Printed platforms for paper-based analytical applications

Paper-based analytical technologies enable quantitative and rapid analysis of analytes from various application areas including healthcare, environmental monitoring and food safety. Because paper is a planar, flexible and light weight substrate, the devices can be transported and disposed easily. Diagnostic devices are especially valuable in resourcelimited environments where diagnosis as well as monitoring of therapy can be made even without electricity by using e.g. colorimetric assays. On the other hand, platforms including printed electrodes can be coupled with hand-held readers. They enable electrochemical detection with improved reliability, sensitivity and selectivity compared with colorimetric assays. In this thesis, different roll-to-roll compatible printing technologies were utilized for the fabrication of low-cost paper-based sensor platforms. The platforms intended for colorimetric assays and microfluidics were fabricated by patterning the paper substrates with hydrophobic vinyl substituted polydimethylsiloxane (PDMS) -based ink. Depending on the barrier properties of the substrate, the ink either penetrates into the paper structure creating e.g. microfluidic channel structures or remains on the surface creating a 2D analog of a microplate. The printed PDMS can be cured by a roll-ro-roll compatible infrared (IR) sintering method. The performance of these platforms was studied by printing glucose oxidase-based ink on the PDMS-free reaction areas. The subsequent application of the glucose analyte changed the colour of the white reaction area to purple with the colour density and intensity depending on the concentration of the glucose solution. Printed electrochemical cell platforms were fabricated on paper substrates with appropriate barrier properties by inkjet-printing metal nanoparticle based inks and by IR sintering them into conducting electrodes. Printed PDMS arrays were used for directing the liquid analyte onto the predetermined spots on the electrodes. Various electrochemical measurements were carried out both with the bare electrodes and electrodes functionalized with e.g. self assembled monolayers. Electrochemical glucose sensor was selected as a proof-of-concept device to demonstrate the potential of the printed electronic platforms.

High sensitivity recording of afferent nerve activity using ultra-compliant microchannel electrodes: an acutein vivovalidation

Neuroprostheses interfaced with transected peripheral nerves are technological routes to control robotic limbs as well as convey sensory feedback to patients suffering from traumatic neural injuries or degenerative diseases. To maximize the wealth of data obtained in recordings, interfacing devices are required to have intrafascicular resolution and provide high signal-to-noise ratio (SNR) recordings. In this paper, we focus on a possible building block of a three-dimensional regenerative implant: a polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel electrode capable of highly sensitive recordings in vivo. The PDMS 'micro-cuff' consists of a 3.5 mm long (100 µm × 70 µm cross section) microfluidic channel equipped with five evaporated Ti/Au/Ti electrodes of sub-100 nm thickness. Individual electrodes have average impedance of 640 ± 30 kΩ with a phase angle of −58 ± 1 degrees at 1 kHz and survive demanding mechanical handling such as twisting and bending. In proof-of-principle acute implantation experiments in rats, surgically teased afferent nerve strands from the L5 dorsal root were threaded through the microchannel. Tactile stimulation of the skin was reliably monitored with the three inner electrodes in the device, simultaneously recording signal amplitudes of up to 50 µV under saline immersion. The overall SNR was approximately 4. A small but consistent time lag between the signals arriving at the three electrodes was observed and yields a fibre conduction velocity of 30 m s−1. The fidelity of the recordings was verified by placing the same nerve strand in oil and recording activity with hook electrodes. Our results show that PDMS microchannel electrodes open a promising technological path to 3D regenerative interfaces.

Evaluation of an elastomer based gold microelectrode array for neural recording applications

We are reporting on the fabrication and electrical characterization of a novel elastomer based micro-cuff neural interface. Electrodes are gold (Au) tracks of sub-100nm thickness and are thermally evaporated on a 0.5 mm thick polydimethylsiloxane (PDMS) substrate. We investigate how electrode area and immersion in phosphate buffered saline (PBS) at 37°C influence electrode impedance. A microfluidic channel is bonded to the electrode array to form the cuff. In an acute, in-vivo, proof-of-principle recording, the device is capable of detecting light stroking and pinch of a hind leg of an anaesthetized rat.

