin film array, the electrode structures employed by cDEP can be fabricated in the same step as the rest of the device; hence the process is conducive to mass production. We demonstrated the ability to isolate human leukemia cancer cells (THP-1) cells from a heterogeneous mixture of live and dead cells using cDEP with more than 99% selectivity and 95% removal efficiency. Through numerical and experimental investigations, new generation of cDEP devices have been designed and tested to detect and isolate THP-1 cells from spiked blood samples with high selectivity and cell capture efficiency. Our experimental observations, using prototype devices, indicate that breast cancer cell lines at their different stages (MCF-7, MCF-10, and MDA-MB231) have unique electrical. Furthermore, through collaborations at the Wake Forest Comprehensive Center, we demonstrated that prostate tumor initiating cells (TICs) exhibit unique electrical signatures and DEP responses and cDEP technology can be exploited to isolate and enrich TICs for further genetic pathways investigations. / Ph. D.

A presente tese é o resultado de um complexo trabalho de instrumentação em Eletroforese Capilar (CE) com detecção condutométrica sem contato (C4D) visando à análise de biomoléculas. No que diz respeito à instrumentação, dois equipamentos de CE (H1 e B1), que possuem um sistema único de eletrólise separada (MSE), foram desenvolvidos. H1 possui apenas um capilar, e nele foi desenvolvida a maioria dos experimentos apresentados nesse trabalho. Neste equipamento, foi implementado um sistema de marcas térmicas, cuja aplicação foi demonstrada na correção de variações nos tempos de migração dos íons Na+ e K+ presentes em clara de ovos. Também realizamos a separação e detecção (10 µmol·L-1 ) de proteínas entre 12 e 66 kDa, comprovando que a detecção dessas moléculas é factível, desde que se use agentes que evitem a adsorção. Experimentos de separação e detecção de quitooligossacarídeos produzidos enzimaticamente também foram desenvolvidos em H1. Com o uso de NaOH como eletrólito de corrida acrescido de acetonitrila como agente modificador, verificamos a separação completa de seis quitooligossacarídeos (C1 a C6) com limites de detecção e quantificação inferiores a 3 µmol·L-1 e 10 µmol·L-1 , respectivamente. Após ensaios enzimáticos dos substratos C2 a C6 com a quitinase purificada de um besouro Tenebrio molitor (TmChi), observamos que esta cliva com baixíssima eficiência tanto C2 como C3. A mesma é capaz de clivar C4 produzindo C2 e sua ação sobre C5 gera C2 e C3, sendo este o substrato de maior afinidade. C6 também é clivado por essa quitinase, gerando, contudo, C2 ou C3, o que indica que ela é uma endoquitinase. O equipamento B1 possui oito capilares e oito detectores condutométricos sem contato, possuindo a maior relação sinal/ruído a 1 MHz e 4 Vpico-a-pico. O equipamento possibilita a separação simultânea de até oito amostras distintas com quatro possíveis eletrólitos e potenciais de trabalho. Nesse equipamento, foram desenvolvidas as separações dos vinte aminoácidos proteinogênicos, usando-se duas condições distintas de separação, ambas em meio ácido. Separações em meio básico e com potenciais de separação variados também foram avaliadas. Além dos sistemas H1 e B1, também foi desenvolvido um microchip em PDMS com um biorreator enzimático (IMER) para detecção de glicose. A detecção de peróxido formado pela ação da enzima glicose oxidase presente no IMER foi realizada por amperometria. O chip apresentou as melhores condições de separação e detecção desse açúcar usando-se eletrodo de trabalho a 0,9V, pH 8,5 e separação a 1100 V. Foi verificada uma relação linear entre as concentrações de 0,1 a 6,2 mmol·L-1 de glicose injetada, com relação ao pico de corrente obtido. Com as condições otimizadas do chip, determinou-se a concentração de glicose em amostra de refrigerante, obtendo-se uma concentração de 216 mmol·L-1 , valor semelhante ao obtido em literatura. / This work shows the development of two equipments (H1 and B1) of capillary electrophoresis (CE) with contactless conductivity detection (C4D) applied to the analysis of biomolecules. They have a system named MSE (module for separated electrolysis) that avoids the harmful effect of electrolysis. H1 have only one capillary and the majority of the experiments presented here were developed in this equipment. It also have a system of thermal marks (TM) used to correct the EOF effect on the migration of ions Na+ e K+ in egg white. We also developed the separation and detection of proteins (10 µmol·L-1) between 12 an 66 kDa, showing