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Two-Phase Electrophoresis of Biomolecules

Münchow, Götz :
Two-Phase Electrophoresis of Biomolecules.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Two-Phase Electrophoresis of Biomolecules
Language: English
Abstract:

Existing microfluidic separation technologies for biomolecules commonly rely on single phase liquid systems as well as on electrophoresis. But microfluidics also facilitates the generation of stable, well-controlled and immiscible liquid-liquid two-phase arrangements, since interfacial forces usually dominate over volume forces. The present work combines these approaches and reports on protein and cell transport as well as on enrichment and separation phenomena discovered in various experiments with a novel microfluidic setup for continuous-flow two-phase electrophoresis. Therefore, phase boundaries of aqueous two-phase systems are formed within a microchannel in flow direction and the characteristic partition behavior of proteins and cells is manipulated and tuned by applying an electric field perpendicular to the phase boundary. The two immiscible phases which separately are injected into a microchannel are taken from aqueous polyethylene glycol (PEG) - dextran systems. Different ways are possible to induce an electric field within a microchannel, but it was found out that electrodes have to be decoupled from the two-phase flow and especially hydrogels can be utilized as adequate ion conductors. Thus bubble generation inside the microchannel is prevented and a stable two-phase flow is guaranteed. In contrast to macroscopic systems, microfluidic setups allow detailed investigations of local effects at the phase boundary. The results of the experiments show that the diffusive as well as the electrophoretic transport behavior of proteins between the laminated liquid phases is strongly influenced by their partition coefficients. Furthermore, effects of the phase boundary itself, like electric double layers, are negligible in this case. This derived knowledge helps to design specific two-phase partition and enrichment procedures combined with electric fields for future studies. Besides a detailed examination of the transport behavior of proteins a continuous separation of proteins from cells is presented. While proteins in presence of an external electric field pass the boundary and leave the phase they have been initially dissolved in almost completely, lymphoblastoid cells can be retained, thus allowing a stable and continuous separation of these two kinds of biomolecules. And finally, further kinds of fluid combinations such as water and propylene carbonate are presented, supporting an enrichment of proteins at the phase boundary.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Bestehende mikrofluidische Techniken zur Separation von Biomolekülen basieren üblicherweise auf einphasigen Flüssigkeitssystemen sowie auf Elektrophorese. Da die Grenzflächenkräfte in der Regel die Volumenkräfte dominieren, ermöglichen die Gesetzmäßigkeiten der Mikrofluidik aber auch die Erzeugung von stabilen, gut kontrollierbaren Anordnungen von nicht mischbaren flüssig-flüssig Zweiphasensystemen. Die vorliegende Arbeit kombiniert die oben genannten Ansätze und beschreibt den Transport von Proteinen und Zellen sowie Anreicherungs- und Separationsphänomene, die während unterschiedlichster Experimente in einem neuartigen, mikrofluidischen Aufbau für kontinuierliche Zweiphasenelektrophorese ermittelt worden sind. Dafür werden Grenzflächen wässriger Zweiphasensysteme innerhalb eines Mikrokanals in Flussrichtung erzeugt und das charakteristische Partitionierungsverhalten von Proteinen und Zellen durch ein zusätzliches elektrisches Feld senkrecht zur Phasengrenze manipuliert bzw. neu eingestellt. Die zwei nicht mischbaren Flüssigkeitsphasen, jede für sich in den Mikrokanal injiziert, werden wässrigen Zweiphasensystemen entnommen, die aus Polyethylenglykol (PEG) und Dextran bestehen. Es bestehen unterschiedliche Möglichkeiten, ein elektrisches Feld im Mikrokanal zu erzeugen. Es wurde aber ermittelt, dass die Elektroden von dem Zweiphasensystem entkoppelt werden müssen und besonders Hydrogel als adäquater Ionenleiter verwendet werden kann. Dadurch ist es möglich, die Bildung von Gasblasen innerhalb des Mikrokanals zu unterbinden und einen stabilen Zweiphasenfluss zu garantieren. Im Gegensatz zu makroskopischen Systemen, erlauben mikroskopische Systeme eine detaillierte Untersuchung von lokalen Effekten direkt an der Phasengrenze. Dabei zeigen die Ergebnisse der Experimente, dass das diffusive als auch das elektrophoretische Transportverhalten von Proteinen zwischen den Flüssigkeitslamellen maßgeblich durch deren Partitionierungskoeffizienten beeinflusst wird. Außerdem sind Effekte, die durch die eigentliche Phasengrenze verursacht werden, wie z.B. durch eine elektrische Doppelschicht, in diesem Fall vernachlässigbar. Das durch die vorliegende Arbeit erlangte Wissen hilft dabei, für unterschiedliche Zielstellungen bestimmte Partitionierungs- und Anreicherungsprozeduren innerhalb von mit elektrischen Feldern gekoppelten Zweiphasensystemen zu designen. Neben der detaillierten Untersuchung der Transporteigenschaften der Proteine wird außerdem eine kontinuierliche Separation von Proteinen und Zellen beschrieben. In diesem Fall passieren die Proteine bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes die Phasengrenze und verlassen vollständig die Phase, in der sie ursprünglich gelöst waren. Im Gegensatz dazu werden lymphoblastoide Zellen an der Phasengrenze zurückgehalten, was eine stabile und kontinuierliche Separation dieser beiden Biomoleküle ermöglicht. Schließlich werden noch weitere Fluidkombinationen, wie z.B. Wasser - Propylencarbonat, vorgestellt, die ebenso eine Anreicherung von Proteinen an der Phasengrenze ermöglichen.German
Uncontrolled Keywords: Microfluidic Electrophoresis Aqueous Two-Phase System Interface
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Microfluidic Electrophoresis Aqueous Two-Phase System InterfaceEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Fachbereich Chemie
Biology
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Fachbereich Maschinenbau > Fluidsystemtechnik
Date Deposited: 07 Aug 2009 09:53
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-18636
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hardt, Prof. Dr. Steffen and Kutter, Prof. Dr. Jörg Peter
Refereed: 17 July 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1863
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