Compliant Multi-electrode Micro-channel Array for Recording Afferent Nerve Activity

We have fabricated a compliant neural interface to record afferent nerve activity. Stretchable gold electrodes were evaporated on a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate and were encapsulated using photo-patternable PDMS. The built-in microstructure of the gold film on PDMS allows the electrodes to twist and flex repeatedly, without loss of electrical conductivity. PDMS microchannels (5mm long, 100μm wide, 100μm deep) were then plasma bonded irreversibly on top of the electrode array to define five parallel-conduit implants. The soft gold microelectrodes have a low impedance of ~200kΩ at the 1kHz frequency range. Teased nerves from the L6 dorsal root of an anaesthetized Sprague Dawley rat were threaded through the microchannels. Acute tripolar recordings of cutaneous activity are demonstrated, from multiple nerve rootlets simultaneously. Confinement of the axons within narrow microchannels allows for reliable recordings of low amplitude afferents. This electrode technology promises exciting applications in neuroprosthetic devices including bladder fullness monitors and peripheral nervous system implants.

Screening of volatile composition from portuguese multifloral honeys using headspace solid-phase microextraction-gas chromatography–quadrupole mass spectrometry

The volatile composition from four types of multifloral Portuguese (produced in Madeira Island) honeys was investigated by a suitable analytical procedure based on dynamic headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) followed by thermal desorption gas chromatography–quadrupole mass spectrometry detection (GC–qMS). The performance of five commercially available SPME fibres: 100 μm polydimethylsiloxane, PDMS; 85 μm polyacrylate, PA; 50/30 μm divinylbenzene/carboxen on polydimethylsiloxane, DVB/CAR/PDMS (StableFlex); 75 μm carboxen/polydimethylsiloxane, CAR/PDMS, and 65 μm carbowax/divinylbenzene, CW/DVB; were evaluated and compared. The highest amounts of extract, in terms of the maximum signal obtained for the total volatile composition, were obtained with a DVB/CAR/PDMS coating fibre at 60 °C during an extraction time of 40 min with a constant stirring at 750 rpm, after saturating the sample with NaCl (30%). Using this methodology more than one hundred volatile compounds, belonging to different biosynthetic pathways were identified, including monoterpenols, C13-norisoprenoids, sesquiterpenes, higher alcohols, ethyl esters and fatty acids. The main components of the HS-SPME samples of honey were in average ethanol, hotrienol, benzeneacetaldehyde, furfural, trans-linalool oxide and 1,3-dihydroxy-2-propanone.

Development of a dynamic headspace solid-phase microextraction procedure coupled to GC–qMSD for evaluation the chemical profile in alcoholic beverages

In the present study, a simple and sensitive methodology based on dynamic headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) followed by thermal desorption gas chromatography with quadrupole mass detection (GC–qMSD), was developed and optimized for the determination of volatile (VOCs) and semi-volatile (SVOCs) compounds from different alcoholic beverages: wine, beer and whisky. Key experimental factors influencing the equilibrium of the VOCs and SVOCs between the sample and the SPME fibre, as the type of fibre coating, extraction time and temperature, sample stirring and ionic strength, were optimized. The performance of five commercially available SPME fibres was evaluated and compared, namely polydimethylsiloxane (PDMS, 100 μm); polyacrylate (PA, 85 μm); polydimethylsiloxane/divinylbenzene (PDMS/DVB, 65 μm); carboxen™/polydimethylsiloxane (CAR/PDMS, 75 μm) and the divinylbenzene/carboxen on polydimethylsiloxane (DVB/CAR/PDMS, 50/30 μm) (StableFlex). An objective comparison among different alcoholic beverages has been established in terms of qualitative and semi-quantitative differences on volatile and semi-volatile compounds. These compounds belong to several chemical families, including higher alcohols, ethyl esters, fatty acids, higher alcohol acetates, isoamyl esters, carbonyl compounds, furanic compounds, terpenoids, C13-norisoprenoids and volatile phenols. The optimized extraction conditions and GC–qMSD, lead to the successful identification of 44 compounds in white wines, 64 in beers and 104 in whiskys. Some of these compounds were found in all of the examined beverage samples. The main components of the HS-SPME found in white wines were ethyl octanoate (46.9%), ethyl decanoate (30.3%), ethyl 9-decenoate (10.7%), ethyl hexanoate (3.1%), and isoamyl octanoate (2.7%). As for beers, the major compounds were isoamyl alcohol (11.5%), ethyl octanoate (9.1%), isoamyl acetate (8.2%), 2-ethyl-1-hexanol (5.9%), and octanoic acid (5.5%). Ethyl decanoate (58.0%), ethyl octanoate (15.1%), ethyl dodecanoate (13.9%) followed by 3-methyl-1-butanol (1.8%) and isoamyl acetate (1.4%) were found to be the major VOCs in whisky samples.

