Microfluidic devices have been noticed potential platforms for bioanalytical research. The small size enables rapid analyses, reduced sample and reagent consumption and microtechnology allow integration of multiple analytical units on-chip. Despite the progress made in the past years, the current materials for these devices have challenges with the cost and/or mass production possibilities, unit compatibility and reproducible performance. Thiol-ene polymers have been proposed as alternative materials for microsystems to address the above-mentioned challenges.
The aim of this thesis was to study the feasibility of thiol-enes for out-of-cleanroom replica molding of analytical devices. Thiol-ene photopolymerization was studied in the absence of a photoinitiator. Without the initiator the bulk properties were noticed relatively similar compared with the initiated-thiol-enes, but the curing time was shown to have a notable impact on the surface properties in the absence of the initiator. This allowed control over the surface chemistry and bonding of even two alike thiol-ene layers.
These obtained properties of thiol-enes were utilized in enzyme microreactor, in microchip electrophoresis (MCE), and in mass spectrometric (MS) applications. Proteolytic peptide digestion was obtained with immobilized enzymes on the microreactor. Straightforward enzyme immobilization was developed by the use of thiol-rich surfaces and gold nanoparticles via thiol-gold chemistry. In MCE, the controllability of the surface properties allowed production of devices with stable and high electroosmotic flow. Owing to the good solvent stability of thiol-enes, MCE separations could be conducted even in non-aqueous media with enhanced resolving power. For online MS applications, the microdevices were integrated with on-chip electrospray tip. With optimized polymer composition, stable electrospray and good chip-to-chip reproducibility was achieved. The tunable surface chemistry allowed development of inert surfaces by polyethylene glycol coating to fully eliminate nonspecific surface interactions.
This thesis work increases our understanding of the material and surface properties of thiol-enes with a view to their use in mass spectrometry based bioanalysis as well as in other fields of microfluidics. The impact of the work increases the customization possibilities in low-cost microfabrication.Mikrofluidiset laitteet ovat yhä merkittävämmässä osassa nykypäivän bioanalytiikan tutkimusta. Laitteiden pieni koko mahdollistaa yhä nopeammat mittausanalyysit kuin myös kemiallisten jätteiden ja reagenssien määrän merkittävän vähenemisen. Mikroteknologian avulla voidaan lisäksi liittää kaikki kemiallisen analyysin vaiheet samalle laitteelle. Nykypäivän mikrolaitteilla on kuitenkin ongelmana mittaussysteemien toistettavuus sekä materiaalien epästabiilit ominaisuudet ja kallis tuotanto. Yhtenä ratkaisuna tähän on uusien materiaalien tutkimus.
Eräs uusi varteen otettava materiaali on tioleenipolymeerit. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin näiden polymeerien soveltuvuutta analyyttisiksi mittalaitteiksi, ja tioleenipohjaiset mikrolaiteet valmistettiin edullisella replikointi menetelmällä. Lisäksi tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia tioleenien materiaali- ja pintaominaisuuksia ja valmistusta ilman yleisesti käytettyä initiaattoria tai muita apuaineita.
Tässä väitöskirjatyössä havaittiin, että ilman initiaattoria valmistettujen tioleenien materiaaliominaisuudet ovat samankaltaisia kuin initiaattorin kanssa. Pintaominaisuudet olivat taas selkeästi riippuvaiset valmistus olosuhteista, mikä mahdollisti pintakemian kontrolloinnin ja erityisesti kahden saman kemian omaavan pinnan liittämisen yhteen.
Näitä havaittuja tioleenien ominaisuuksia hyödynnettiin näytteen esikäsittely, mikrosiruelektroforeesi (MCE) sekä massaspektrometria (MS) sovelluksissa. Näytteen esikäsittelyssä proteolyyttinen peptidien pilkkominen saavutettiin mikroreaktorisirulla immobilisoitujen entsyymien avulla. Mikrosiruelektroforeesissa pintaominaisuuksien kontrolloinnilla saavutettiin stabiili elektroosmoottinen virtaus. Tioleenien hyvä liuotin yhteensopivuus mahdollisti lisäksi selektiiviset bioanalyysit orgaanisissa olosuhteissa. Optimoiduilla materiaaliominaisuuksilla mikrosiruihin pystyttiin valmistamaan toistettavasti sähkösumutuskärki MS detektointia varten. Vaativimpiin biologisiin mittauksiin kehitettiin lisäksi inertti polymeeri pinnoitus.
Tämä väitöskirjatutkimus laajentaa tietämystä tioleenipolymeerien yhteensopivuudesta bioanalyyseihin, mutta myös muihin analytiikan ja mikrofluidistiikan käyttötarkoituksiin. Tässä työssä kehitetyt mikrosirut mahdollistavat lisäksi niiden edullisen valmistuksen sekä räätälöinnin erilaisiin sovelluksiin
