Lab-on-a-chip technology and its application to drug analysis

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	7 October 2007
Referee:	Detlev (Prof. Dr.) Belder
Date of exam:	17 September 2007
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik
Keywords:	Kapillarelektrophorese , Mikrofluidik , Pharmazeutische Analyse , Mikrochip-Elektrophorese , Quantitative Analyse , Beschichtung , Polyvinylalkohol , , electrophoresis , MCE , drug analysis , microfluidic , miniaturisation , CZE
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10589

Abstract (German)

The aim of this work was: 1- Improvement of the performance of powder-blasted (pb) microchips by applying polyvinyl alcohol (PVA) as a permanent coating. It was found that the limited electrophoretic resolution obtained in powder-blasted (pb) chips could significantly be improved by coating the channels with polyvinyl alcohol. The performance of coated and uncoated powder-blasted (pb) devices ...

Abstract (German)

The aim of this work was:
1- Improvement of the performance of powder-blasted (pb) microchips by applying polyvinyl alcohol (PVA) as a permanent coating.
It was found that the limited electrophoretic resolution obtained in powder-blasted (pb) chips could significantly be improved by coating the channels with polyvinyl alcohol. The performance of coated and uncoated powder-blasted (pb) devices as well as coated and uncoated wet chemical etched (wc) chips was compared in electrophoretic separations of fluorescently labeled test compounds.
2- Development and validation of fast methods based on microchip capillary electrophoresis (MCE) to determine some therapeutic and abuse drugs in formulations and human urine. Drugs such as central nervous system stimulants (ephedrine and pseudoephedrine) and diuretics were successfully determined using MCE. A fast micellar electrokinetic capillary chromatography (MEKC) method was introduced for the determination of FITC-labeled ephedrine and pseudoephedrine. The method was successfully applied to the analysis of the respective drugs in pharmaceutical formulations and human urine.
Furthermore, a fast MCE method was developed for the determination of diuretics in formulations and human urine. Different light sources were used utilizing either a mercury lamp (330-380 nm), a HeCd laser (325 nm) or a pulsed frequency doubled Nd:YAG-laser (266 nm). The HeCd was chosen as an excitation light source which provided a higher sensitivity for the detection of the diuretics. The developed MCE method was successfully applied to formulations and human urine without interference from other active ingredients.
It can be concluded that, MCE-separations of drugs are completed within seconds rather than several minutes as in HPLC. Furthermore as a chip electrophoresis can be integrated into portable analytical devices, this approach appears to be especially attractive for field analysis and point of care diagnostics.

Translation of the abstract (German)

Die Fragestellungen, welche im Rahmen dieser Dissertation behandelt werden lauten: 1. Die Verbesserung der elektrophoretischen Trennleistung von powder-blasted (pb) strukturierten, mikrofluidischen Chips mittels einer permanenten Polyvinylalkohol-Beschichtung (PVA). 2. Die Entwicklung und Validierung von schnellen, auf der Mikrochip-Elektrophorese (MCE) basierenden Methoden zur quantitativen ...

Translation of the abstract (German)

Die Fragestellungen, welche im Rahmen dieser Dissertation behandelt werden lauten:

1. Die Verbesserung der elektrophoretischen Trennleistung von powder-blasted (pb) strukturierten, mikrofluidischen Chips mittels einer permanenten Polyvinylalkohol-Beschichtung (PVA).

2. Die Entwicklung und Validierung von schnellen, auf der Mikrochip-Elektrophorese (MCE) basierenden Methoden zur quantitativen Bestimmung von pharmazeutischen oder Doping-Wirkstoffen in Medikamenten sowie im menschlichen Urin.

Zu 1) Die limitierte elektrophoretische Trennleistung von pb-strukturierten, mikrofluidischen Chips konnte durch eine permanente Beschichtung der Kanäle mittels Polyvinylalkohol signifikant verbessert werden. Die elektrophoretischen Trenneffizienzen von belegten und unbelegten nasschemisch geätzten (wc), sowie pb-Chips wurden anhand eines fluoreszenzmarkierten Testgemisches miteinander verglichen.
Zu 2) Diverse Diuretika, sowie pflanzliche Alkaloide (Ephedrin und Pseudoephedrin) mit stimulierender Wirkung auf das Zentralnervensystem wurden erfolgreich mittels MCE bzw. Mizellar Elektrokinetischer Chromatographie (MEKC) quantifiziert. Für die Bestimmung von Ephedrin und Pseudoephedrin in Tabletten sowie im menschlichen Urin wurden die Analyten mit Fluoresceinisothiocyanat fluoreszenzmarkiert.
Des Weiteren wurde eine MCE-basierte Methode für die Quantifizierung verschiedener Diuretika in Arzneimitteln und Urin entwickelt sowie validiert.
Um die Fluoreszenzanregung der ungelabelten Diuretika zu optimieren wurden eine Quecksilberlampe (330-380 nm) ein HeCd-Laser (325 nm) und ein gepulster, frequenzvervierfachter Nd:YAG-Laser (266 nm) eingesetzt. Die Verwendung des HeCd-Laser zur Fluoreszenzanregung erzielte die höchste Detektionsempfindlichkeit, wobei Interferenzen mit anderen enthaltenen Tabletten-Wirkstoffen minimiert werden konnten.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass MCE Trennungen von Arzneimitteln und Alkaloiden im Gegensatz zu mehrminütigen HPLC-Analysen innerhalb weniger Sekunden durchführbar sind. Des Weiteren kann die MCE für Feldstudien sowie �point-of-care� Analysen eingesetzt werden, sobald portable Geräte kommerziell erhältlich sind.

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