Effectiveness of different solid-phase microextraction fibres for differentiation of selected Madeira island fruits based on their volatile metabolite profile: identification of novel compounds

A headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) procedure based on five commercialised fibres (85 μm polyacrylate – PA, 100 μm polydimethylsiloxane – PDMS, 65 μm polydimethylsiloxane/divinylbenzene – PDMS/DVB, 70 μm carbowax/divinylbenzene – CW/DVB and 85 μm carboxen/polydimethylsiloxane – CAR/PDMS) is presented for the characterization of the volatile metabolite profile of four selected Madeira island fruit species, lemon (Citrus limon), kiwi (Actinidia deliciosa), papaya (Carica papaya L.) and Chickasaw plum (Prunus angustifolia). The isolation of metabolites was followed by thermal desorption gas chromatography–quadrupole mass spectrometry (GC–qMS) methodology. The performance of the target fibres was evaluated and compared. The SPME fibre coated with CW/DVB afforded the highest extraction efficiency in kiwi and papaya pulps, while in lemon and plum the same was achieved with PMDS/DVB fibre. This procedure allowed for the identification of 80 compounds, 41 in kiwi, 24 in plums, 23 in papaya and 20 in lemon. Considering the best extraction conditions, the most abundant volatiles identified in kiwi were the intense aldehydes and ethyl esters such as (E)-2-hexenal and ethyl butyrate, while in Chicasaw plum predominate 2-hexenal, 2-methyl-4-pentenal, hexanal, (Z)-3-hexenol and cyclohexylene oxide. The major compounds identified in the papaya pulp were benzyl isothiocyanate, linalool oxide, furfural, hydroxypropanone, linalool and acetic acid. Finally, lemon was shown to be the most divergent of the four fruits, being its aroma profile composed almost exclusively by terpens, namely limonene, γ-terpinene, o-cymene and α-terpinolene. Thirty two volatiles were identified for the first time in the fruit or close related species analysed and 14 volatiles are reported as novel volatile metabolites in fruits. This includes 5 new compounds in kiwi (2-cyclohexene-1,4-dione, furyl hydroxymethyl ketone, 4-hydroxydihydro-2(3H)-furanone, 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde and ethanedioic acid), 4 in plum (4-hydroxydihydro-2(3H)-furanone, 5-methyl-2-pyrazinylmethanol, cyclohexylene oxide and 1-methylcyclohexene), 4 in papaya (octaethyleneglycol, 1,2-cyclopentanedione, 3-methyl-1,2-cyclopentanedione and 2-furyl methyl ketone) and 2 in lemon (geranyl farnesate and safranal). It is noteworthy that among the 15 volatile metabolites identified in papaya, 3-methyl-1,2-cyclopentanedione was previously described as a novel PPARγ (peroxisome proliferator-activated receptor γ) agonist, having a potential to minimize inflammation.

Headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-quadrupole mass spectrometric methodology for the establishment of the volatile composition of Passiflora fruit species

Dynamic headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) followed by thermal desorption gas chromatography-quadrupole mass spectrometry analysis (GC-qMS), was used to investigate the aroma profile of different species of passion fruit samples. The performance of five commercially available SPME fibres: 65 μm polydimethylsiloxane/divinylbenzene, PDMS/DVB; 100 μm polydimethylsiloxane, PDMS; 85 μm polyacrylate, PA; 50/30 μm divinylbenzene/carboxen on polydimethylsiloxane, DVB/CAR/PDMS (StableFlex); and 75 μm carboxen/polydimethylsiloxane, CAR/PDMS; was evaluated and compared. Several extraction times and temperature conditions were also tested to achieve optimum recovery. The SPME fibre coated with 65 μm PDMS/DVB afforded the highest extraction efficiency, when the samples were extracted at 50 °C for 40 min with a constant stirring velocity of 750 rpm, after saturating the sample with NaCl (17%, w/v — 0.2 g). A comparison among different passion fruit species has been established in terms of qualitative and semi-quantitative differences in volatile composition. By using the optimal extraction conditions and GC-qMS it was possible to tentatively identify seventy one different compounds in Passiflora species: 51 volatiles in Passiflora edulis Sims (purple passion fruit), 24 in P. edulis Sims f. flavicarpa (yellow passion fruit) and 21 compounds in Passiflora mollissima (banana passion fruit). It was found that the ethyl esters comprise the largest class of the passion fruit volatiles, including 82.8% in P. edulis variety, 77.4% in P. edulis Sims f. flavicarpa variety and 39.9% in P. mollissima. The semi-quantitative results were then submitted to principal component analysis (PCA) in order to establish relationships between the compounds and the different passion fruit species under investigation.

