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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.75.2010.tde-04102010-145000
Document
Author
Full name
Gabriela Rodrigues Mendes Duarte
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2010
Supervisor
Committee
Carrilho, Emanuel (President)
Mui, Tsai Siu
Thiemann, Otavio Henrique
Canduri, Fernanda
Silva, José Alberto Fracassi da
Title in Portuguese
Análises genéticas em sistemas microfabricados
Keywords in Portuguese
Análises genéticas
Diagnósticos de baixo custo
Microchip de PT
Microssistemas de análises totais
Abstract in Portuguese
A produção de microssistemas de análises totais (µTAS) tem sido objeto de esforços intensos pela comunidade científica. A necessidade de produção de uma plataforma que realize extração, amplificação e separação de DNA--um verdadeiro "lab on a chip"--é impulsionada pelas vantagens associadas com as análises em plataformas miniaturizadas. Esta Tese foca no desenvolvimento de métodos para análises de DNA em dispositivos microfluídicos que podem ser associados em µTAS. Inicialmente, foi feito o desenvolvimento de um novo método de extração em fase sólida em que a eficiência de extração depende da manipulação magnética das partículas e não do fluxo da solução através da fase sólida. A utilidade desta técnica em isolar DNA puro de alta qualidade (amplificável) a partir de uma amostra biológica complexa foi demonstrada através da purificação de DNA a partir de sangue total e a subsequente amplificação do fragmento do gene β-globina. A técnica descrita é rápida, simples e eficiente, permitindo uma recuperação de mais de 60% de DNA a partir de 600 nL de sangue em concentração suficiente para amplificação via reação em cadeia da polimerase (PCR). Após o desenvolvimento da extração dinâmica de DNA em fase sólida (dSPE) em microchip de vidro, o método foi adaptado para o uso em microchips de poliéster-toner (PT). Além da extração, a amplificação e separação de DNA também foram realizadas em microchips de PT. O processo convencional de fabricação dos dispositivos de PT produz canais com 12 µm de profundidade. Este trabalho descreve um novo processo de fabricação dos microchips de PT com canais mais profundos. Uma cortadora a laser de CO2 é usada para definir a estrutura desejada no filme de poliéster recoberto com toner. Estes filmes de poliéster recobertos com toner e os canais recortados são utilizados com partes intermediárias no microchip. A tampa e a base (filmes de poliéster) são laminadas juntamente com as partes intermediárias. Desta forma microchips com canais mais profundos podem ser criados. Microchips com 4 filmes de poliéster (base, tampa, e dois filmes centrais) foram utilizados para realizar dSPE. Estes microchips possuem canais com ~270 µm de profundidade. A dSPE adaptada para os microchips de PT demonstrou ser capaz de extrair eficientemente DNA (~65%), e o DNA purificado apresentou qualidade suficiente para PCR. A PCR realizada em microchips de PT demonstrou que os dispositivos de PT são compatíveis com os reagentes da PCR e o sucesso da reação de PCR foi demonstrado através da amplificação do fragmento de 520 pares de bases do λ-DNA. A possibilidade de manipular diferentes soluções que são necessárias para realizar a extração e a PCR demonstra o grande potencial desta plataforma para realizar análises genéticas. Além da extração e amplificação, a separação também foi demonstrada nos dispositivos de PT. Duas integrações foram feitas nos microchips de PT, dSPE-PCR e PCR-separação. Na primeira integração a dSPE e PCR foram realizadas em uma única câmara, e a amplificação do fragmento de 520 pb do λ-DNA foi demonstrada. Na segunda integração, o dispositivo foi fabricado com espessuras diferentes para os diferentes domínios. No domínio da PCR as câmaras possuem profundidade de ~270 µm de profundidade, e para o domínio da eletroforese os canais apresentam 12 µm de profundidade. A integração realizada sem válvulas foi demonstrada através da amplificação e detecção do fragmento de 520 pb do λ-DNA em um mesmo microchip. Este trabalho demonstra o grande potencial dos microchips de PT para produzir dispositivos descartáveis totalmente integrados para análise genética.
Title in English
Genetic analysis in microfabricated systems
Keywords in English
Genetic analysis
Low-cost diagnostics
Micro-total analysis system
Toner-based devices
Abstract in English
Efforts to develop a microfluidic-based total analysis system (µTAS) have been intense in the scientific community. The goal of achieving a device comprising DNA extraction, amplification, and detection in a single device, a true "lab on a chip," is driven by the substantial advantages associated with such a device. This Thesis focus on development of methods for DNA analysis on microdevices, that can be associated with µTAS. Sequentially, the first step was the development of a novel solid-phase extraction technique in which DNA is bound and eluted from magnetic silica beads in a manner that efficiency is dependent on the magnetic manipulation of the beads and not on the flow of solution through a packed bed. The utility of this technique in the isolation of reasonably pure, PCR-amplifiable DNA from complex samples is shown by isolating DNA from whole human blood, and subsequently amplifying a fragment of the β-globin gene. The technique described here is rapid, simple, and efficient, allowing for recovery of more than 60% of DNA from 600 nL of blood at a concentration which is suitable for PCR amplification. The second step was the use of polyester-toner (PT) microchips for DNA analysis (extraction, PCR and separation). The laser-printing of toner onto polyester films has been shown to be effective for generating PT microfluidic devices with channel depths on the order of 12 µm. We describe a novel and innovative process that allows for the production of multilayer PT microdevices with substantially larger channel depths. Utilizing a CO2 laser to create the microchannel in polyester sheets containing a uniform layer of printed toner, multilayer devices can easily be constructed by sandwiching the channel layer between uncoated cover sheets of polyester containing precut access holes. The process allows for the fabrication of channels several hundred microns in depth, with ~270 µm deep microchannels utilized here to demonstrate the effectiveness of multilayer PT microchips for dynamic solid phase extraction (dSPE) and PCR amplification. Dynamic SPE adapted for PT microchip was able to recover more than 65% of DNA from 600 nL of blood and the DNA was compatible with downstream microchip-based PCR amplification. The compatibility of PT microchips was demonstrated by successful amplification of a 520 bp fragment of λ-phage DNA. The ability to handle the diverse chemistries associated with DNA purtification and extraction is a testimony to potential utility of PT microchips beyond separations, and presents a promising new platform for genetic analysis that is low cost and easy to fabricate. Two integrations were carrying out on PT microchip, dSPE - PCR and PCR-ME. The first integration was made in a single chamber and the amplification of 520 bp fragment of λ-phage was demonstrated. The second integration describes a process that allows the production of a multidomain microchip with different channel depths for the different domains for genetic analysis. The final device was made by the conventional sandwiching of the four polyester films of the PCR domain with the two polyester films for the electrophoresis domain. The successful valveless integration of PCR and separation was demonstrated by amplification and detection of a 520 bp fragment of λ-phage DNA. This work shows the enormous potential of PT microchips to be used for total genetic analysis.
 
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Publishing Date
2011-03-29
 
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