that C4D can be used to detect these molecules using substances to avoid adsorption on the capillary wall. Experiments of separation and detection of chitooligosaccharides enzymatically produced were also developed in H1. By using NaOH and acetonitrile as the electrolyte, we did the complete separation of six chitooligosaccharides (C1 to C6) with limits of detection and quantification less than 3 µmol·L-1 and 10 µmol·L-1 , respectively. After the enzymatic assays of C2 to C6 with the chitinase purified from the beetle Tenebrio molitor (TmChi), it is observed that this enzyme cut these substrates with very low efficiency, as expected. This enzyme also cut C4 producing C2 and cut C5 producing C2 and C3. C5 is the best substrate for this enzyme. C6 produces C2 and C3, showing that this enzyme is a endo- chitinase type. The equipment B1 has eight capillaries and eight C4D detectors with the best signal/noise ratio at 1 MHz e 4 Vpeak-to-peak . By using B1, it is possible run up to eight different samples with four different electrolytes and separation potentials. In this equipment, we develop the separation of 20 proteinogenic amino acids (AAs) using two different separation conditions at low pH. Separations of these molecules using high-pH electrolytes and with different potentials were also demonstrated. The development of a microchip of PDMS with an immobilized enzyme reactor (IMER) to the glucose detection was also constructed. The detection of hydrogen peroxide produced by the enzyme glucose oxidase linked on the IMER was measured by amperometry. The performance of this chip was evaluated with glucose and peroxide injections. The best potential for the oxidation of the hydrogen peroxide was 0.9V, using electrolyte at pH 8.5 and 1100 V as the potential of separation. A linear curve was observed between peak current and glucose concentration in the range from 0.1 up to 6.2 mmol·L-1 . Determinations in soda shows 216 mmol·L-1 of glucoce, that is a good agreement with other reports.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 2204692 bytes, checksum: df26e8eadaeacfb0702b39229f465ea2 (MD5) Previous issue date: 2010-03-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work describes the construction of a new flow-batch analyzer (FB) in micro scale (micro Flow-Batch-μFBA) using the technique of deep ultraviolet photolithography with commercial resin based in urethane acrylate oligomers (UA). The device was constructed from the union of two layers of pre-polymerized resin of 3.4 mm thick each, thus forming a single structure. The main feature of the new device is the small volume of its analysis chamber, which can be 100-200 μL, allowing the homogenization of reagent solutions in a time of 2.s. In this sense, the decrease in reagents consumption and hence generation of waste (ten times smaller than a conventional FB), wich is in line with the requirements of green chemistry and with the new position of the eco-efficiency. The system offers the following progress in relation to micro fabrication with urethane acrylate resin: (i) depth control of the channels during photolithography; (ii) axial mixer incorporated; (iii) LED - Light emitting diode (530 nm) and detector (photodiode) coupled to the device body; The depth control of the channels allows adjustment of the volume of the chamber and the LED to the mixing chamber. The LED and detector connector pins is the elements that makes the device fixed on its box. In this first assembly, system were used in photometric determination of Fe (II) in pharmaceuticals. The model for the calibration curve was validated by analysis of variance (ANOVA), and their analytical results were compared with those obtained in batch by the reference method, the application of paired t-test found no statistically significant differences at a confidence level of 95%. / No presente trabalho é descrita a construção de um novo analisador Flow- Batch (FB) em escala micro (micro Flow-Batch - μFBA) utilizando a técnica de fotolitografia profunda no ultravioleta com resina comercial à base de oligômeros uretano e acrilato (UA). O dispositivo foi construído a partir da união de duas camadas da resina pré-polimerizada de 3,4 mm de espessura cada uma, formando assim uma estrutura única. A característica principal do novo dispositivo é o pequeno volume da câmara de análise, que pode ser de 100 a 200 μL, permitindo a homogeneização das soluções reagentes em um tempo de 2.s. Nesse sentido, a diminuição do consumo de reagentes e, conseqüentemente, de resíduos gerados (dez vezes menor que um FB convencional), apontam