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Chemochips - Development and Application of Analytical Micro Spot Arrays
Die im Vergleich zu DNA-Chips weniger entwickelte Proteinchiptechnologie
zeigt das Problem einer nicht vorhandenen universellen Erkennungsfunktion
oder Strategie fĂŒr universell einsetzbare Chips fĂŒr die Vielzahl von
Proteinproben. Der Grund dafĂŒr ist die chemische KomplexitĂ€t, die Proteine
als Translationsprodukt eines Basisgens (DNA) tragen. Es existiert hierbei
der grundsĂ€tzliche Widerspruch zwischen einer âchemischen SpezifitĂ€t der
Erkennungâ und einer âuniversellen Einsatzmöglichkeitâ solch einer
Mikroarray-basierten Erkennung, die mit der höheren chemischen KomplexitÀt
umgehen muĂ. 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 fĂŒr die spezifische Analyterkennung erfolgte bei dieser
Integration. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Integration
verschiedenster Charakterisierungs- und Auslesemethoden zu einer
Chiptechnologie fĂŒr die chemische Erkennung von FlĂŒssigkeiten.Um
multifunktionale Chemochips zu entwickeln, wurden moderne Analysen- und
Auslesetechniken wie berĂŒhrungsfreies 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 EmissionswellenlĂ€ngen. FĂŒr eine bessere
Analytklassifikation wurde eine multivariate Datenanalyse auf den
erhaltenen Datenpool, der sich aus FluoreszenzintensitÀtsÀnderungen der
Spots mittels Bildanalyse ergab, angewandt. Neben diesen etablierten
Auswertemethoden kam eine speziell entwickelte hochauflösende
Nanopositionier- und NanomeĂmaschine mit eingebautem AFM-Modus (SPM-NPMM)
zum Einsatz, um die Mikrospotarrays auf einer Strecke von einigen
Millimetern mit der Auflösung und der PrÀzision eines AFMs zu untersuchen.
Die SPM-NPMM besitzt einen groĂen dynamischen MeĂbereich von 25 Ă 25 Ă 5
mm3 mit einer lateralen Auflösung von 0.1 nm. Messungen mit der SPM-NPMM
zeigten, daà die Verdampfung des Lösemittels nach dem Spotting zu der
Ausbildung eines konzentrischen Doppelkranzes innerhalb der Mikrospots
fĂŒhrt. Dieses charakteristische Doppelkranz-Merkmal der Mikrospots konnte
nur bei Verwendung binÀrer Lösemittelmischungen mit unterschiedlichen
PolaritÀten der Komponenten, wie bei Wasser und DMF, gefunden werden. Die
Ursache dafĂŒr ist der unterschiedliche Transport des gelösten Materials in
zwei verschiedenen Lösemitteln wÀhrend der Ausbildung der Spots.
Hochaufgelöste SPM-NPMM-Messungen zeigten, daà die inhomogene Verteilung
von Farbstoff-Nanokristallen, deren Höhe 2 â 5 nm betrug, auf den inneren
Kranz eines Doppelkranz-Spots begrenzt war. UrsÀchlich ist die verminderte
Löslichkeit des Farbstoffes in DMF.Die qualitative und quantitative
Differenzierung von binÀren Lösemittelmischungen wurde durch die
Verwendungen eines einlagigen Chemochips mit pH- und
polaritÀtsempfindlichen 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 GetrÀnken, qualitativ von einander unterschieden werden. Die
Variation im Muster der Fluoreszenzspots agierte als Fingerprint komplex
zusammengesetzter FlĂŒssigkeiten wie Mischungen und GetrĂ€nke. Die
multivariate Datenanalyse des erhaltenen Datenpools aus den
Chemochip-Experimenten ermöglichte die Unterscheidung bestimmter Klassen
binÀrer Gemische. Ebenso lassen sich einige andere Mikroarray-Komponenten,
wie Spots binĂ€rer Farbstoffgemische, auf ihr Antwortverhalten bezĂŒglich
einer Vielzahl von flĂŒssigen Analyten durch Verwendung der PCA-Analyse
klassifizieren. Analytische Doppellagen-Chemochips wurden durch die
Aufteilung der Funktionen âDifferenzierungâ in der oberen Schicht und
âIndikationâ in der unteren Schicht desselben Chips hergestellt. Die
Realisierung erfolgte durch Stapelung von Hydrogel-Polymerlagen mit
Matrixmodifizierern durch Einsatz der Lösemittel-GuĂ-Methode. Die
mobilitÀtsabhÀngige 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 wÀhrend des
Durchtritts durch die Differenzierungsschicht mittels Echtzeitaufnahme von
Bildserien und deren Auswertung zu unterscheiden. Die MolekĂŒle der Analyten
zeigten Variationen in den Ăbertrittszeiten ihres Transports durch die
obere Schicht in AbhÀngigkeit 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 fĂŒr eine
Mischung zweier verschiedener AnalytmolekĂŒle wĂ€hrender 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
âSpezifitĂ€t gegenĂŒber UniversalitĂ€tâ, belegt durch weniger entwickelte
Biochips wie den Proteinchips, wurde in der vorgelegten Arbeit durch
Verwendung verschiedenen Typen von Chemochips adressiert. Es konnte gezeigt
werden, daĂ 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 âchemical recognition specificityâ against âuniversal
applicabilityâ 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 Ă 25Ă 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 âdifferentiationâ in top layer and âindicationâ 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
âSpecificity versus Universalityâ 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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