University of Groningen
Microfluidic tools for multidimensional liquid chromatography Ianovska, Margaryta
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Ianovska, M. (2018). Microfluidic tools for multidimensional liquid chromatography. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Samenvatting
189
Dit proefschrift is gericht op het uitbreiden van de toepassing van microfluïdische technologie voor het verbeteren van conventionele analytische scheidingstechnieken, zoals two-dimensional liquid chromatography (2D-LC), die gebruikt wordt voor het analyseren van complexe monsters. Het meest voorkomende probleem van de mobiele fase incompatibiliteit tussen kolommen (dimensies) in 2D-LC vereist de toepassing van een mixing component in de interface om mobiele fasesamenstellingen aan te passen. Deze mixer moet zorgen voor snelle menging in lijn bij verschillende flowsnelheidsverhoudingen voor een breed bereik van stroomsnelheden, het moet een klein volume hebben en in staat zijn om korte drukpulsen tot een paar honderd bar te weerstaan, vanwege zijn verbinding met gebruikte schakelkleppen om monster tussen kolommen over te brengen.
Het potentieel van de lab-on-a-chip apparaten voor toepassingen in zowel industriële als wetenschappelijke gebieden heeft de ontwikkeling van microfluïdische technologie in een hoog tempo aangestuurd. Het belangrijkste monsterbewerkingsproces in klinische diagnostiek, genetische sequentiebepaling, chemische productie en proteomica blijft menging, daarom is de implementatie van effectieve menging op de microschaal één van de belangrijkste aspecten van veel microfluïdische systemen. In Hoofdstuk 2 geven we een uitgebreid overzicht van de literatuur van het afgelopen decennium waarin reeds bestaande micromixers worden beschreven op basis van chaotische advectie en hun combinatie met andere mengprincipes, bijvoorbeeld splitsen en recombinatie. Bij het onderzoeken en vergelijken van deze micromixers leggen we de nadruk op kanaalgeometrie, stromingscondities en het mechanisme van mengen. We beschrijven ook de meest voorkomende toepassingsgebieden van passieve chaotische micromixers aan de hand van echte voorbeelden, en bespreken de verbinding tussen kanaalgeometrie, mengmechanisme en mogelijk toepassingsgebied onder verschillende stroomomstandigheden.
In Hoofdstuk 3 beschrijven we de ontwikkeling van microfluïdische mixers met een klein volume in poly(dimethylsiloxaan) (PDMS) die groeven op de boven- of onderkanaalwand bevatten om mengen te induceren op basis van chaotische advectie. Deze benadering werd voor het eerst beschreven door Stroock et al.1 in 2002. Om echter binnenvolumina in de orde van één microliter te hebben, geschikt voor 2D-LC, verhoogden we eerder gerapporteerde dimensies op basis van numerieke studies voor geoptimaliseerde kanaal- en groefgeometrieën. Groeven werden geplaatst in matrices, hetzij in een schuine hoek ten opzichte van de wand (schuine groeven, SG), hetzij in de vorm van asymmetrische chevrons, ook bekend als herringbones, in verspringende reeksen (visgraatgroeven, HG). In onze studies bleken visgraatgroeven efficiënter
Samenvatting
190
te zijn voor het verbeteren van het mengen, wat consistent is met waarnemingen uit andere onderzoeken.2,3 We hebben met succes de prestaties van HG-micromixers aangetoond voor het mengen van vloeistoffen met verschillende viscositeiten (acetonitril, methanol en wateroplossingen) in verschillende verhoudingen (1: 2, 1: 5 en 1:10). De ontwikkelde micromixer maakt volledige menging mogelijk binnen een afstand van 3 cm binnen het 5 cm lange microkanaal over een breed bereik van stroomsnelheden (4-1000 μL/min).
De succesvolle toepassing van de ontwikkelde micromixer in de interface tussen twee dimensies in 2D-LC hangt sterk af van de drukweerstand (om bestand te zijn tegen korte drukpulsen wanneer bijvoorbeeld multiport valves worden geschakeld). Er werden verschillende benaderingen genomen om een chip te fabriceren die bestand is tegen drukken tot 200 bar. Het onderzoek in Hoofdstuk 4 beschrijft de fabricage van een gegroefde microfluïdische mixer in een blok van gesmolten silica met behulp van Selective Laser-Induced Etching (SLE).4–6 Deze techniek bestaat uit twee stappen: 1) de blootstelling van glas aan scanning gefocuste ultrakorte (fs of ps) gepulseerde laserstraling, die plaatselijk glaseigenschappen in het focale volume verandert om zelf-uitgerichte nanoscheurtjes loodrecht op de laserpolarisatierichting te creëren;7 2) etsen van de met een laser gemodificeerde zone door HF of een alkalische oplossing zoals KOH in water.5,7 Deze aanpak stelde ons in staat om een chip te verkrijgen met complexe groefstructuren in een massief stuk materiaal, waardoor de gebruikelijke verbindingsstap bij de fabricage van microfluïdische apparaten werd geëlimineerd. We rapporteren een mengchip met visgraatstructuren met een kanaallengte tot 33 mm, die voor de eerste keer gefabriceerd zijn met SLE. We zijn erin geslaagd om drie generaties chips met verschillende dimensies te fabriceren. Onze resultaten toonden aan dat het vergroten van de kanaaldiameter het mogelijk maakte om kanalen met een betere resolutie met groeven te verkrijgen vanwege de gemakkelijkere toegang van de etsoplossing tot het met een laser behandelde gesmolten siliciumdioxide. Het lukte echter niet om een gegroefd kanaal met uniforme doorsnede te maken. Het kanaal had nog steeds een conische vorm naar het midden van het kanaal toe, wat te wijten is aan de aard van het etsproces. Gebieden aan het einde van het mengkanaal worden langere tijd blootgesteld aan etsmiddel dan gebieden in de richting van het midden van het kanaal, omdat het etsmiddel vanaf de uiteinden in het kanaal moet werken. Om dit effect te ondervangen, hebben we een aangepast ontwerp voorgesteld dat een overmatige ets aan het begin en aan het einde van het kanaal compenseert. Deze aanpak resulteerde in een iets betere groefresolutie in het kanaal en verschafte verbeterde mengprestaties. De drukproeven toonden aan dat deze chips met gesmolten siliciumdioxide bestand zijn tegen drukken tot 85 bar.