na direção dos requisitos da química verde e se alinham com a nova postura da ecoeficiência. O sistema apresenta os seguintes avanços em relação à microfabricação com resina uretanoacrilato: (i) controle da profundidade dos canais durante a fotolitografia; (ii) agitador do tipo axial incorporado; (iii) LED emissor de luz (530nm) e detector (fotodiodo) acoplados ao corpo do dispositivo. O controle da profundidade permitiu o ajuste do volume da câmara e do LED à câmara de mistura. Os próprios pinos conectores do LED e do detector foram utilizados como elementos de fixação da peça em sua caixa. Nesta primeira montagem, o sistema foi empregado na determinação fotométrica de Fe (II) em medicamentos. O modelo para a curva de calibração foi validado através da Análise de Variância (ANOVA), e seus resultados analíticos foram comparados com aqueles obtidos em análises de referência através da aplicação do teste-t emparelhado, não apresentando diferenças estatísticas significativas a um nível de confiança de 95%.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2017-12-20T12:00:43Z No. of bitstreams: 1 giselenogueiraforgaca.pdf: 1203684 bytes, checksum: 59314b5e0521d179b046af64248e362c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-12-22T11:57:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 giselenogueiraforgaca.pdf: 1203684 bytes, checksum: 59314b5e0521d179b046af64248e362c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-22T11:57:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 giselenogueiraforgaca.pdf: 1203684 bytes, checksum: 59314b5e0521d179b046af64248e362c (MD5) Previous issue date: 2017-08-18 / Fraudes em lácteos é um problema do ponto de vista econômico, já que traz prejuízos ao consumidor, e em alguns casos, são caracterizadas como um problema de saúde pública, visto que essas podem reduzir os componentes nutritivos originais do alimento ou mesmo provocar contaminação microbiológica, química ou física. Por este motivo, metodologias que visam a comprovação da autenticidade dos produtos lácteos têm sido desenvolvidas. Desse modo, este trabalho teve como objetivo avaliar o método lab-on-a-chip para a detecção de fraude em leite de vaca pela adição de soro de queijo. Sendo assim, amostras de leite cru, pasteurizado, UHT e em pó foram adicionadas com soro de queijo, simulando este tipo de fraude, em níveis crescentes 0; 1; 2,5; 5; 10; 20; 30; 50% (v/v). Todas as amostras foram submetidas a eletroforese lab-on-a-chip e SDS-PAGE com o objetivo de detectar fraude. Os resultados obtidos utilizando as duas metodologias foram satisfatórias quanto a separação e quantificação das proteínas do leite. Somente foi possível detectar a fraude a partir de 1% de adição de soro de queijo para os quatro tipos de leite testados pela técnica lab-on-a-chip. Com base nestes resultados, conclui-se que esse método pode ser aplicado como um mecanismo de triagem para a detecção de fraude em leite nas rotinas em laboratórios da indústria. Entretanto ressalta-se que a técnica lab-on-a-chip deve ser submetida a um processo de validação de metodologia para que possa ser utilizada na rotina em laboratórios de qualidade do leite. / Dairy fraud is a problem from the economic point of view, since it causes harm to the consumer and in some cases is characterized as a public health problem, since these frauds can reduce the original nutritional components of the food or even cause microbiological contamination, chemical or physical. For this reason, methodologies aimed at proving the authenticity of dairy products have been developed. Therefore, this work aimed to evaluate the lab-on-a-chip method for the detection of fraud in cow's milk by the addition of cheese whey. Therefore, samples of raw, pasteurized, UHT and powdered milk were added with cheese whey, simulating this type of fraud, at increasing levels 0; 1; 2.5; 5; 10; 20; 30; 50% (v/v). All samples were submitted to lab-on-a-chip electrophoresis and SDS-PAGE with the aim of detecting fraud. The results obtained using the two methodologies were satisfactory regarding the separation and quantification of milk proteins. It was only possible to detect fraud from 1% addition of cheese whey to the four milk types tested by the lab-on-a-chip technique. Based on these results, it was conclude that this method can be applied as a screening mechanism for the detection of milk fraud in routines in industry laboratories. However, it is emphasized that the lab-on-a-chip technique must be submitted to a methodology validation process so that it can be used routine in milk quality laboratories.

