Soft lithography applied to the construction of a low cost bioassay system [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Sebastian Lange

Sebastian A. Lange

Informations

• Publié par: eberhard_karls_universitat_tubingen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 5
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

Soft Lithography applied to the 
construction of a low‐cost 
bioassay system
DISSERTATION
zur Erlangung des Grades eines Doktors
der Naturwissenschaften
der Fakultät für Mathematik und Physik
der Eberhard‐Karls‐Universität zu Tübingen
vorgelegt von
SEBASTIAN LANGE
aus Tübingen
2004
Tag der mündlichen Prüfung: 26.11.2004
Dekan: Professor Dr. P. Schmid
1. Berichterstatter:Professor Dr. D. Kern
2. Berichterstatter:Professor Dr. S. Dübel
3. Berichterstatter:Professor Dr. J. WachtveitelAbstract
The importance of simple, fast, and inexpensive analysis tools for diagnostic marker molecules in
patients’ sera will increase in the near future. Today’s analysis devices for immuno diagnostics or
DNA tests are by far too expensive and are thus rarely found in doctors’ offices and hospitals. Fur-
thermore, the disposables and carriers for the biotests are fabricated in complicated and cost-inten-
sive processes.
It was the goal of this work to setup an analysis device for the detection of molecular binding events
employing a CD-pickup from conventional CD players. Additionally, simple and fast methods for
the structured immobilization of biomolecules such as proteins or DNA were created, evaluated and
improved.
These developments aim at establishing a low-cost platform technology for the analysis of patients’
sera, which includes a fabrication method for affordable test carriers such that they could be used on
a routine basis in doctors’ offices and hospitals.
Zusammenfassung
Die einfache, schnelle und billige Analyse von diagnostischen Markermolekülen in Patientenseren
wird in den kommenden Jahren eine immer größere Bedeutung gewinnen. Aktuelle Analysegeräte
zur Messung von Immunoassays, d.h. molekularen Bindungsreaktionen und zur DNS Analyse, sind
noch unverhältnismäßig teuer und daher nicht umfassend einsetzbar. Weiterhin werden die Analyse-
träger derzeit in komplizierten und Kosten intensiven Verfahren hergestellt, was natürlich den damit
durchgeführten Test stark verteuert.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Prototyp Analysegerätes, aufbauend auf
einem einfachen CD-Lesekopf, zur Erkennung biomolekularer Interaktionen. Des weiteren wurden
Methoden zur einfachen strukturierten Aufbringung von Proteinen, sowie DNS Molekülen gefun-
den, weiter entwickelt und verbessert.
Auf diese Weise sollte so eine low-cost Plattform für die Analyse von Patientenseren auf Immun-
marker oder genetische Defekte sowie eine Methode zur Herstellung von geeigneten Testträgern ent-
stehen. Diese low-cost Plattform eignet sich für den Einsatz in Arztpraxen und Krankenhäusern.
-iii-
Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow.
The important thing is not to stop questioning.
- Albert Einstein -
-iv-Table of Contents
Abbreviations viii
1.Introduction 1
1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Goals of this work. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.Background & Theory 4
2.1. Softlithography of biomolecules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1. Properties and characteristics of PDMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2. Microcontact Printing (µCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3. Microfluidic Networks (µFN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4. Intermolecular forces acting on molecules at the solid liquid interface . . . . . . . . . . 12
2.1.5. Adsorption of proteins at the solid-liquid interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.6. Adsorption of DNA at the solid liquid interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.7. Mechanism of µCP: Transfer of molecules using elastomeric materials . . . . . . . . . 27
2.1.8. Affinity driven transfer of single stranded DNA molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2. Compact Disc (CD)‐Pickup Imager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.1. The CD - principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2. The CD-Pickup imager - A reader for bioassays. . 36
2.3. Biochemistry, Biophysics, and Surface Modification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.1. Surface chemistry & physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.2. Enzymatic digestion of proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.3. Polymerase Chain Reaction (PCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4. Detecting the binding of biomolecules  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.1. Immunoassays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.2. Fluorescent labeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.3. Colloidal Gold labeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.4. Autometallography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.5. Enzyme-assisted precipitation of fluorescent or colored material. . . . . . . . . . . . . . . 50
3.Results & Discussion 52
3.1. The CD Pickup imager: Reader for bioassays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1. Single particle measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2. Qualitative measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.3. Quantitative biotest measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.4. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2. Enzyme assisted inverse µCP (EAI‐µCP)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.1. Experiments & Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.2. Discussion. . 71
3.3. The stamp aligner and its use for array printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.1. Alignment marks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.2. Overlay printing of a protein array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.3. Measuring printing and alignment precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
-v-Table of Contents
3.3.4. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4. Microcontact printing of DNA. . . . .