Überkritisches Kohlendioxid als Reaktionsmedium für die Dispersionspolymerisation

Überkritisches Kohlendioxid (CO2) ist für die Polymerisation von besonderem Interesse. Die Dispersionspolymerisation von N-Vinylpyrrolidon (VP) wurde mit Polystyrol-Polydimethylsiloxan Diblockcopolymeren (PS-b-PDMS) in diesem Medium durchgeführt. Hierfür wurde ein neues Hochdrucklabor eingerichtet, eine Sichtzelle und eine neuartige Lichtstreuzelle konstruiert. Für die Durchführung von Lichtstreuexperimenten wurde der Brechungs-index von CO2 bis zu hohen Dichten an einer Reflexionsapparatur bestimmt. Mittels dynamischen Lichtstreumessungen an Polydimethylsiloxan (PDMS) in überkritischem CO2 wurden unter den untersuchten Bedingungen ein Radius bestimmt, wie er für ungestörte Knäueldimensionen erwartet wurde. Das PS-b-PDMS wurde mittels anionischer Polymerisation mit verschiedenen Blocklängen und sehr engen Molekulargewichtsverteilungen synthetisiert. Das Phasenverhalten von PS-b-PDMS wurde in überkritischem CO2 visuell und in einer VP/CO2-Mischung mittels Turbidimetrie untersucht. Das Monomer wirkt als Co-Solvens für den PDMS-Block des Stabilisators. Bei einer Konzentration von ca. 1 Gew.-% PS-b-PDMS (pro Monomer) in CO2 bei 38 MPa und 80°C wurden sphärische ca. 1µm große PVP-Partikeln synthetisiert. PS-b-PDMS ist unter diesen Bedingungen ein geeigneter Stabilisator für die Polymerisation von VP in überkritischem CO2. Bei Konzentrationen von mehr als ca. 5 Gew.-% PS-b-PDMS wurden agglomerierte Partikeln beobachtet. Die Kinetik der Partikelentstehung wurde turbidimetrisch untersucht. Bereits in der frühen Phase der Polymerisation wurde eine anwachsende Partikelgröße gefunden.