A presente tese é o resultado de um complexo trabalho de instrumentação em Eletroforese Capilar (CE) com detecção condutométrica sem contato (C4D) visando à análise de biomoléculas. No que diz respeito à instrumentação, dois equipamentos de CE (H1 e B1), que possuem um sistema único de eletrólise separada (MSE), foram desenvolvidos. H1 possui apenas um capilar, e nele foi desenvolvida a maioria dos experimentos apresentados nesse trabalho. Neste equipamento, foi implementado um sistema de marcas térmicas, cuja aplicação foi demonstrada na correção de variações nos tempos de migração dos íons Na+ e K+ presentes em clara de ovos. Também realizamos a separação e detecção (10 µmol·L-1 ) de proteínas entre 12 e 66 kDa, comprovando que a detecção dessas moléculas é factível, desde que se use agentes que evitem a adsorção. Experimentos de separação e detecção de quitooligossacarídeos produzidos enzimaticamente também foram desenvolvidos em H1. Com o uso de NaOH como eletrólito de corrida acrescido de acetonitrila como agente modificador, verificamos a separação completa de seis quitooligossacarídeos (C1 a C6) com limites de detecção e quantificação inferiores a 3 µmol·L-1 e 10 µmol·L-1 , respectivamente. Após ensaios enzimáticos dos substratos C2 a C6 com a quitinase purificada de um besouro Tenebrio molitor (TmChi), observamos que esta cliva com baixíssima eficiência tanto C2 como C3. A mesma é capaz de clivar C4 produzindo C2 e sua ação sobre C5 gera C2 e C3, sendo este o substrato de maior afinidade. C6 também é clivado por essa quitinase, gerando, contudo, C2 ou C3, o que indica que ela é uma endoquitinase. O equipamento B1 possui oito capilares e oito detectores condutométricos sem contato, possuindo a maior relação sinal/ruído a 1 MHz e 4 Vpico-a-pico. O equipamento possibilita a separação simultânea de até oito amostras distintas com quatro possíveis eletrólitos e potenciais de trabalho. Nesse equipamento, foram desenvolvidas as separações dos vinte aminoácidos proteinogênicos, usando-se duas condições distintas de separação, ambas em meio ácido. Separações em meio básico e com potenciais de separação variados também foram avaliadas. Além dos sistemas H1 e B1, também foi desenvolvido um microchip em PDMS com um biorreator enzimático (IMER) para detecção de glicose. A detecção de peróxido formado pela ação da enzima glicose oxidase presente no IMER foi realizada por amperometria. O chip apresentou as melhores condições de separação e detecção desse açúcar usando-se eletrodo de trabalho a 0,9V, pH 8,5 e separação a 1100 V. Foi verificada uma relação linear entre as concentrações de 0,1 a 6,2 mmol·L-1 de glicose injetada, com relação ao pico de corrente obtido. Com as condições otimizadas do chip, determinou-se a concentração de glicose em amostra de refrigerante, obtendo-se uma concentração de 216 mmol·L-1 , valor semelhante ao obtido em literatura. / This work shows the development of two equipments (H1 and B1) of capillary electrophoresis (CE) with contactless conductivity detection (C4D) applied to the analysis of biomolecules. They have a system named MSE (module for separated electrolysis) that avoids the harmful effect of electrolysis. H1 have only one capillary and the majority of the experiments presented here were developed in this equipment. It also have a system of thermal marks (TM) used to correct the EOF effect on the migration of ions Na+ e K+ in egg white. We also developed the separation and detection of proteins (10 µmol·L-1) between 12 an 66 kDa, showing that C4D can be used to detect these molecules using substances to avoid adsorption on the capillary wall. Experiments of separation and detection of chitooligosaccharides enzymatically produced were also developed in H1. By using NaOH and acetonitrile as the electrolyte, we did the complete separation of six chitooligosaccharides (C1 to C6) with limits of detection and quantification less than 3 µmol·L-1 and 10 µmol·L-1 , respectively. After the enzymatic assays of C2 to C6 with the chitinase purified from the beetle Tenebrio molitor (TmChi), it is observed that this enzyme cut these substrates with very low efficiency, as expected. This enzyme also cut C4 producing C2 and cut C5 producing C2 and C3. C5 is the best substrate for this enzyme. C6 produces C2 and C3, showing that this enzyme is a endo- chitinase type. The equipment B1 has eight capillaries and eight C4D detectors with the best signal/noise ratio at 1 MHz e 4 Vpeak-to-peak . By using B1, it is possible run up to eight different samples with four different electrolytes and separation potentials. In this equipment, we develop the separation of 20 proteinogenic amino acids (AAs) using two different separation conditions at low pH. Separations of these molecules using high-pH electrolytes and with different potentials were also demonstrated. The development of a microchip of PDMS with an immobilized enzyme reactor (IMER) to the glucose detection was also constructed. The detection of hydrogen peroxide produced by the enzyme glucose oxidase linked on the IMER was measured by amperometry. The performance of this chip was evaluated with glucose and peroxide injections. The best potential for the oxidation of the hydrogen peroxide was 0.9V, using electrolyte at pH 8.5 and 1100 V as the potential of separation. A linear curve was observed between peak current and glucose concentration in the range from 0.1 up to 6.2 mmol·L-1 . Determinations in soda shows 216 mmol·L-1 of glucoce, that is a good agreement with other reports.

