DEVELOPMENT OF A MICROFLUIDIC PLATFORM FOR NMR ANALYSIS OF BIOLOGICAL SAMPLES

In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer mikrofluidischen Plattform für die galvanische Abscheidung von Chitosan-Hydrogel vorgestellt. Die Plattform ist kompatibel mit einem NMR-Mikrodetektor, einer Helmholtz-NMR-Mikrospule, und war für die Bestimmung der Funktion verschiedener Enzyme in Echtzeit vorgesehen. Die experimentellen Verfahren wurden ausführlich beschrieben, einschließlich der Herstellung des mit verschiedenen Elektrodengeometrien integrierten Mikrofluidikkanals, des Protokolls für die Vorbereitung der Vor- und Nachbearbeitung von Chitosan als Substrat, der Einrichtung der Elektroabscheidung von vor- und nachbearbeitetem Chitosan unter Verwendung der verschiedenen Elektrodenkonfigurationen und des Protokolls für die NMR-Analyse zur Überwachung der Funktion verschiedener immobilisierter Enzyme.
... mehr
Der erste Teil der Dissertation stellt im Detail die Technologie hinter der Realisierung biofunktionaler Array-Sites mit programmierbarer Zusammensetzungskontrolle in allen drei räumlichen Dimensionen vor. Die Technologie basiert auf der sequentiellen galvanischen Abscheidung von Chitosan. Aufgrund des sequentiellen Charakters dieses Verfahrens kann jede Schicht einzeln chemisch funktionalisiert werden, während gleichzeitig eine molekulare Kommunikation zwischen den Schichten über das poröse Netzwerk im gesamten fertigen Komposit- Hydrogel ermöglicht wird.
Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Integration zusätzlicher Funktionalitäten in mikrofluidische Geräte, wobei die Aufrechterhaltung qualitativ hochwertiger NMR-Spektren eine große Herausforderung darstellt. Die entwickelte NMR-Plattform besteht aus einem Fluidikkanal mit verschiedenen Konfigurationen von integrierten Elektroden, die für die in-situ-Elektrodenabscheidung von vor- und nachmodifiziertem Chitosan verwendet wurden.
Schließlich wird im dritten Teil der Arbeit als Proof-of-Concept-Anwendung die Bestimmung der Funktion von immobilisierten Enzymen mit Hilfe der Elektroplattformen diskutiert. Drei Schichten Chitosan-Gel, gekoppelt an verschiedene Enzyme, wurden gestapelt; anschließend wurde die Reaktion der Enzyme mit ihren jeweiligen Substraten in Echtzeit mit NMR überwacht. Die enzymatische Aktivität wurde im Rahmen eines Michaelis-Menten-Modells analysiert.
Diese Plattform demonstriert die Fähigkeit der entwickelten Plattform, NMR-Analysen von bioaktiven komplexen Molekülen in einer kleinen Massenmenge durchzuführen, was neue Möglichkeiten für Fortgeschrittene Elektrochemie- und Metabolomikstudien eröffnet.

This thesis presents the development of a microfluidic platform for electrodeposition of chitosan hydrogel. The platform is compatible with an NMR microdetector, a Helmholtz NMR micro-coil, and was intended for determining the function of various enzymes in real time. The experimental procedures have been described in detail, including the fabrication of the microfluidic channel integrated with different electrode geometries, the protocol for the preparation of pre- and post-processing of chitosan as a substrate, the setup of the electrodeposition of pre- and post-processed chitosan using the different electrode configurations and the protocol for NMR analysis to monitor the function of different immobilized enzymes.
... mehr
The first part of the dissertation presents in detail the technology behind the realization of biofunctional array sites with programmable composition control in all three spatial dimensions. The technology is based on the sequential electrodeposition of chitosan. Due to the sequential nature of this process, each layer can be individually chemically functionalized, while at the same time allowing for molecular communication between the layers via the porous network throughout the completed composite hydrogel.
The second part of the thesis deals with the integration of additional functionalities into microfluidic devices, where the maintenance of high-quality NMR spectra is a major challenge. The developed NMR platform consists of a fluidic channel with different configurations of integrated electrodes, which were used for in situ electrode deposition of pre- and post-modified chitosan.
Finally, as a proof of concept application, the third part of the thesis discusses the determination of the function of immobilised enzymes using the electrodeposition platforms. Three layers of chitosan gel coupled to different enzymes were stacked; then the reaction of the enzymes with their respective substrates was monitored in real-time with NMR. The enzymatic activity was analysed in the framework of a Michaelis-Menten model.
This platform demonstrates the ability of the developed platform to perform NMR analysis of bioactive complex molecules in a small mass amount, opening new opportunities in advanced electrochemistry and metabolomics studies.