Grenzflächenspannung und Morphologie fließender zweiphasiger Polymermischungen

In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie von zweiphasigen Polymermischungen unter Scherung in situ mit Hilfe einer Kombination aus optischer Scherzelle, Durchlichtmikroskop und computergestützten CCD-Kamera untersucht. Als Modellblends dienten die unverträglichen, bei Raumtemperatur flüssigen Polymersysteme Polyisobutylen (PIB)/Polydimethylsiloxan (PDMS) (I) und Poly(dimethyl-co-methylphenyl)siloxan/PDMS (II). Alle Komponenten verhalten sich bei den verwendeten Scherraten newtonisch.Eine der wichtigsten Einflussgrößen für die Blendmorphologie ist die Grenzflächenspannung gamma 12. Sie wurde für I und II mit Hilfe der Methode der Tropfenrelaxation (dynamisch) als Funktion der Zeit bestimmt. Diese Methode erlaubt die Messung von gamma 12 für Tropfen der Phase A in B sowie von Tropfen B in A. Bei der Methode des hängenden Tropfens (statisch) muss der Tropfen aus der Phase mit der höheren Dichte bestehen. Wo der Vergleich der beiden Methoden möglich ist, stimmen die Ergebnisse für beide Systeme sehr gut überein. Bei II sind die aus der Tropfenrelaxation erhaltenen gamma 12-Werte der beiden komplementären Zusammensetzungen im Rahmen des Fehlers gleich, bei I zeigt ein PIB-Tropfen in PDMS einen um 40 % niedrigeren Wert als ein PDMS-Tropfen in PIB, dies wird auf die Diffusion von kurzkettigen Anteilen des PDMS in die Grenzschicht zurückgeführt. Die Grenzflächenspannung hängt also unter Umständen auch bei binären Systemen deutlich von der Zusammensetzung ab.Für II wurde die Blendmorphologie über den gesamten Zusammensetzungsbereich untersucht. Die häufig beobachteten cokontinuierlichen Strukturen treten bei keiner Zusammensetzung auf. Die Phaseninversion erkennt man in einer sprunghaften Änderung der Tropfengröße zwischen phiPDMS <= 0,400 und 0,500; zudem lässt sich die Zeitabhängigkeit der Radien durch Auftragung gegen das Produkt aus der Deformation und dem Quadrat des Volumenbruchs der Tropfenphase für 0 <= phiPDMS <= 0,400 sowie 0,500 <= phiPDMS <= 1 normieren. Für I und II wurde die Morphologieentwicklung bei 25 °C nach Vorscherung bei 100 bzw. 50 s-1 und anschließendem Sprung der Scherrate auf deutlich niedrigere Werte als Funktion der Zeit verfolgt. Hierbei erhält man bei genügend langer Messdauer (mindestens 200 000-300 000 Schereinheiten) konstante Tropfengrößen. Zum einen handelt es sich dabei um pseudo-stationäre Werte, die nur durch Koaleszenz bestimmt sind, zum anderen um echte stationäre Radien, die durch gleichzeitig ablaufende Koaleszenz und Zerteilung entstehen. Für I liegen die stationären Mittelwerte auf der Zerteilungskurve, für II hingegen auf der Koaleszenzkurve.Der Einfluss eines grenzflächenwirksamen Additivs wurde anhand von I durch Zugabe des Blockcopolymer PIB-b-PDMS zu PIB untersucht. Der Vergleich des zeitlichen Verlaufs von gamma 12 mit der Morphologieentwicklung zeigt, dass das Additiv eine Stabilisierung der feinen Tropfen/Matrix-Struktur des Blends durch Hinderung der Koaleszenz und nicht durch Reduktion der Grenzflächenspannung bewirkt.

Diffusion in polymer systems studied by fluorescence correlation spectroscopy

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a powerful technique to determine the diffusion of fluorescence molecules in various environments. The technique is based on detecting and analyzing the fluctuation of fluorescence light emitted by fluorescence species diffusing through a small and fixed observation volume, formed by a laser focused into the sample. Because of its great potential and high versatility in addressing the diffusion and transport properties in complex systems, FCS has been successfully applied to a great variety of systems. In my thesis, I focused on the application of FCS to study the diffusion of fluorescence molecules in organic environments, especially in polymer melts. In order to examine our FCS setup and a developed measurement protocol, I first utilized FCS to measure tracer diffusion in polystyrene (PS) solutions, for which abundance data exist in the literature. I studied molecular and polymeric tracer diffusion in polystyrene solutions over a broad range of concentrations and different tracer and matrix molecular weights (Mw). Then FCS was further established to study tracer dynamics in polymer melts. In this part I investigated the diffusion of molecular tracers in linear flexible polymer melts [polydimethylsiloxane (PDMS), polyisoprene (PI)], a miscible polymer blend [PI and poly vinyl ethylene (PVE)], and star-shaped polymer [3-arm star polyisoprene (SPI)]. The effects of tracer sizes, polymer Mw, polymer types, and temperature on the diffusion coefficients of small tracers were discussed. The distinct topology of the host polymer, i.e. star polymer melt, revealed the notably different motion of the small tracer, as compared to its linear counterpart. Finally, I emphasized the advantage of the small observation volume which allowed FCS to investigate the tracer diffusions in heterogeneous systems; a swollen cross-linked PS bead and silica inverse opals, where high spatial resolution technique was required.