Lab-on-a-chip systems for point-of-care testing demonstrate a promising development towards more accurate diagnostic tests that are of extreme importance for the future global health. This work presents an agglutination assay performed in micrometer sized well using Janus PS/Ag/AgCl micromotors to enhance the interactions between goat anti-human IgM functionalized particles and Human IgM. The fabricated microwell chips are a suitable platform to analyze the interaction between different particles and to perform the agglutination assays. The interaction between active Janus particles and passive and functionalized particles is studied, as well as the influence of ions on the motion of the Janus particles. Agglutination assays are performed with and without the presence of Janus particles, and in different PBS concentrations. Once illuminated with blue light, passive SiO2 particles were effectively excluded from Janus particles, while SiO2 NH2 particles revealed attraction. In contrast, functionalized SiO2 NH2 Ab particles suspended in PBS did not show any interaction. It was found that the optimal working conditions for antibodies and Janus particles differed and, as a result, the Janus particles did not reveal a desirable interaction between the functionalized particles and IgM. Further experiments should be performed to find the proper conditions in which the antibodies and the Janus particles maintain their activities. It is believed that an effective interaction between the functionalized and Janus particles could be achieved by modifying the parameters that affect their interaction such as the zeta potential and the medium in which the assay is being performed. This preliminary work provides the first steps towards the development of a fully integrated lab on a chip system for point of care testing.:Abstract ........................................................................................................................ iii Acknowledgments.......................................................................................................... v Table of Contents .......................................................................................................... vi List of Tables ............................................................................................................. viii List of Figures ............................................................................................................... ix Abbreviations ................................................................................................................. x 1. Introduction ............................................................................................................ 1 1.1 In vitro diagnostic tests ........................................................................................ 1 1.1.1 Point-of-care tests ......................................................................................... 2 1.2 Agglutination assay .............................................................................................. 2 1.3 Lab-on-a-chip ....................................................................................................... 5 1.4 Self-propelled particles ........................................................................................ 6 1.4.1 Light-driven Ag/AgCl micromotors ............................................................. 6 1.5 Aim ...................................................................................................................... 9 2. Materials and Methods ......................................................................................... 11 2.1 Microwell fabrication .................................................................................... 11 2.2 Microswimmers fabrication .......................................................................... 12 2.3 Functionalization of particles ........................................................................ 12 2.4.1 Scanning electron microscope ............................................................... 14 2.4.2 UV-vis spectroscopy .............................................................................. 14 2.4.3 Zeta potential ......................................................................................... 14 2.4.4 Optical microscopy ................................................................................ 15 2.5 Motion Experiments ...................................................................................... 15 2.6 Agglutination assay ....................................................................................... 16 2.7 Effect of PBS ................................................................................................. 16 2.7.1 Janus particles ........................................................................................ 16 2.7.2 Agglutination assay ................................................................................ 17 2.7.3 Exclusion of functionalized particles ..................................................... 17 3. Results and Discussion ........................................................................................ 18 3.1 Microwell chip with integrated Janus particles ................................................. 18 3.2 Characterization of particles .............................................................................. 19 3.2.1 UV-vis spectroscopy ................................................................................... 19 3.2.2 Zeta potential .............................................................................................. 21 3.2.3 Agglutination assay in PEG-covered glass slides ....................................... 