En Mikrofluid Chip for ICPMS Sample Introduktion
Summary
Vi præsenterer en diskret dråbe prøve introduktion for induktivt koblet plasma massespektrometri (ICPMS). Den er baseret på en billig og disponibel mikrofluid chip, der genererer meget monodisperse dråber i et størrelsesområde på 40-60 um ved frekvenser fra 90 til 7.000 Hz.
Abstract
Denne protokol beskrives fremstilling og anvendelse af en engangs lav pris mikrofluid chip som prøveintroduktion for induktivt koblet plasma massespektrometri (ICPMS). Chippen producerer monodisperse vandige dråber prøve i perfluorhexan (PFH). Størrelsen og hyppigheden af de vandige dråber kan varieres i intervallet 40 til 60 um og fra 90 til 7.000 Hz, hhv. Dråberne udstødes fra chippen med en anden strøm af PFH og forbliver intakte under udkastning. En specialbygget desolvation systemet fjerner PFH og transporterer dråberne ind i ICPMS. Her kan måles meget stabile signaler med en smal intensitetsfordeling, og viser monodispersitet af dråberne. Vi viser, at indførelsen kan anvendes til kvantitativt at bestemme jern i enkelt bovine røde blodlegemer. I fremtiden kan mulighederne i introduktionen enheden nemt forlænges med integrationen af yderligere mikrofluide moduler.
Introduction
Grundstofanalyse af væskeprøver ved induktivt koblet plasma massespektrometri (ICPMS) er almindeligvis udført ved anvendelse af forstøvere i kombination med spray kamre som introduktion system 1. I denne prøve introduktion systemet prøven sprøjtes med en forstøver til at generere en polydispers aerosol. En downstream sprøjtekammer anvendes til at bortfiltrere store dråber. Denne fremgangsmåde er forbundet med et højt forbrug prøve (> 0,3 ml min -1) 2 og en ufuldstændig prøve transport. Således bliver det upraktisk til anvendelser, hvor der kun mikroliter prøvevolumen er tilgængelige, som i biologiske, retsmedicinske, toksikologiske og kliniske forsøg 3. For at reducere forbruget prøven blev forstøvere med mindre dyse dimensioner udviklet 3. Men den reducerede dysestørrelse øger risikoen for tilstopning, når prøver af ufordøjede biologiske væsker eller koncentrerede saltopløsninger analyseres 3.
<p class="Jove_content"> en anden tilgang til introduktion prøve blev foreslået af Olesik et al. 4. Forfatterne indsprøjtet en væske i ICPMS i form af monodisperse diskrete mikrodråber, som blev produceret af en piezo-elektrisk drevet Mikropumpe. Selvom dette meget systemet ikke finde bred anvendelse, indledte den videre udvikling af konceptet diskrete dråbe introduktion i ICPMS. Dag, piezo-elektrisk drevet dispensering systemer, der kan generere dråber i størrelse på 30, 50, 70 og 100 um og ved frekvenser på 100-2,000 Hz, kan købes. Dråberne kan transporteres i ICPMS med tæt på 100% effektivitet 5. Disse mikrodråber dispensere er blevet anvendt til kvantitativ måling af enkelte nanopartikler 5,6 samt karakterisering individuelle biologiske celler 7. Et lignende system baseret på termisk inkjet-teknologi 8 blev testet for analyse af biologiske prøver 9. Selvom available enkelt dråbe Indledning systemer er meget effektive, kan anvendes til små prøvevolumener og er lovende for analyse af nanopartikler og celler, de har flere begrænsninger. For en fast dyse størrelse, kan dråbestørrelsen varieres kun lidt (medmindre brugerdefinerede indstillinger bruges 10). Ændringer i de fysiske egenskaber af væsken (pH, saltindhold) kan ændre dråbe egenskaber (størrelse, injektion hastighed). Også disse enheder er temmelig dyre, tilbøjelige til tilstopning og er vanskelige at rengøre.En anden metode til at generere dråber er kendt inden for dråbe mikrofluidik 11. I de seneste år dråbe mikrofluidik har fået interesse for (bio-) kemiske reaktioner 12-15 og encellede undersøgelser 16,17. Desuden blev denne teknik anvendes til at indføre prøver i elektrosprayionisering massespektrometri 18,19 og til fremstilling af prøver i matrix-assisteret laser desorption / ionization massespektrometri 20,21.
