Miniaturised Bioanalytical Chemistry in Acoustically Levitated Droplets

Abstract

Fuelled by the current demands of the biological sciences, there is today a growing interest in microscale analysis. Miniaturisation of analytical instruments has become a long-standing trend. Miniaturisation offers several advantages, including rapid separation times, high performance and throughput, reduced costs, etc. But the increased surface area to volume ratio can sometimes be a disadvantage and result in analyte adsorption to walls and interfaces. To circumvent the use of solid container walls and yet enable miniaturised bioanalysis, the airborne analytical system described in this thesis was developed. The system consists of an acoustic levitator where a liquid droplet in the 100 nl-2 µl volume range can be levitated in a nodal point of a standing ultrasonic wave. The levitator is combined with specially designed pl flow-through dispensers to enable additions to the levitated droplet in the pl volume range. To date, several remote detection systems have been fitted with the system. Combined with fluorescence imaging detection, the system has been used for single cell analysis of adipocyte lipolysis and for cell-cell communication studies of adipocytes and pancreatic â-cells; the two key cell types in fat metabolism and thus with high impact in diabetes. Coupled with right angle light scattering detection, the airborne system has been developed for use in precipitation screening of proteins to establish nucleation conditions for application in protein crystallisation. Equipped with Raman spectroscopy detection, the system showed useful for the study of crystal polymorphs. The levitated droplet approach has also been successfully explored for miniaturised two-phase extractions and for use in affinity partitioning of liposomes. The airborne analytical system offers several benefits. The diversity of applications possible, the proven biological compatibility, the small volumes, and the absence of contacting surfaces are all important features. The results strongly speak to recommend the further use and development of this new approach in bioanalytical chemistry.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Analytisk kemi är den gren inom kemin där man studerar, utvecklar och använder metoder och tekniker för att undersöka olika ämnens kemiska innehåll och exakta sammansättning. Den analytiska kemin spelar en mycket central roll inom många vitt skilda vetenskapliga fält och utgör den grund på vilka alla kemiska analyser vilar – medicinska tester och studier, kvalitetskontroll av alla slags råvaror och produkter, miljöanalyser etc. En analytisk kemist arbetar för att förbättra tillförlitligheten hos existerande analysmetoder, anpassa gamla metoder till att omfatta även nya problemställningar och inte minst utveckla helt nya tekniker och analysmetoder.



I dagens samhälle blir kraven på nya, bättre och snabbare analysmetoder hela tiden högre. Vi behöver nya vacciner, nya läkemedel, mer miljövänliga produkter – listan kan göras nästan hur lång som helst. Den analytiska kemins roll i dessa sammanhang är avgörande för utvecklingen, och det är den analytiska kemisten som skapar analysmetoder som kan möta dessa krav. Därför är det också viktigt att den analytiska kemin får utvecklas i nära kontakt med de vetenskapliga och industriella områden där behoven finns, t.ex. inom medicin och miljö.



Allt fler människor drabbas idag av olika sjukdomar, en del nya, andra gamla. Vi blir allt fler och allt äldre, och vi utsätts hela tiden för en ständig ström av påverkan utifrån. För en del sjukdomar finns behandling, för andra inte; vissa behandlingar har svåra biverkningar eller hjälper kanske bara tillfälligt men botar inte. I sökandet efter nya läkemedel och behandlingsmetoder måste sjukdomens verkningssätt först undersökas innan ett lämpligt läkemedel kan hittas. Detta kan göras genom att undersöka generna, proteinerna, de enskilda cellerna eller hela organ och organismer. Man får då studera hur dessa är uppbyggda och hur de påverkar varandra. För att få tillräcklig information måste även ämnen utifrån som mat, gifter, läkemedel m.m. samt dessas nedbrytningsprodukter (metaboliter) undersökas. Annars får man inte en fullständig bild. En organism kan faktiskt liknas vid ett hus: generna ger ”ritningen” för hur huset är byggt, proteinerna utgör byggmaterialet och cellerna är väggarna, taket och golvet etc. De olika organen slutligen är husets olika rum, vart och ett med sin särskilda uppgift och funktion. Läkemedel, gifter, mat och metaboliter utgör husets innehåll vid en given tidpunkt, och hur dessa uppför sig kan ge viktig information om husets ”hälsa”.



I denna avhandling beskrivs utveckling av en ny teknik för miniatyriserad analys av olika biologiska skeenden – s.k. ”luftburen kemi” där provet hänger som en fri droppe i luften, enbart omgivet av luft eller någon annan gas. Det handlar om akustisk levitering – att låta ytterst små vätskeprover sväva i luften med hjälp av ultraljud samt att analysera innehåll och reaktioner när provsubstanserna utsätts för yttre påverkan.