Nanopartikelcharakterisierung: Untersuchung des Retentionsverhaltens in der AF-FFF und der bimodalen Größenverteilung sauer katalysierter Poly(organosiloxan)-Dispersionen

Polymere Hohlstrukturen eignen sich um eine große Anzahl an Gastmolekülen zu verkapseln und bieten somit interessante Anwendungsmöglichkeiten, z.B. im Bereich kontrollierter Transportsysteme. Solche wohl definierten Strukturen lassen sich mittels des Sol-Gel-Prozesses durch Hydrolyse und Kondensation von Dialkoxydialkyl- und Trialkoxyalkylsilanen in wässriger Dispersion in Gegenwart von Tensiden synthetisieren. Die Methode ermöglicht den Aufbau verschiedener Kern-Schale-Systeme, inklusive Hohlkugelarchitekturen, mit Durchmessern von 10-100 nm. Abhängig von den eingestellten Parametern wird dabei eine bimodale Größenverteilung der Partikel beobachtet. Die bimodalen Proben wurden mittels der circularen asymmetrischen Fluss Feld-Fluss Fraktionierung (CAFFFE) fraktioniert. NMR-Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Ursache der bimodalen Verteilung in der Synthese der Kerndispersion zu liegen scheint. MALDI-TOF-MS und GC-Messungen zeigen, dass der Kern der größeren Partikel ausschließlich aus zyklischen Kondensationsprodukten besteht, während im Kernmaterial der kleineren Partikel zusätzlich noch lineare Polydimethylsiloxan-Ketten vorhanden sind. Unter der Annahme, dass PDMS als Ultrahydrophob wirkt, lässt sich die Ostwaldreifung als Ursache der Bimodalität ausmachen. Eine Erhöhung des PDMS-Anteils, der zur Stabilisierung gegen den Reifungsprozess notwendig ist, führt zu einer monomodalen Verteilung der erhaltenen Partikel.

Modifizierungen des Enzyms Silicatein alpha zur direkten Immobilisierung auf verschiedenen Oberflächen : neuartige Herstellung von Kompositmaterialien unter physiologischen Bedingungen

Das Silicatein α ist ein 24 kDa großes Enzym, welches im Schwamm Suberites domuncula für die Synthese von Biosilikat verantwortlich ist. Vorhergehende Studien haben gezeigt, dass Silicatein auch die Synthese anderer Metalloxide wie Titandioxid, Galliumoxid und Zirkoniumdioxid katalysieren kann. Diese Fähigkeiten machen das Silicatein α für biomedizinische und biotechnologische Anwendungen interessant, da die Synthese unter nahezu physiologischen Bedingungen ablaufen kann, was die Herstellung neuartiger Kompositmaterialien mit einzigartigen Eigenschaften erleichtern würde. Zur Immobilisierung des Silicatein α auf verschiedenen Oberflächen wurde bislang ein Nickel-NTA-Kopolymer eingesetzt. Diese Art der Immobilisierung bietet eine Reihe von Möglichkeiten in der Nanobiotechnologie, stößt aber in der Biomedizin an ihre Grenzen, da sich nicht alle Oberflächen für ein solches Coating eignen. Zudem können die zur Aktivierung des Polymers nötigen Lösungsmittel und die über die Zeit freigesetzten Monomere aus dem Polymergerüst toxische oder mutagene Wirkung auf das umliegende Gewebe haben. Deshalb wurde das Silicatein α in dieser Arbeit mit zwei Affinitäts-Tags so modifiziert, dass es an verschiedene Oberflächen immobilisiert werden kann und dabei seine Aktivität beibehält. Zuerst wurde das Silicatein mit einem Glu-tag am N-terminalen Ende modifiziert. Dadurch gelang die direkte Immobilisierung an Hydroxyapatit und die folgende, enzymkatalysierte Synthese von Biosilikat-Beschichtungen auf diesem Träger. Die Eigenschaften eines solchen HA-Kompositmaterials können zum Beispiel zu einem verbesserten, schnelleren und stabileren Einwachsen von Knochenimplantaten führen, da Biosilikat die Reifung und Differenzierung von Osteoblasten beschleunigt. rnMit dem an Hydroxyapatit-Plättchen immobilisierten Glu-tag-Silicatein wurde ein modifizierter Pull-down Assay etabliert, wodurch bekannte, aber auch bis dahin noch unbekannte Protein-Interaktionspartner identifiziert werden konnten. rnUm zu zeigen, dass der entwickelte Glu-tag an präformierte, calciumhaltige Oberflächen binden kann, wurden die Nadeln des Kalkschwammes Paraleucilla magna als Modellorganismus verwendet. Die Nadeln konnten durch das immobilisierte Silicatein mit einer Titandioxid-Schicht überzogen werden und unter Verwendung des Interaktionspartners Silintaphin-1 konnte diese Beschichtung noch verstärkt werden. Solche CaCO3-Kompositmaterialien könnten sowohl in der Biomedizin als auch in der Biotechnologie zum Einsatz kommen. Neben den erwähnten calciumhaltigen Materialien finden auch andere Stoffe wie TiO2-Nanodrähte Verwendung in der Forschung. In weiterführenden Experimenten konnte gezeigt werden, dass der entwickelte Glu-tag auch Affinität zu Titandioxid-Oberflächen vermittelt. Auch hier konnte durch das oberflächenimmobilisierte Enzym eine Biosilikatbeschichtung synthetisiert werden. rnMit der zweiten Modifikation - einem Cys-tag - konnte Silicatein direkt auf Goldoberflächen immobilisiert werden. Durch die Verwendung eines Polydimethylsiloxan (PDMS)-Stempels wurde das Cys-getaggte Silicatein in einem linienförmigen Muster auf das Gold übertragen und die Synthese von Titandioxid dort nachgewiesen.rnDie Experimente und Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass Silicatein α durch einfache Modifikationen an verschiedene Oberflächen immobilisiert werden kann und dabei immer noch seine Aktivität behält. rnHierdurch ergibt sich die Möglichkeit, unter Normalbedingungen verschiedenste Kompositmaterialien herzustellen.rn

Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays

Fully controlled liquid injection and flow in hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) two-dimensional microchannel arrays based on on-chip integrated, low-voltage-driven micropumps are demonstrated. Our architecture exploits the surface-acoustic-wave (SAW) induced counterflow mechanism and the effect of nebulization anisotropies at crossing areas owing to lateral propagating SAWs. We show that by selectively exciting single or multiple SAWs, fluids can be drawn from their reservoirs and moved towards selected positions of a microchannel grid. Splitting of the main liquid flow is also demonstrated by exploiting multiple SAW beams. As a demonstrator, we show simultaneous filling of two orthogonal microchannels. The present results show that SAW micropumps are good candidates for truly integrated on-chip fluidic networks allowing liquid control in arbitrarily shaped two-dimensional microchannel arrays.

Protein and lipid binding parameters in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) blood and liver fractions to extrapolate from an in vitro metabolic degradation assay to in vivo bioaccumulation potential of hydrophobic organic chemicals

Binding of hydrophobic chemicals to colloids such as proteins or lipids is difficult to measure using classical microdialysis methods due to low aqueous concentrations, adsorption to dialysis membranes and test vessels, and slow kinetics of equilibration. Here, we employed a three-phase partitioning system where silicone (polydimethylsiloxane, PDMS) serves as a third phase to determine partitioning between water and colloids and acts at the same time as a dosing device for hydrophobic chemicals. The applicability of this method was demonstrated with bovine serum albumin (BSA). Measured binding constants (K(BSAw)) for chlorpyrifos, methoxychlor, nonylphenol, and pyrene were in good agreement with an established quantitative structure-activity relationship (QSAR). A fifth compound, fluoxypyr-methyl-heptyl ester, was excluded from the analysis because of apparent abiotic degradation. The PDMS depletion method was then used to determine partition coefficients for test chemicals in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) liver S9 fractions (K(S9w)) and blood plasma (K(bloodw)). Measured K(S9w) and K(bloodw) values were consistent with predictions obtained using a mass-balance model that employs the octanol-water partition coefficient (K(ow)) as a surrogate for lipid partitioning and K(BSAw) to represent protein binding. For each compound, K(bloodw) was substantially greater than K(S9w), primarily because blood contains more lipid than liver S9 fractions (1.84% of wet weight vs 0.051%). Measured liver S9 and blood plasma binding parameters were subsequently implemented in an in vitro to in vivo extrapolation model to link the in vitro liver S9 metabolic degradation assay to in vivo metabolism in fish. Apparent volumes of distribution (V(d)) calculated from the experimental data were similar to literature estimates. However, the calculated binding ratios (f(u)) used to relate in vitro metabolic clearance to clearance by the intact liver were 10 to 100 times lower than values used in previous modeling efforts. Bioconcentration factors (BCF) predicted using the experimental binding data were substantially higher than the predicted values obtained in earlier studies and correlated poorly with measured BCF values in fish. One possible explanation for this finding is that chemicals bound to proteins can desorb rapidly and thus contribute to metabolic turnover of the chemicals. This hypothesis remains to be investigated in future studies, ideally with chemicals of higher hydrophobicity.