SU-8-Based Microchips for Capillary Electrophoresis and Electrospray Ionization Mass Spectrometry

Abstract

Miniaturization of analytical instrumentation is attracting growing interest in response to the explosive demand for rapid, yet sensitive analytical methods and low-cost, highly automated instruments for pharmaceutical and bioanalyses and environmental monitoring. Microfabrication technology in particular, has enabled fabrication of low-cost microdevices with a high degree of integrated functions, such as sample preparation, chemical reaction, separation, and detection, on a single microchip. These “miniaturized total chemical analysis systems” (microTAS or lab-on-a-chip) can also be arrayed for parallel analyses in order to accelerate the sample throughput. Other motivations include reduced sample consumption and waste production as well as increased speed of analysis. One of the most promising hyphenated techniques in analytical chemistry is the combination of a microfluidic separation chip and mass spectrometer (MS).

In this work, the emerging polymer microfabrication techniques, ultraviolet lithography in particular, were exploited to develop a capillary electrophoresis (CE) separation chip which incorporates a monolithically integrated electrospray ionization (ESI) emitter for efficient coupling with MS. An epoxy photoresist SU-8 was adopted as structural material and characterized with respect to its physicochemical properties relevant to chip-based CE and ESI/MS, namely surface charge, surface interactions, heat transfer, and solvent compatibility. As a result, SU-8 was found to be a favorable material to substitute for the more commonly used glass and silicon in microfluidic applications. In addition, an infrared (IR) thermography was introduced as direct, non-intrusive method to examine the heat transfer and thermal gradients during microchip-CE. The IR data was validated through numerical modeling.

The analytical performance of SU-8-based microchips was established for qualitative and quantitative CE-ESI/MS analysis of small drug compounds, peptides, and proteins. The CE separation efficiency was found to be similar to that of commercial glass microchips and conventional CE systems. Typical analysis times were only 30-90 s per sample indicating feasibility for high-throughput analysis. Moreover, a mass detection limit at the low-attomole level, as low as 10E+5 molecules, was achieved utilizing MS detection. The SU-8 microchips developed in this work could also be mass produced at low cost and with nearly identical performance from chip to chip. Until this work, the attempts to combine CE separation with ESI in a chip-based system, amenable to batch fabrication and capable of high, reproducible analytical performance, have not been successful. Thus, the CE-ESI chip developed in this work is a substantial step toward lab-on-a-chip technology.

Mikrofluidistiikka tutkii hyvin pienten neste- tai kaasutilavuuksien (mikro nanolitroja, 10E-6–10E-12 l) virtausta mikrometri-mittakaavan kapillaareissa. Mikrofluidistista aineensiirtoa hyödynnetään useissa arkipäivän sovelluksissa mm. mustesuihkutulostimissa ja diagnostiikassa. Viime vuosina mikrofluidististen laitteistojen eli mikrosirujen käyttöä on yhä enenevässä määrin tutkittu myös käytännön laboratorioanalytiikan sovelluksissa. Tavoitteena on kehittää entistä nopeampia ja tarkempia menetelmiä mm. lääkeaine-, bio- ja ympäristöanalytiikkaan. Mikrosiruteknologian avulla näytteenkäsittelyn kaikki vaiheet (esikäsittely, kemiallinen reaktio sekä yhdisteiden erottaminen ja havainnointi) on mahdollista toteuttaa yhdellä mikrosirulla, mikä vähentää merkittävästi kemiallisen jätteen määrää ja mahdollistaa yhdisteiden luotettavan määrittämisen yhä pienemmistä näytemääristä. Mikrosirut valmistetaan tyypillisesti piistä tai lasista samoilla menetelmillä, joita puolijohdeteollisuus on perinteisesti käyttänyt transistorien ja mikroprosessorien valmistamiseen. Myös polymeeripohjaiset mikrosirut ovat yleistyneet, sillä polymeerien työstö on merkittävästi edullisempaa ja nopeampaa kuin piin tai lasin syövytys. Havainnointimenetelmistä monipuolisimman työkalun mikrosiruteknologiaan yhdistettynä tarjoaa massaspektrometria (MS), joka mahdollistaa ominaisuuksiltaan hyvin erilaisten yhdisteiden seuraamisen. Näytteensyöttö mikrosirulta massaspektrometriin toteutetaan useimmiten sähkösumutusionisaation (ESI) avulla.

Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin polymeeripohjaisten mikrosirujen soveltuvuutta lääkeaine- ja bioanalytiikkaan. Mikrosirujen valmistusmateriaalina käytettiin SU-8-epoksipolymeeria, jonka työstäminen ultravioletti-litografialla mahdollistaa hyvin yksityiskohtaisten ja monimuotoisten mikrorakenteiden kuvioinnin. Työssä kehitettiin mikrosiruja, joissa näytteen analysointi perustuu kapillaarielektroforeesi (CE) -erotukseen ja MS-havainnointiin. Näytteensyöttö massaspektrometriin toteutettiin kuvioimalla ESI-kärki osaksi CE-mikrosirua siten, että kaikki mikrorakenteet valmistettiin SU-8-polymeerista yhdellä menetelmällä. Työssä kehitetty CE ESI-mikrosiru on ensimmäinen laatuaan ja mahdollistaa hyvin nopean analyysin (30-90 s/näyte), hyvin pienistä ainemääristä (attomooleja, 10E+5 molekyyliä). Sekä mikrosirun valmistus että analyyttinen suorituskyky todettiin toistettaviksi erästä toiseen. Lisäksi työssä kartoitettiin SU 8-polymeerin fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia, kuten pintavarausta, pintavuorovaikutuksia, lämmönsiirtoa ja liuotinyhteensopivuutta. Lämmönsiirto-ominaisuuksien tutkimiseen käytettiin sekä infrapuna-lämpökamerakuvausta että teoreettista mallinnusta.