Metoden har utvecklats för olika tillämpningar i nära samarbete med biomedicinska forskare och har visat sig mycket användbar för studier av proteiner och enskilda celler och deras reaktioner när de utsätts för yttre påverkan av t.ex. läkemedel. Hur celler ”pratar” med varandra har också kunnat studeras. Särskilt fokus har legat på studier inom diabetesrelaterad forskning.



Leviteringen har kombinerats med andra tekniker som är lämpliga för att hantera små vätskemängder och prover. En särskilt utvecklad typ av ”spruta” har använts för att göra tillsatser till den leviterade provdroppen. Denna s.k. genomflödesdispenser kan ”skjuta” celler och vätskelösningar genom luften så att de träffar den leviterade droppen. Reaktionerna i droppen har mätts på avstånd med olika metoder, framför allt olika varianter av s.k. spektroskopi, där man först skickar in ljus i provet och sedan mäter hur ljuset förändras när det passerar provdroppen eller återkastas.



Leviteringen av proverna medför flera fördelar. Först och främst kan provvolymerna minskas drastiskt – detta ger mindre kemiskt och biologiskt avfall samt möjliggör analyser även då provtillgången är ytterst begränsad, vilket kan vara fallet t.ex. vid provtagning på brottsplatser. En annan fördel med små provvolymer är att analyser och tester kan utföras på enskilda levande celler i stället för att testas på en hel organism; i framtiden kan detta kanske bidra till att åtgången av försöksdjur för medicinska tester kan minskas. Avsaknaden av väggar runt provet medför även att man undviker problem med att delar av provet fastnar på väggarna av provrör och övrig utrustning. Det kan ju vara just det ämne som fastnar på väggen som man verkligen hade behövt studera! Mätningarna blir också känsligare om inga väggar finns runt provet. Detta är särkilt viktigt när man mäter på små prover som t.ex. enskilda celler, eftersom cellerna är så små och innehåller så små mängder av de ämnen man önskar analysera.



Det utvecklade analyssystemet har alltså visat sig väl motsvara förväntningarna och man kan anta att en vidare utveckling av tekniken skulle medföra stora framsteg inom många olika områden av biomedicinsk forskning.

• author: Santesson, Sabina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Dovichi, Norman J., Department of Chemistry, University of Washington, Seattle, USA
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Analytical Chemistry
• keywords: Analytical chemistry, Analytisk kemi, protein crystallisation, affinity two-phase partitioning, single cell analysis, bioanalytical chemistry, airborne chemistry, levitated droplets, Miniaturisation, acoustic levitation
• pages: 126 pages
• defense location: lecture hall B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Sölvegatan 39, Lund Institute of Technology, Sweden
• defense date: 2004-06-11 10:30:00
• ISBN: ISBN 91-628-6093-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Paper I. Airborne Cell Analysis. Sabina Santesson, Martin Andersson, Eva Degerman, Thomas Johansson, Johan Nilsson, and Staffan Nilsson. Analytical Chemistry 2000, 72, 3412-3418. Article: Paper II. Cell-Cell Communication between Adipocytes and Pancreatic â-Cells in Acoustically Levitated Droplets. Sabina Santesson, Eva Degerman, Patrik Rorsman, Thomas Johansson, and Staffan Nilsson. Manuscript, 2004. Article: Paper III. Screening of Nucleation Conditions Using Levitated Drops for Protein Crystallisation. Sabina Santesson, Eila Cedergren-Zeppezauer, Thomas Johansson, Johan Nilsson, Thomas Laurell, and Staffan Nilsson. Analytical Chemistry 2003, 75, 1733-1740. Article: Paper IV. Airborne Chemistry Coupled to Raman Spectroscopy. Sabina Santesson, Jonas Johansson, Lynne S. Taylor, Ia Levander, Shannon Fox, Mike Sepaniak, and Staffan Nilsson. Analytical Chemistry 2003, 75, 2177-2180. Article: Paper V. Laser Techniques in Acoustically Levitated Micro Droplets. Alaa Omrane, Sabina Santesson, Marcus. Aldén, and Staffan Nilsson. Lab-on-a-chip, DOI:10.1039/ B402440K, in press 2004. Article: Paper VI. Affinity Two-Phase Partitioning in Acoustically Levitated Drops. Sabina Santesson, Irene Barinaga Rementeria-Ramírez, Peter Viberg, Bengt Jergil, and Staffan Nilsson. Analytical Chemistry 2004, 76, 303-308. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Analytical Chemistry (S/LTH) (011001004)
• id: cf0cc84e-77c9-4778-90a1-c0a7a5fa9805 (old id 467146)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:06:38
• date last changed: 2018-11-21 21:09:03