22 3.3 Motion experiments ........................................................................................... 23 3.3.1 Exclusion time ............................................................................................ 23 3.3.2 On/off light cycles....................................................................................... 26 3.4 Agglutination assay ............................................................................................ 28 3.4.1 Assay performed in wells............................................................................ 28 3.4.2 Assay performed in wells with Janus particles ........................................... 29 3.5 Effect of PBS concentration............................................................................... 30 3.5.1 Janus particles ............................................................................................. 30 3.5.2 Agglutination assay ..................................................................................... 32 3.5.3 Exclusion of functionalized particles .......................................................... 33 4. Conclusions .......................................................................................................... 35 References .................................................................................................................... 37 Declaration of Research Integrity and Good Scientific Practice ................................. 42

A área de microfabricação de dispositivos de interesse em química analítica tem se expandido muito ao longo dos últimos anos. Uma série de produtos e processos tem sido proposta, tendo como base as tecnologias da área de microeletrônica. Muito destes processos são bastante sofisticados, estando além das necessidades para produção de alguns dispositivos relativamente simples e que são bastante úteis para a química analítica. Este é o caso, por exemplo, dos microcanais para implementação de sistemas eletroforéticos ou micro sistemas em fluxo. Neste contexto, surge a proposta deste trabalho, qual seja desenvolver processos e produtos de interesse nesta área. Esse objetivo foi alcançado pelo desenvolvimento de dois processos: um para produção de microcanais em resina de poliéster através de moldagem e outro de corrosão de vidro utilizando toner de impressora laser como resiste. O primeiro partiu de fotolito para produção de molde em silício através de processo de corrosão por plasma de SF6. Peças de resina de poliéster isoftálica são produzidas por polimerização sobre este molde. Para garantir a desmoldagem não traumática e boa reprodução de detalhes, foi incorporado óleo de silicone durante a preparação da resina. Com este procedimento, foi possível obter canais com 14,0 µm de profundidade e irregularidades superficiais de 1,4 µm para um molde com 15,3 µm de elevação e 0,5 µm de irregularidades superficiais. Com o uso de uma manta flexível de silicone como contraparte, foi possível gerar microcanais cuja altura foi avaliada como sendo da ordem de 5 a 7 µm. Esta avaliação foi conseguida através de medida de condutância após o preenchimento do microcanal com solução de KCl. No segundo processo, toner de impressora laser foi utilizado como resiste para corrosão de vidrO. O layout era diretamente impresso sobre papel aditivado com maltodextrina ou papel utilizado como suporte para etiquetas autocolantes através de uma impressora HP LaserJet 6L com resolução de 600 dpi. Após a transferência térmica da imagem para lâminas de vidro alcalino de 1,0 mm de espessura, a corrosão em ácido fluorídrico permitiu obter canais com 7,1 µm de profundidade e irregularidades de 1,0 µm. Embora este segundo processo apresente desvantagens com relação à resolução tanto no plano da lâmina como na profundidade do canal, quando comparado ao primeiro, deve-se ressaltar a extrema simplicidade, rapidez e baixo custo do processo que deve ser interessante para a produção de protótipos. Já para o primeiro processo, destaca-se a adequação à produção em pequena escala de dispositivos microcanais de baixo custo. / Several processes and products have been proposed to build and use microstructures for chemical purposes. Most of these processes were adapted from microelectronic technologies, which resulted in products with excellent resolution and quality. However, there are some devices that could be generated by simpler and rougher processes. In this work, two processes were developed in order to allow producing simple devices based on microchannels. The first process is a method to produce polyester based devices. A conventional microelectronic process was used to produce a silicon matrix. This matrix was used to produce blocks of isophthalic resin by in situ polymerization. The best results were obtained by adding 1 % (w/w) silicone oil during the polyester resin preparation. This additive improves the mold relief and the smoothness of the device surface. Channels 14.0-µm depth and roughness of 1.4 µm were obtained with a mold with structure height of 15.3 µm and roughness of 0.5 µm. A flexible sheet of silicone allows forming enclosed microchannels with depth of 5-7 µm. This dimension was evaluated by conductance measurement after filling the channel with KCl solution. A process for glass corrosion, using laser printer toner as resist, was proposed. In this method, the layout is printed over a special sheet of paper using a HP LaserJet 6L laser printer. The paper is used to transfer the toner to a soda-lime glass lamina by a thermic process. Hydrofluoric acid solution was used to promote the selective glass corrosion. Channels 7.1-µm depth and roughness of 1.0 µm were obtained. Although this second method does not give the saroe resolution and aspect ratio as the first one, it is suitable to easy and fast prototyping. Gn the other hand, the first method is suitable for low-cost production of devices in small scale.

