Chemochips - Development and Application of Analytical Micro Spot Arrays

Thete, Aniket GND

Die im Vergleich zu DNA-Chips weniger entwickelte Proteinchiptechnologie zeigt das Problem einer nicht vorhandenen universellen Erkennungsfunktion oder Strategie für universell einsetzbare Chips für die Vielzahl von Proteinproben. Der Grund dafür ist die chemische Komplexität, die Proteine als Translationsprodukt eines Basisgens (DNA) tragen. Es existiert hierbei der grundsätzliche Widerspruch zwischen einer „chemischen Spezifität der Erkennung“ und einer „universellen Einsatzmöglichkeit“ solch einer Mikroarray-basierten Erkennung, die mit der höheren chemischen Komplexität umgehen muß. Die Kernfrage ist dabei, können unterschiedliche Analyse- und Auslesemethoden in einer Plattform kombiniert werden, indem eine Integration spezifischer und weniger spezifischer analytischer Erkennungsmethoden erfolgt. Die Adressierung des Problems zur universellen Anwendung von Chips für die spezifische Analyterkennung erfolgte bei dieser Integration. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Integration verschiedenster Charakterisierungs- und Auslesemethoden zu einer Chiptechnologie für die chemische Erkennung von Flüssigkeiten.Um multifunktionale Chemochips zu entwickeln, wurden moderne Analysen- und Auslesetechniken wie berührungsfreies Mikrospotting, digitale Fluoreszenzaufnahmen und AFM-Techniken verwendet. Die Mikrospot-Technik wurde zur Erzeugung vom Mikroarrays, die reine Indikatoren und Indikatormischungen als Funktionselement enthielten, sowie zur örtlich begrenzten chemischen Matrixmodifikation genutzt. Ein Fluoreszenz-Imagingverfahren mittels schneller CCD-Kamera ermöglichte die Echtzeitaufnahme einer Bildserie der Analyt-Indikator-Wechselwirkung bei mehreren Anregungs- und Emissionswellenlängen. Für eine bessere Analytklassifikation wurde eine multivariate Datenanalyse auf den erhaltenen Datenpool, der sich aus Fluoreszenzintensitätsänderungen der Spots mittels Bildanalyse ergab, angewandt. Neben diesen etablierten Auswertemethoden kam eine speziell entwickelte hochauflösende Nanopositionier- und Nanomeßmaschine mit eingebautem AFM-Modus (SPM-NPMM) zum Einsatz, um die Mikrospotarrays auf einer Strecke von einigen Millimetern mit der Auflösung und der Präzision eines AFMs zu untersuchen. Die SPM-NPMM besitzt einen großen dynamischen Meßbereich von 25 × 25 × 5 mm3 mit einer lateralen Auflösung von 0.1 nm. Messungen mit der SPM-NPMM zeigten, daß die Verdampfung des Lösemittels nach dem Spotting zu der Ausbildung eines konzentrischen Doppelkranzes innerhalb der Mikrospots führt. Dieses charakteristische Doppelkranz-Merkmal der Mikrospots konnte nur bei Verwendung binärer Lösemittelmischungen mit unterschiedlichen Polaritäten der Komponenten, wie bei Wasser und DMF, gefunden werden. Die Ursache dafür ist der unterschiedliche Transport des gelösten Materials in zwei verschiedenen Lösemitteln während der Ausbildung der Spots. Hochaufgelöste SPM-NPMM-Messungen zeigten, daß die inhomogene Verteilung von Farbstoff-Nanokristallen, deren Höhe 2 – 5 nm betrug, auf den inneren Kranz eines Doppelkranz-Spots begrenzt war. Ursächlich ist die verminderte Löslichkeit des Farbstoffes in DMF.Die qualitative und quantitative Differenzierung von binären Lösemittelmischungen wurde durch die Verwendungen eines einlagigen Chemochips mit pH- und polaritätsempfindlichen Farbstoffen möglich. Mittels Mikroarray-Muster konnten die Analyten mit einem vergleichbaren Alkoholgehalt von 5 Vol.-%, wie in einer Wasser-Ethanol-Mischung, verschiedenen Bieren oder anderen alkoholischen Getränken, qualitativ von einander unterschieden werden. Die Variation im Muster der Fluoreszenzspots agierte als Fingerprint komplex zusammengesetzter Flüssigkeiten wie Mischungen und Getränke. Die multivariate Datenanalyse des erhaltenen Datenpools aus den Chemochip-Experimenten ermöglichte die Unterscheidung bestimmter Klassen binärer Gemische. Ebenso lassen sich einige andere Mikroarray-Komponenten, wie Spots binärer Farbstoffgemische, auf ihr Antwortverhalten bezüglich einer Vielzahl von flüssigen Analyten durch Verwendung der PCA-Analyse klassifizieren. Analytische Doppellagen-Chemochips wurden durch die Aufteilung der Funktionen „Differenzierung“ in der oberen Schicht und „Indikation“ in der unteren Schicht desselben Chips hergestellt. Die Realisierung erfolgte durch Stapelung von Hydrogel-Polymerlagen mit Matrixmodifizierern durch Einsatz der Lösemittel-Guß-Methode. Die mobilitätsabhängige Differenzierung der oberen Schicht wurde durch physikalische Umwandlung der Polymermatrix durch quervernetzende Stoffe erreicht. Die Indikatorfunktion der unteren Schicht konnte durch eingelagerte fluoreszierende Farbstoffe realisiert werden. Es war damit möglich, verschiedene Analyten durch die Diffusionszeit während des Durchtritts durch die Differenzierungsschicht mittels Echtzeitaufnahme von Bildserien und deren Auswertung zu unterscheiden. Die Moleküle der Analyten zeigten Variationen in den Übertrittszeiten ihres Transports durch die obere Schicht in Abhängigkeit des Vernetzungsgrades der Polymermatrix. Dieser Transport von Einzel- und Mischungsanalyten durch die Differenzierungsschicht konnte auch detektiert werden, wenn das Fluoreszenzschema der Singlelayer-Chips verwendet wurde. Der Doppellagen-Chemochip zeigte auch das Analyt-Separationssignal für eine Mischung zweier verschiedener Analytmoleküle währender derer Diffusion durch die Differenzierungsschicht. Dieses Verhalten kann den bevorzugten Wechselwirkungen zwischen Analyt und der modifizierten Polymerumgebung als Transportmedium zugeordnet werden.Die offene Problemstellung von „Spezifität gegenüber Universalität“, belegt durch weniger entwickelte Biochips wie den Proteinchips, wurde in der vorgelegten Arbeit durch Verwendung verschiedenen Typen von Chemochips adressiert. Es konnte gezeigt werden, daß mittels Einzel- und Doppellagenchips mit fluoreszierenden Mikroarrays verschiedene bevorzugte und allgemeine Charakterisierungen möglich sind.

