Interfacial electrokinetic transport phenomena and their impact on DNA electrophoresis in microfluidics

The dissertation examines two different options to separate DNA based on differences in size by utilising electric fields. Each of the techniques is based on a new approach and faces several fundamental problems concerning electrokinetics. A microfluidic environment is chosen to experimentally investigate DNA electrophoresis at a small scale. A sophisticated setup is employed that on the one hand enables a multiphase flow, while at the same time it stabilises two immiscible polymer phases in a microfluidic compartment. An aqueous two-phase system consisting of poly(ethylene glycol) and dextran provides a stable liquid-liquid interface under quiescent conditions. Such a setup allows the application of an electric field perpendicular to the liquid-liquid interface. In doing so, DNA accumulates at the interface. The parameters influencing the electrophoretic adsorption process are examined in detail. A highlight of the experimental investigations is desorption of DNA from the interface that is triggered by increasing the electric field strength. The latter phenomenon affords a separation of different sized DNA fragments across the liquid-liquid interface. Smaller DNA fragments desorb at lower field amplitudes while larger ones desorb at larger field strengths. Although liquid-liquid interfacial phenomena in aqueous two-phase systems are complex, a preliminary understanding is achieved addressing basic theoretical issues. In the following the reader is introduced into a second and alternative setup to yield a size separation of DNA. The approach is based on traditional capillary electrophoresis. The novelty is examined by combining several preconcentration techniques with a gel-based size separation of DNA in a preparative manner. The DNA migrates due to the application of an electric field. The preconcentration is accomplished by electrokinetic trapping at a charged membrane embedded into a poly(methyl methacrylate) microchip. It has been found that a fluidic counter flow supports DNA trapping at a membrane. A subsequent DNA size separation is exploited to separate free fetal DNA from maternal DNA in blood of pregnant women providing preliminary results to afford a basis for non-invasive prenatal diagnosis.

Die Dissertation untersucht zwei verschiedene Optionen, um DNS nach der Größe unter Verwendung elektrischer Felder zu trennen. Die entwickelten Verfahren basieren jeweils auf einen völlig neuen Ansatz während sie den Leser mit einigen grundlegenden Problemen der Elektrokinetik konfrontieren. Eine mikrofluidische Umgebung ist gewählt, um experimentell DNS-Elektrophorese in einem kleinen Maßstab zu betreiben. Eine anspruchsvolle Einrichtung wurde entwickelt, die auf der einen Seite ermöglicht auch unter ruhenden Bedingungen ein Mehrphasensystem zu stabilisieren. Das wässrige Zweiphasensystem, bestehend aus Polyethylenglykol und Dextran, bietet eine stabile flüssig-flüssig Phasengrenze. Die entwickelte Einrichtung ermöglicht es, ein elektrisches Feld senkrecht zur flüssig-flüssig Phasengrenze anzulegen. Dabei akkumuliert DNS an der Phasengrenze. Die Parameter, die die elektrophoretische Adsorption beeinflussen werden im Detail dargestellt. Ein Höhepunkt dieser experimentellen Untersuchungen ist die Desorption der DNS von der Phasengrenze ausgelöst durch die Erhöhung der elektrischen Feldstärke. Letzteres Phänomen ermöglicht eine Trennung von unterschiedlich großen DNS Fragmenten. Kleinere DNS Fragmente desorbieren bei niedrigeren Feldstärken während große DNS Fragmente bei größeren Feldstärken desorbieren. Obwohl die Grenzflächenphänomene in wässrigen Zweiphasensystemen komplex sind und man erst am Beginn des Verstehens ist, gibt eine Diskussion mit Reflektion auf den bisherigen Kenntnisstand einige theoretische Hinweise. Im Folgenden wird der Leser in eine zweite Einrichtung eingeführt, die eine Größentrennung von DNS erlaubt. Der Ansatz basiert auf traditioneller Kapillarelektrophorese. Die Neuheit besteht in einer präparativen Trennung von DNS während die Anreicherung an einer negativ geladenen Membran eingebettet in einem PMMA Chip erfolgt. Es wurde festgestellt, dass ein fluidischer Gegenstrom die DNS Anreicherung an der Membran begünstigt. Eine nachträgliche DNA Größentrennung wird ausgenutzt, um fötale DNS aus dem mütterlichen Blut zu isolieren. Damit sind vorläufige Ergebnisse für eine nicht-invasive Pränataldiagnostik bereitgestellt.