Functional Surfaces for Microfluidics in Proteomic Analysis

Microchips for use in biomolecular analysis show a lot of promise for medical diagnostics and biomedical basic research. Among the potential advantages are more sensitive and faster analyses as well as reduced cost and sample consumption. Due to scaling laws, the surface are to volume ratios of microfluidic chips is very high. Because of this, tailoring the surface properties and surface functionalization are very important technical issues for microchip development. This thesis studies two different types of functional surfaces, surfaces for open surface capillary microfluidics and surfaces for surface assisted laser desorption ionization mass spectrometry, and combinations thereof. Open surface capillary microfluidics can be used to transport and control liquid samples on easily accessible open surfaces simply based on surface forces, without any connections to pumps or electrical power sources. Capillary filling of open partially wetting grooves is shown to be possible with certain geometries, aspect ratios and contact angles, and a theoretical model is developed to identify complete channel filling domains, as well as partial filling domains. On the other hand, partially wetting surfaces with triangular microstructures can be used for achieving directional wetting, where the water droplets do not spread isotropically, but instead only spread to a predetermined sector. Furthermore, by patterning completely wetting and superhydrophobic areas on the same surface, complex droplet shapes are achieved, as the water stretches to make contact with the wetting surface, but does not enter into the superhydrophobic domains. Surfaces for surface assisted laser desorption ionization mass spectrometry are developed by applying various active thin film coatings on multiple substrates, in order to separate surface and bulk effects. Clear differences are observed between both surface and substrate layers. The best performance surfaces consisted of amorphous silicon coating and an inorganic-organic hybrid substrate, with nanopillars and nanopores. These surfaces are used for matrix-free ionization of drugs, peptides and proteins, and for some analytes, the detection limits were in the high attomoles. Microfluidics and laser desorption ionization surfaces are combined on a functionalized drying platforms, where the surface is used to control the shape of the deposited analyte droplet, and the shape of the initial analyte droplet affects the dried droplet solute deposition pattern. The deposited droplets can then directly detected by mass spectrometry. Utilizing this approach, results of analyte concentration, splitting and separation are demonstrated.

Mikrosirut ovat lupaava teknologia, josta odotetaan suuria hyötyjä sekä lääketieteellistä diagnosointia että biologista perustutkimusta varten. Mikrosirut ovat massavalmistettuja miniatyrisoituja tutkimuslaitteita, joissa osa dimensioista on alle millimetrin mittaisia, eli skaalaltaan mikrometri luokkaa. Mikrosirujen etuina ovat pieni näytteiden kulutus (pienestä tilavuudesta johtuen), nopeat analyysi ajat (pienistä dimensioista johtuen) ja halpa hinta (massavalmistus menetelmistä johtuen). Eräs tärkeä tekninen seikka mikrosirujen kehittämisessä on pintailmiöiden hallitseminen, koska mikrosiruissa on erittäin suuri pinta-alan ja tilavuuden suhde, jolloin pintavuorovaikutusten ja muiden pinta efektien rooli korostuu huomattavasti verrattuna makroskooppisiin analyysi laitteisiin. Tässä työssä kehitettiin toiminnalisia pinnoituksia kahteen tarkoitukseen: nesteiden liikuttamiseen ja hallitsemiseen pintajännityksiin perustuen, sekä ionisoivia pintoja massaspektrometriaa varten. Nestemäisten näytteiden käsittely on avainasemassa biologisessa ja lääketieteellisessä analyysissä, sillä kiinnostavat näytteet ovat yleensä vesi faasissa. Nesteiden hallinta avoimilla pinnoilla perustuu kapillaari-ilmiöön, jota esimerkiksi puut käyttävät osana veden pumppaus järjestelmäänsä. Kapillaari-ilmiön pohjalla on nesteiden vuorovaikutus kiinteiden pintojen kanssa, johon voidaan vaikuttaa sekä pintojen pintakemiaa että pintojen fyysistä rakennetta, topografiaa, muokkaamalla. Näin voidaan saada aikaan pintoja joilla nesteet leviävät hallitusti ainoastaan tietyille alueille. Massaspektrometrialla voidaan mitata näytteessä olevien yksittäisten molekyylien massoja, joiden perusteella voidaan usein määrittää mikä molekyyli on kyseessä. Massaspektrometria on siten erittäin tärkeä työkalu biolääketieteellisessä tutkimustyössä, jonka lisäksi massaspektrometriaa voidaan käyttää myös diagnostiikassa. Massaspektrometria edellyttää, että analysoitavat molekyylit ovat ionisoituneet, jonka vuoksi myös luonnostaan neutraalit analyytit on ionisoitava. Pinta avusteinen ionisaatio perustuu analysoitavien molekyylien vuorovaikutukseen pintojen kemiallisten ryhmien kanssa, jota voidaan entisestään tehostaa tekemällä pinnasta mikro- ja nanotasolla karhea, jolloin pinnan pinta-ala kasvaa moninkertaiseksi tasaiseen pintaan verrattuna.