Micropillar Array Based Microchips for Electrospray Ionization Mass Spectrometry, Microreactors, and Liquid Chromatographic Separation

This dissertation deals with the design, fabrication, and applications of microscale electrospray ionization chips for mass spectrometry. The microchip consists of microchannel, which leads to a sharp electrospray tip. Microchannel contain micropillars that facilitate a powerful capillary action in the channels. The capillary action delivers the liquid sample to the electrospray tip, which sprays the liquid sample to gas phase ions that can be analyzed with mass spectrometry. The microchip uses a high voltage, which can be utilized as a valve between the microchip and mass spectrometry. The microchips can be used in various applications, such as for analyses of drugs, proteins, peptides, or metabolites. The microchip works without pumps for liquid transfer, is usable for rapid analyses, and is sensitive. The characteristics of performance of the single microchips are studied and a rotating multitip version of the microchips are designed and fabricated. It is possible to use the microchip also as a microreactor and reaction products can be detected online with mass spectrometry. This property can be utilized for protein identification for example. Proteins can be digested enzymatically on-chip and reaction products, which are in this case peptides, can be detected with mass spectrometry. Because reactions occur faster in a microscale due to shorter diffusion lengths, the amount of protein can be very low, which is a benefit of the method. The microchip is well suited to surface activated reactions because of a high surface-to-volume ratio due to a dense micropillar array. For example, titanium dioxide nanolayer on the micropillar array combined with UV radiation produces photocatalytic reactions which can be used for mimicking drug metabolism biotransformation reactions. Rapid mimicking with the microchip eases the detection of possibly toxic compounds in preclinical research and therefore could speed up the research of new drugs. A micropillar array chip can also be utilized in the fabrication of liquid chromatographic columns. Precisely ordered micropillar arrays offer a very homogenous column, where separation of compounds has been demonstrated by using both laser induced fluorescence and mass spectrometry. Because of small dimensions on the microchip, the integrated microchip based liquid chromatography electrospray microchip is especially well suited to low sample concentrations. Overall, this work demonstrates that the designed and fabricated silicon/glass three dimensionally sharp electrospray tip is unique and facilitates stable ion spray for mass spectrometry.

Väitöskirjatyö käsittelee mikrofluidististen massaspektrometriaan liitettävien sähkösumutusmikrosirujen suunnittelua, valmistamista ja sovelluksia. Mikrosirut koostuvat mikropilarikkokanavasta ja terävästä sähkösumutuskärjestä. Hydrofiilisen mikropilarikkokanavan ansiosta mikrosiru täyttyy nesteillä kapillaarivoimien avulla. Kapillaari-ilmiön avulla nestemäinen näyte siirtyy passiivisesti täyttyen näytteen syöttökohdasta terävään sähkösumutuskärkeen, joka sumuttaa näytteen ioneiksi kaasufaasiin. Nämä molekyyli-ionit voidaan massaspektrometrisesti analysoida. Tämä menetelmä mahdollistaa näytteen syötön ilman pumppua tai erillistä jännitettä elektro-osmoottista virtausta varten. Mikrosirut toimivat korkeajännitteellä, jota voidaan hyödyntää myös sähköisenä venttiilinä mikrosirun ja massaspektrometrin välillä. Mikrosiruja voidaan käyttää useissa eri sovelluksissa, kuten esimerkiksi lääkeaineiden, proteiinien, peptidien tai metaboliittien herkissä ja nopeissa analyyseissä. Väitöskirjassa on selvitetty yksittäisten ja monikärkisten mikrosirujen toimintakykyä. Mikrosiruja on mahdollista käyttää myös mikroreaktoreina, joiden reaktiotuotteet voidaan välittömästi analysoida massaspektrometrisesti. Tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää esimerkiksi proteiinien tunnistamisessa. Proteiinit voidaan pilkkoa entsymaattisesti mikrosirulla, ja reaktiotuotteet tunnistaa massaspektrometrisesto. Menetelmän etuna voidaan pitää sitä, että analyysissä tarvittavien proteiinien määriä voidaan pienentää, koska diffuusiorajoitteiset reaktiot tapahtuvat nopeammin mikroskaalassa pienempien diffuusiomatkojen ansiosta. Mikrosirut sopivat erityisen hyvin pinta-aktivoituihin reaktioihin, koska tiheällä mikropilarikolla on korkea pinta-ala-tilavuussuhde. Esimerkiksi mikrosiru, johon on valmistettu nanokerros titaanidioksidia mikropilarikon päälle liitettynä UV-säteilytykseen tuottaa fotokatalyyttisiä reaktioita, joita voidaan hyödyntää lääkeainemetabolian ennustamisessa. Nopea mikrosirupohjainen lääkeainemetabolian ennustaminen helpottaa mahdollisten myrkyllisten yhdisteiden tunnistamista jo lääkekehityskaaren prekliinisessä vaiheessa, ja siksi menetelmä voisi nopeuttaa uusien lääkeaineiden tutkimusta. Mikropilarikkosiruja voidaan hyödyntää myös nestekromatografisten kolonnien valmistuksessa. Tarkasti muodostunut mikropilarikko on hyvin homogeeninen kolonni, jossa tapahtuneet kromatografiset erotukset on voitu demonstroida sekä laser indusoidulla fluoresenssilla että massaspektrometrisesti. Pienien dimensioidensa ansiosta nestekromatografinen kolonni ja sähkösumutuskärki integroituna samalle mikrosirulle, toimii erityisen hyvin pienien näytemäärien kanssa.