The protein chip technology which has less developed landscape as compared to the DNA chips, it faces the problem of universal recognition function or the strategy to obtain a universal chip for multitude of protein samples. This is due to the chemical complexity that protein carries as translational product of basic gene (DNA). There exists the basic contradiction of ‘chemical recognition specificity’ against ‘universal applicability’ in such a micro array based recognition which deals with higher chemical complexity. It is the key issue, whether it is possible to combine different methods of characterization and read out to make a platform by integrating specific and less specific methods of chemically diverse analyte recognition. The issue of universal application of chips for specific recognition of analytes has been addressed in this integration process. The primary aim of the work is to integrate various methods of characterization and read out, into the chip technology for liquid chemical recognition.In order to develop the multifunctional chemochips the state of the art characterization and read out techniques such as non-contact micro spotting, fluorescence digital imaging and AFM techniques have been used. The spotting technique was used to realize microarray of pure and mixed indicator functions as well as chemical reagents for local matrix modification. Rapid fluorescence CCD imaging techniques enables the real time recording of analyte-indicator molecule interaction by series of images with multiple excitation-emission wavelengths. Multivariate data analysis was applied on the pool of the data generated by the analysis of spot intensity changes in the recorded images which gives a better idea of the analyte classification. Along with these established methods the specially developed high resolution nano-positioning and measurements machine equipped with AFM mode (SPM-NPMM) has been used to characterize the micro spot array for the several millimeter range with the resolution and precision of an AFM technique. SPM-NPMM has a large dynamic measurement range of 25 × 25× 5 mm3 with the lateral resolution of 0.1 nm. The SPM-NPMM measurements showed that the evaporation of solvent after spotting leads to the concentric double rim formation inside the micro-spots. These characteristic double rim features of the micro spot was found only for the binary mixed solvents with varying polarity like water and DMF spots due to differential transport of dissolved material in two different solvents during spot formation. High resolution SPM-NPMM measurements showed the inhomogeneous distribution of dye nano-crystals of 2 - 5 nm height restricted to only inner rim formed due to DMF in a double concentric rimed spots, as the dye has less solubility in the solvent. Using single layer chemochip arrays made up of pH and polarity sensitive dyes it was possible to distinguish binary mixed solvents qualitatively and quantitatively. With the help of micro array patterns, the analyte with similar content of alcohol like mixture of 5% (v/v) of ethanol in water and beers, or other alcoholic beverages can be distinguished qualitatively from the ethanol-water mixtures with corresponding ethanol content. The variation in fluorescent spot patterns acted like fingerprints for complex composed liquids like solvent mixtures and beverages. The multivariate data analysis done on the pool of data obtained from the chemochips experiment enables to distinguish certain classes of binary mixtures. Also, some other micro array components like binary mixed dye spots can be classified for their response towards multitude of liquid analytes using the PCA analysis. Analytical double layer chemochips were prepared by splitting the functions of ‘differentiation’ in top layer and ‘indication’ in bottom layer on the same chip. This was realized by stacking hydro-gel polymer layers with matrix modifier using solvent casting method. The top layer was assigned with mobility dependent differentiation by physically altering the polymer matrix using a cross-linking agent and bottom layer functioned as indicator due to doped fluorescent dyes. It was possible to distinguish different analytes by transition time of diffusion through differentiation top layer by the real time recording of series of images of the double layer arrays. The analyte molecules showed the variation in the transition time of their transport through the top layer depending up on its cross-linking degree. This transport of individual and mixtures of analytes through the differentiation layer can also be detected using the same fluorescence scheme used for single layer chemochips. The double layer chemochips also showed the analyte separation signal for a mixture of two different analyte molecules while diffusing through the differentiation layer. This can be attributed to the preferential interactions between analyte and the modified polymer environment as a transport medium. The open issue of ‘Specificity versus Universality’ faced by less developed biochips like protein chips have been addressed through the reported work using different types of chemochips. It was shown that different preferential and general characterization using fluorescent micro spots was possible with single and double layer micro arrays as a compliment for the specific recognition done by the conventional spot array chips.

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Thete, Aniket: Chemochips - Development and Application of Analytical Micro Spot Arrays. 2009.

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