Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines mikrofluidischen SlipChips zur schnellen Analyse komplexer Stoffgemische mittels online Anreicherung und zweidimensionaler Nano-Flüssigkeitschromatografie

Die aktuelle ökonomische und ökologische Situation zeigt die Notwendigkeit, Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz industrieller Prozesse zu ergreifen. Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit sind daher von höchster Relevanz für die mittelständische Industrie, um die Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Deutschland zu sichern.

Das SlipChip-Vorhaben hat die Entwicklung eines mikrofluidischen SlipChips zur schnellen Analyse komplexer Stoffgemische mittels online Anreicherung und zweidimensionaler Nano-Flüssigkeitschromatografie zum Ziel. Die Kombination von Probenvorbereitung und Trennung in einem lab-on-a-chip design führt zu einem signifikant gesenkten Bedarf an hochreinen organischen Lösemitteln, Arbeitszeit, Laborfläche und Verbrauchsgütern bei erhöhter Leistungsfähigkeit im Vergleich mit der klassischen LC-MS. Kern des Vorhabens ist die Entwicklung des modularen Chips, der mittels der Slip-Technologie reproduzierbar Substanzen im Nanoliterbereich dosieren kann, ohne dass hierfür Mikroventile oder Transferkapillaren benötigt werden. Für einen optimalen Ablauf des Vorhabens arbeiten die drei beteiligten Forschungsstellen branchenübergreifend eng zusammen, beginnend in der gemeinsamen Definition der Anforderungen an das System, Simulationsexperimenten, über die technische Realisierung und Validierung bis hin zur Evaluation der Leistungsfähigkeit des Systems im Vergleich mit klassischen Labormethoden.

Entwicklungen im mikrofluidischen Bereich sind gekennzeichnet von einem extrem hohen Finanzbedarf in der Entwicklungs- und Optimierungsphase, im Gegensatz zu der sehr günstigen Massenproduktion der finalen Produktentwicklung. Dieses Vorhaben ermöglicht KMU den Zugang zu einem flexibel einsetz- und anwendbaren mikrofluidischen System mit hohem wirtschaftlichem Potential. Das geschaffene Basiswissen wird fortführende Entwicklungen vereinfachen und das Innovationspotential der KMU nachhaltig und langfristig hoch halten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des hier beantragten Projektes wurde erstmals ein integriertes, mikrofluidisches Chip-System entwickelt und evaluiert, dass die schnelle Analyse komplexer Stoffgemische mittels Online-Anreicherung und 2D-nano-LC unter minimalem Ressourcenverbrauch erlaubt. Die Injektion der zu analysierenden Probe im Nanoliterbereich sowie gezielte Überführung reproduzierbarer Flüssigkeitsmengen von der ersten in die zweite chromatografische Trenndimension erfolgt ohne die Verwendung von Mikroventilen oder Transferkapillaren mit Hilfe eines SlipChip Ansatzes. Dadurch können einerseits Tot- und Transfervolumina im Analysesystem, welche zu einer Verminderung der Trennleistung führen, minimiert und andererseits die Problematik bezüglich der Ansprech- beziehungsweise Schaltzeit von chip-integrierten Ventilen umgangen werden. Die sensitive und selektive Detektion der aufgetrennten Probenbestandteile wurde mit Hilfe einer integrierten Nanoelektrospray-Schnittstelle realisiert, welche die totvolumenfreie Kopplung des Chips an ein beliebiges kommerzielles Elektrospray-MS ermöglicht.

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse können von einer Vielzahl von Unternehmen aus der Branche der Analysen-, Bio- und Labortechnik genutzt werden, um kundenspezifische Lösungen rund um die Aufarbeitung und Analytik komplexer Proben zu entwickeln. Multidimensionale Trenn- und Detektionstechniken werden zusehends in den Bereichen pharmazeutisch-klinische Analytik, Umweltanalytik sowie Bioanalytik eingesetzt. Das in diesem Projekt entwickelte Verfahren kann dazu genutzt werden, die Suche nach neuen Medikamenten und Wirkstoffen zu beschleunigen, indem neue Möglichkeiten der Aufreinigung, Analytik und Detektion in einem Verfahren kombiniert werden können.