Miniaturisation, automation and parallelisation of (bio)chemical analyses using novel Lab on a Chip systems

Abstract

Durante las últimas décadas la química analítica ha experimentado una extraordinaria evolución con tal de satisfacer la actual demanda de información en tiempo real e in situ, partiendo de la instrumentación clásica (de gran versatilidad aunque voluminosa, cara e implicando largos tiempos de análisis) para alcanzar nuevos sistemas miniaturizados y económicos capaces de satisfacer los requerimientos actuales. Esta evolución ha dado lugar a la aparición de los conocidos sistemas de tipo Lab on a Chip (LOC) y los microsistemas de análisis total (μTAS), integrando, estos últimos, todas las etapas del procedimiento analítico en una misma plataforma microfluídica. Este alto nivel de integración y miniaturización ha sido posible gracias a la existencia de un conjunto de elementos microfluídicos que permiten realizar las operaciones fluídicas necesarias para una aplicación dada.

En este contexto, la presente tesis pretende ampliar el alcance de las aplicaciones de los uTAS, así como contribuir al conjunto de elementos microfluídicos existente actualmente. La tesis recoge el desarrollo de tres sistemas microfluídicos que se han aplicado a la cuantificación de diversos analitos de interés en el vino y el desarrollo de una nueva válvula para plataformas microfluídicas centrífugas. Debido a sus excepcionales propiedades, se ha escogido el copolímero de olefina cíclica (COC) como sustrato para la construcción de los sistemas mencionados.

Primeramente, se presenta el desarrollo de un sistema miniaturizado, económico e automatizado para la determinación espectrofotométrica de la acidez titulable en vinos. El sistema desarrollado permite la cuantificación de la acidez en muestras individuales, así como la monitorización de ésta durante los procesos de vinificación. El microsistema se ha optimizado para ambos casos, priorizando en el primero un alto rendimiento y un mínimo consumo de muestra y reactivos y, en el segundo, una elevada robustez y la completa automatización del sistema. El mismo microanalizador se ha empleado exitosamente para determinar el contenido de nitrógeno amínico primario (PAN) en vinos, haciendo mínimos cambios en el sistema y demostrando así su gran versatilidad. Los resultados obtenidos confirman un excelente funcionamiento del sistema para las tres aplicaciones estudiadas.

Se presenta también el desarrollo de un sistema microfluídico centrífugo para el análisis enzimático y en paralelo de diversos analitos de interés en vinos. El ácido L-láctico, el analito seleccionado como prueba de concepto, se ha cuantificado mediante un método de adición estándar “on-chip”. Para ello se ha implementado una estructura de alicuotado doble que permite dividir una muestra de vino y un volumen dado de disolución patrón en distintos sub-volúmenes. Esta plataforma está todavía en etapa de desarrollo. No obstante, se han obtenido ya resultados muy prometedores.

Finalmente, se describe el desarrollo de una nueva válvula para plataformas de microfluídica centrífuga, el funcionamiento de la cual está basado en la deformación de un disco de polidimetilsiloxano (PDMS) debido a la presión que ejercen dos pequeños imanes, uno a cada lado de la válvula, sobre éste. A bajas revoluciones, la presión deforma el disco bloqueando la conexión entre dos canales. A velocidades de rotación superiores, uno de los imanes se desplaza a consecuencia del incremento de la fuerza centrífuga, liberando la presión sobre el disco y permitiendo, así, el paso del líquido. A demás de ser fácil de construir e integrar, esta válvula es reversible, permitiendo así una gestión de fluidos altamente flexible y sofisticada.

Los resultados presentados en esta tesis manifiestan las ventajas del uso de sistemas miniaturizados para aplicaciones analíticas, así como el potencial de usar COC como sustrato para sistemas de tipo LOC. A demás, los métodos de fabricación empleados son potencialmente extrapolables a la producción en masa, requerimiento esencial para la viabilidad comercial de este tipo de sistemas.

During the last few decades analytical chemistry has experienced an extraordinary evolution in order to meet the actual demand of on-time and in-situ information, moving from versatile yet bulky, time-consuming and expensive classical instrumentation towards novel economical miniaturised systems which are capable to fulfil the nowadays requirements. This evolution gave rise to the so-called Lab on a Chip (LOC) systems and micro total analysis systems (μTAS), these latter integrating all the steps of the analytical procedure in a single microfluidic platform. This high level of integration and miniaturisation has been possible due to the existence of a “toolbox” of microfluidic elements that allow to perform the basic fluidic operations required within a given application.

In this context, the present thesis aims to broaden the scope of the μTAS applications as well as to contribute to the currently available microfluidic toolbox. This dissertation describes the development of three different microsystems which have been applied to the quantification of various analytes of interest in wine, along with the development of a novel valving system for centrifugal microfluidic platforms. Due to its outstanding properties, Cyclic Olefin Copolymer (COC) has been selected as the substrate material for the construction of the abovementioned systems.

Firstly, an economical, automated and miniaturised system for the spectrophotometric determination of titratable acidity in wines is presented. The developed system permits not only the quantification of titratable acidity in individual wine samples, but also its continuous monitoring during wine-making processes. The microsystem has been optimised for both situations, prioritising, in one case, high throughput and minimal reagent and sample consumptions and, in the second case, high robustness and a complete automation of the system. The same microanalyser has been successfully applied to the measurement of the Primary Amino Nitrogen (PAN) content in wine. Minimal modifications were required, thus demonstrating the high versatility of the developed microsystem. The obtained results confirm an excellent performance of the microsystem for the three applications studied.

The development of a centrifugal microfluidic system for the parallel enzyme-based analysis of several wine parameters is also presented. L-lactic acid, the analyte selected as proof-of-concept, has been quantified by performing an on-chip standard addition. With that purpose, a double aliquoting structure that allows to split a wine sample into equal sub-volumes and an L-lactic acid standard solution into variable volumes, has been implemented. The platform is still in the development stage, although promising results have already been obtained.

Finally, a novel magnetically actuated valving system for centrifugal microfluidic platforms is described. The working principle of the valve is based on the deformation of a flexible PDMS disc as a result of the magnetic attractive forces between two magnets, one at each side of the valve. At low rotational speeds, the pressure exerted onto the disc blocks the connection between two channels. At higher rotational speeds, one of the magnets is displaced as a result of the increase of the centrifugal force, thus releasing the pressure that kept the valve closed and allowing the fluid flow. Apart from being easily constructed and integrated, the major strength of this valve lies on its reversibility, which enables a highly sophisticated and flexible fluid management.

The results presented in this dissertation manifest the advantages of using miniaturised systems for analytical applications as well as the high potential of using COC as the substrate material for LOC devices. Moreover, the fabrication methodologies employed could potentially be extrapolated to mass production, which is an essential requirement for the commercial viability of these systems.