Neste trabalho são apresentados processos de microfabricação de estruturas contendo microcanais e sistemas de manipulação hidrodinâmica e eletroosmótica de fluídos. Foram desenvolvidos processos de microfabricação utilizando toner sobre poliéster, toner sobre vidro, toner como resiste, além de métodos alternativos de perfuração de lâminas e selagem de microestruturas em vidro, desenvolvimento de microestruturas para eletroforese capilar e espectrometria de massas com ionização por eletronebulização. A caracterização dos materiais e processos permitiu uma ampla visão das potencialidades e alternativas dos processos de microfabricação, tendo sido demonstrado que os dispositivos produzidos em toner-poliéster são quimicamente resistentes às substâncias tipicamente utilizadas em eletroforese capilar. Neste trabalho, um detector condutométrico sem contato foi implementado em microestruturas de toner-poliéster e a separação eletroforética de alguns metais alcalinos é demonstrada. A microestrutura foi projetada no formato padrão em cruz, tendo o canal de separação 22 mm de comprimento, 12 µm de profundidade e largura típica. A cela condutométrica foi construída sobre o canal de separação utilizando-se fita adesiva de cobre (1 mm de largura) como eletrodos. O sinal aplicado na cela foi de 530 kHz e 10 Vpp . A separação de K+, Na+ e Li+ na concentração de 100 µmol L-1 foi efetuada em torno de 0,8 min, utilizando-se 1 kV como potencial de separação. Foram desenvolvidos microchips para análise por espectrometria de massas com introdução de amostra por eletronebulização, sendo determinado cluster do íon cloreto em concentração de 1 mmol L+. Também solução com 1 mmol/L de glucosamina em água/metanol 1: 1 (v/v), sob corrente de 100 nA gerou sinal estável e livre de descarga corona. Utilizando detecção amperométrica, obteve-se eletroferogramas mostrando a separação de iodeto (10 mmol L-1) e ascorbato (40 mmol L-1) em potencial de separação de 4,0 kV (800 V cm-1 potencial de detecção de 0,9 V (vs. Ag/AgCI), injeção com 1,0 kV/1°s, tampão borato de sódio 10 mmol L+ com CTAH 0,2 mmol L-1, pH 9,2. Obteve-se eficiência de 1,6.104 pratos/m e foi possível obter limites de detecção de 500 nmol L-1 (135 amol) e 1,8 µmol L-1 (486 amol) para iodeto e ascorbato, respectivamente. O processo de fabricação utilizando toner como material estrutural para microchips em vidro foi bem estabelecido, assim como os modos de detecção fotométrico e condutométrico foram demonstrados. Foram obtidos eletroferogramas par detecção condutométrica sem contato de solução 200 µmol L-1 de K+, Na+ e U+, em tampão histidina/ácido lático 30 mmol L-1 9:1 (v/v) água:metanol, injeção eletrocinética de 2,0 kV/5,0 s, potencial de separação de 1 kV, 530 kHz de frequência e tensão de 2,0 Vpp. Também foi implementado um sistema de detecção fotométrico para microchip operando em 660 nm, tendo sido utilizado para a detecção de azul de metileno 1,0 mmol L-1 em tampão de corrida de barato de sódio 20 mmol L-1 (pH 9,2), com o detector posicionado a 40 mm do ponto de injeção e com injeção eletrocinética a 2,0 kV por 12 s com picos bem resolvidos em menos de 1 min. / Microfabrication processes and devices for hydrodynamic and electroosmotic manipulation were developed based on toner-polyester, toner-glass and toner-as-resist techniques. Additionally, techniques to perforate glass slides and sealing of glass devices were introduced. Microdevices for capillary electrophoresis and electrospray for mass spectrometry were developed using these techniques. The characterization of the materiais and the processes demonstrated that the devices obtained by the toner-polyester process are compatible with the media used for capillary electrophoresis. The detection of alkaline ions with capillary electrophoresis with contactless conductivity detection was demonstrated. The typical cross shape microstructure was designed with a 22-mm long and 12-µm deep separation channel. The conductivity cell was implemented with 1-mm wide adhesive copper stripes. The applied signal was 530kHz and 10Vpp . The separation of 100µmo1L-1 K+, Na+, and Li+ was accomplished in 0.8 min under a voltage of 1 kV. Another toner-polyester microchip was developed to demonstrate its usefulness for electrospray/mass spectrometry. Solutions of 1 mmol L-1 potassium chloride and 1 mmol L-1 glucosamine in water/methanol 1:1 (v/v) were introduced with stable current of 100 nA without corona discharge. Capillary electrophoresis with amperometric detection was also demonstrated. The separation of iodide (10 mmol L-1) and ascorbate (40 mmol L-1) was carried out at 4.0 kV (800 V cm-1) with detection potential of 0.9 V (vs. Ag/AgCl), electrokinetic injection at 1.0 kV/10 s, running buffer of sodium borate 10 mmol L-1 with CTAH 0.2 mmol L-1 , pH 9.2. The efficiency was 1.6.104 plates/m and the limits of detection were 500 nmol L-1 (135 9mol) and 1.8 µmol L-1 (486 amol) for iodide and ascorbate, respectively. The toner-glass process was proposed and conductivity and photometric detections were demonstrated for the devices generated by this new technique. The separation of 200 pmol L-1 K+, Na+, and Li+ was achieved in buffer histidine/lactic acid 30 mmol L-1 water/methanol 9: 1 (v/v), electrokinetic injection at 2.0 kV/5.0 s, separation potential of 1 kV, and contactless conductivity detection at 530 kHz and 2.0 Vpp. The photometric detection of methylene blue at 660 nm was carried out in sodium borate 20 mmol L-1 (pH 9.2).