Samenvatting
191
Bij hogere drukken breken ofwel de slangconnectoren naar het apparaat of breekt het apparaat zelf bij de schroefdraad waarin de schroefconnectoren zich bevinden.
In Hoofdstuk 5 beschrijven we de fabricage van de microfluïdische mixer in cyclisch olefinecopolymeer (COC)8 met behulp van micromilling9 als de andere benadering voor het verkrijgen van een drukbestendige chip. Een in COC gefreesde chip werd geplaatst in een speciaal ontworpen, robuuste metalen houder met een klein dood volume die een directe verbinding mogelijk maakte met chromatografische instrumentatie met behulp van gestandaardiseerde HPLC-connectoren. Dit ontwerp is bestand tegen drukpulsen tot 150 bar. Een microfluïdische mixer werd geïmplementeerd in een 2D HILIC × RP-LC-systeem voor analyse van nylonmonsters. Het probleem van de incompatibiliteit van de mobiele fase tussen de dimensies werd aangepakt door de snelle menging in lijn van het effluent van de eerste dimensie met een zwakker oplosmiddel in de micromixer voordat het de tweede kolom bereikte. Wanneer onze mixer werd gebruikt om de make-up flow op te nemen, werd een verbeterde scheiding (zonder doorbraak en goede piekvormen in de tweede dimensie) verkregen in vergelijking met het systeem zonder make-up flow. We hebben met succes verschillende oligomere series in nylonmonsters (Polyamide 46) geïdentificeerd.
Slotopmerkingen
De resultaten in dit proefschrift demonstreren het potentieel van microfluïdische apparaten als componenten om conventionele "macroscopische" apparatuurprestaties te verbeteren. Ons onderzoek toont de mogelijkheid om kleine microfluïdische apparaten te fabriceren die bestand zijn tegen relatief hoge drukken, wat hun toepasbaarheid vergroot. Als toekomstig perspectief en de volgende stap in het verbeteren van de prestaties van 2D-LC, zou de ontwikkelde microfluïdische micromixer kunnen worden geïntegreerd met trapkolommen op één chip om extra analyt pre-concentratie te bieden voordat de tweede kolom wordt betreden. Dit zou een aantrekkelijke oplossing zijn om de modulatie in 2D-LC nog verder te verbeteren door apparaten toe te passen met kleinere binnenvolumes met zowel meng- als pre-concentratiefuncties.
Samenvatting
192
Referenties
1. Stroock, A. D. et al. Chaotic mixer for microchannels. Science 295, 647–651 (2002).
2. Lynn, N. S. & Dandy, D. S. Geometrical optimization of helical flow in grooved micromixers. Lab Chip 7, 580–587 (2007).
3. Aubin, J., Fletcher, D. F., Bertrand, J. & Xuereb, C. Characterization of the mixing quality in micromixers. Chem. Eng. Technol. 26, 1262–1270 (2003).
4. Matsuo, S., Tabuchi, Y., Okada, T., Juodkazis, S. & Misawa, H. Femtosecond laser assisted etching of quartz: Microstructuring from inside. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 84, 99–102 (2006).
5. Gottmann, J., Hermans, M., Repiev, N. & Ortmann, J. Selective laser-induced etching of 3D precision quartz glass components for microfluidic applications-up-scaling of complexity and speed. Micromachines
8, (2017).
6. Hermans, M., Gottmann, J. & Riedel, F. Selective, laser-induced etching of fused silica at high scan-speeds using KOH. J. Laser Micro Nanoeng. 9, 126–131 (2014).
7. Osellame, R., Hoekstra, H. J. W. M., Cerullo, G. & Pollnau, M. Femtosecond laser microstructuring: An enabling tool for optofluidic lab-on-chips. Laser Photonics Rev. 5, 442–463 (2011).
8. TOPAS Advanced Polymers. Brochure provided by Polyplastics, Topas COC: Transparent copolymer with excellent optical properties. (2015).
9. Guckenberger, D. J., de Groot, T. E., Wan, A. M. D., Beebe, D. J. & Young, E. W. K. Micromilling: a method for ultra-rapid prototyping of plastic microfluidic devices. Lab Chip 15, 2364–2378 (2015).