Neste trabalho são apresentados processos de microfabricação de estruturas contendo microcanais e sistemas de manipulação hidrodinâmica e eletroosmótica de fluídos. Foram desenvolvidos processos de microfabricação utilizando toner sobre poliéster, toner sobre vidro, toner como resiste, além de métodos alternativos de perfuração de lâminas e selagem de microestruturas em vidro, desenvolvimento de microestruturas para eletroforese capilar e espectrometria de massas com ionização por eletronebulização. A caracterização dos materiais e processos permitiu uma ampla visão das potencialidades e alternativas dos processos de microfabricação, tendo sido demonstrado que os dispositivos produzidos em toner-poliéster são quimicamente resistentes às substâncias tipicamente utilizadas em eletroforese capilar. Neste trabalho, um detector condutométrico sem contato foi implementado em microestruturas de toner-poliéster e a separação eletroforética de alguns metais alcalinos é demonstrada. A microestrutura foi projetada no formato padrão em cruz, tendo o canal de separação 22 mm de comprimento, 12 µm de profundidade e largura típica. A cela condutométrica foi construída sobre o canal de separação utilizando-se fita adesiva de cobre (1 mm de largura) como eletrodos. O sinal aplicado na cela foi de 530 kHz e 10 Vpp . A separação de K+, Na+ e Li+ na concentração de 100 µmol L-1 foi efetuada em torno de 0,8 min, utilizando-se 1 kV como potencial de separação. Foram desenvolvidos microchips para análise por espectrometria de massas com introdução de amostra por eletronebulização, sendo determinado cluster do íon cloreto em concentração de 1 mmol L+. Também solução com 1 mmol/L de glucosamina em água/metanol 1: 1 (v/v), sob corrente de 100 nA gerou sinal estável e livre de descarga corona. Utilizando detecção amperométrica, obteve-se eletroferogramas mostrando a separação de iodeto (10 mmol L-1) e ascorbato (40 mmol L-1) em potencial de separação de 4,0 kV (800 V cm-1 potencial de detecção de 0,9 V (vs. Ag/AgCI), injeção com 1,0 kV/1°s, tampão borato de sódio 10 mmol L+ com CTAH 0,2 mmol L-1, pH 9,2. Obteve-se eficiência de 1,6.104 pratos/m e foi possível obter limites de detecção de 500 nmol L-1 (135 amol) e 1,8 µmol L-1 (486 amol) para iodeto e ascorbato, respectivamente. O processo de fabricação utilizando toner como material estrutural para microchips em vidro foi bem estabelecido, assim como os modos de detecção fotométrico e condutométrico foram demonstrados. Foram obtidos eletroferogramas par detecção condutométrica sem contato de solução 200 µmol L-1 de K+, Na+ e U+, em tampão histidina/ácido lático 30 mmol L-1 9:1 (v/v) água:metanol, injeção eletrocinética de 2,0 kV/5,0 s, potencial de separação de 1 kV, 530 kHz de frequência e tensão de 2,0 Vpp. Também foi implementado um sistema de detecção fotométrico para microchip operando em 660 nm, tendo sido utilizado para a detecção de azul de metileno 1,0 mmol L-1 em tampão de corrida de barato de sódio 20 mmol L-1 (pH 9,2), com o detector posicionado a 40 mm do ponto de injeção e com injeção eletrocinética a 2,0 kV por 12 s com picos bem resolvidos em menos de 1 min. / Microfabrication processes and devices for hydrodynamic and electroosmotic manipulation were developed based on toner-polyester, toner-glass and toner-as-resist techniques. Additionally, techniques to perforate glass slides and sealing of glass devices were introduced. Microdevices for capillary electrophoresis and electrospray for mass spectrometry were developed using these techniques. The characterization of the materiais and the processes demonstrated that the devices obtained by the toner-polyester process are compatible with the media used for capillary electrophoresis. The detection of alkaline ions with capillary electrophoresis with contactless conductivity detection was demonstrated. The typical cross shape microstructure was designed with a 22-mm long and 12-µm deep separation channel. The conductivity cell was implemented with 1-mm wide adhesive copper stripes. The applied signal was 530kHz and 10Vpp . The separation of 100µmo1L-1 K+, Na+, and Li+ was accomplished in 0.8 min under a voltage of 1 kV. Another toner-polyester microchip was developed to demonstrate its usefulness for electrospray/mass spectrometry. Solutions of 1 mmol L-1 potassium chloride and 1 mmol L-1 glucosamine in water/methanol 1:1 (v/v) were introduced with stable current of 100 nA without corona discharge. Capillary electrophoresis with amperometric detection was also demonstrated. The separation of iodide (10 mmol L-1) and ascorbate (40 mmol L-1) was carried out at 4.0 kV (800 V cm-1) with detection potential of 0.9 V (vs. Ag/AgCl), electrokinetic injection at 1.0 kV/10 s, running buffer of sodium borate 10 mmol L-1 with CTAH 0.2 mmol L-1 , pH 9.2. The efficiency was 1.6.104 plates/m and the limits of detection were 500 nmol L-1 (135 9mol) and 1.8 µmol L-1 (486 amol) for iodide and ascorbate, respectively. The toner-glass process was proposed and conductivity and photometric detections were demonstrated for the devices generated by this new technique. The separation of 200 pmol L-1 K+, Na+, and Li+ was achieved in buffer histidine/lactic acid 30 mmol L-1 water/methanol 9: 1 (v/v), electrokinetic injection at 2.0 kV/5.0 s, separation potential of 1 kV, and contactless conductivity detection at 530 kHz and 2.0 Vpp. The photometric detection of methylene blue at 660 nm was carried out in sodium borate 20 mmol L-1 (pH 9.2).