For nylig har vi indført et mikrofluidsystem baseret system til introduktion prøve i ICPMS 22. Det centrale element i vores introduktion system er den væske, bistået udstødning af dråber (LADE) chip. Denne chip består fuldstændigt af poly (dimethylsiloxan) (PDMS). I den første kanal krydset flow fokusering anvendes til at generere monodisperse dråber af en vandig prøveopløsning (figur 1). Til dette formål meget flygtige (kogepunkt 58-60 ° C 23) og ikke-blandbar bærer fase perfluorhexan (PFH) anvendes (figur 1). Disse PFH egenskaber muliggør en stabil dråbe generation og hurtig fjernelse af bæreren fase. Ændringer i egenskaberne af prøvevæsken indflydelse denne generation metode mindre sammenlignet med andre dråbe generatorer. Dråbestørrelsen er indstillelig over et bredt område ved at ændre strømningshastighederne for den vandige fase og PFH. I en nedstrøms secondary junction er mere PFH tilsættes for at forøge strømningshastigheden til mindst 1 m sek -1. På denne hastighed kan udstødes væsken fra chippen i en stabil og lige stråle (figur 1) uden ødelæggelse dråbe (figur 1 indsat). Denne dobbelte-kryds design gør at styre jet stabilitet uafhængigt af dråber generation. Dråberne transporteres til ICPMS med en tilpasset transportsystem. Dette system omfatter en faldende rør og en membran desolvator at fjerne PFH. De tørrede rester af de vandige dråber efterfølgende ioniseret i plasmaet af ICPMS og en massedetektor foranstaltninger ionerne. Den forreste del af chippen er tøndeformet at sikre en tæt forbindelse med dråben transportsystem. Udstødning af den vandige prøve som dråber i PFH er gavnligt, fordi kontakt med dysen undgås. Dette mindsker risikoen for tilstopning af dyser, som kan være et problem, når man arbejder med cellesuspensioner eller co betydeligtncentrated saltopløsninger. De LADE chips, fremstillet af PDMS bløde litografi, er billige (materialeomkostninger ca $ 2 per chip), disponible og let at ændre. I kombination med fabrikation, som kun kræver en lille mængde af manuelt arbejde kan udføres hvert eksperiment med en ny chip. Derfor er en besværlig rensning ikke nødvendig og krydskontaminering minimeres.
Her bliver fremstillingen af LADE chip med blød litografi og sin ansøgning om ICPMS beskrevet. Eksempler på målinger med en vandig opløsning og en cellesuspension præsenteres.
Protocol
Representative Results
Discussion
Selv om fremstillingen af chips er meget pålidelig der er nogle kritiske punkter i løbet af fabrikation, der kræver særlig opmærksomhed. Først renlighed under samlingen er meget vigtigt at forhindre forurening af chippen ved støv. Støvet kan blokere kanalerne og forhindre en stabil dråbe generation. For det andet, er det særligt vigtigt, at spidsen er skåret vinkelret på dysen kanal. Vinklen af snittet stærk indflydelse på udstødning vinkel. Hvis væsken udstødes i en vinkel, kan medføre et …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the European Research Council (ERC Starting Grant nμLIPIDS, No. 203428) and ETH Zurich (project number: ETH-49 12-2). The authors of this manuscript would like to thank Bodo Hattendorf for help with the ICP-MS and F. Kurth for cell counting. The authors also would like to thank Christoph Bärtschi and Roland Mäder for their support with building the mechanical setup. The clean room facility FIRST at ETH Zurich is acknowledged for support in microfabrication.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Silicon wafer 100 mm | Si-Mat (Kaufering, Germany) | n. a. | |
| SU-8 2002 | Microchem Corp. (Massachusetts, U.S.A.) | n.a. | |
| SU-8 2050 | Microchem Corp. (Massachusetts, U.S.A.) | n.a. | |
| Acetone | Merk VWR (Darmstadt, Germany) | 100014 | |
| MR-developer 600 | Microresist Technology GmbH (Berlin, Germany) | n. a. | |
| Isopropanol | Merk VWR (Darmstadt, Germany) | 109634 | |
| 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltrichlorosilane | ABCR-Chemicals (Karlsruhe, Germany) | AB111155 | |
| Sylgard 184 silicone elastomer kit (PDMS) | Dow Corning (Michigan, U.S.A.) | 39100000 | |
| Perfluorohexane 99% | Sigma-Aldrich (Missouri, U.S.A.) | 281042 | |
| FC-40 | ABCR-Chemicals (Karlsruhe, Germany) | AB103511 | |
| Phosphate-buffered saline | Life Technologies (Paisley, U.K.) | 10010-015 | |
| Red blood cells in phosphate-buffered saline | Rockland Immunochemicals Inc. (Pennsylvania, U.S.A.) | R400-0100 | |
| Single-element standard solutions Na, Fe | Inorganic Ventures (Virginia, U.S.A.) | n. a. | |
| Multielement standard solution | Merck Millipore (Massachusetts, U.S.A.) | IV | |
| Nitric acid | Sub-boiled | n. a. | |
| Ultrahigh-purity water | Merck Millipore (Massachusetts, U.S.A.) | n. a. | |
| Name of Equipment | |||
| Hot plate HP 160 III BM | Sawatec (Sax, Switzerland) | n. a. | used for wafer preparation |
| Spin modules SM 180 BM | Sawatec (Sax, Switzerland) | n. a. | used for wafer preparation |
| MA-6 mask aligner | Süss MicroTec (Garching, Germany) | n. a. | |
| High resolution film photomask | Microlitho (Essex, U.K.) | n. a. | |
| Step profiler Dektak XT advanced | Bruker (Massachusetts, U.S.A.) | n. a. | |
| Hot plate MR 3002 | Heidolph (Schwabach, Germany) | n. a. | used for replica molding |
| 1.5 mm biopsy puncher | Miltex (Pennsylvania, U.S.A.) | 33-31AA/33-31A | |
| Spin coater WS-400 BZ-6NPP/LITE | Laurell (Pennsylvania, U.S.A.) | n. a. | used for adhesive bonding |
| Syringe pump neMESYS | Cetoni (Korbussen, Germany) | n. a. | |
| 1 mL syringe | Codan (Lensahn, Germany) | 62.1002 | |
| 5 mL syringe | B. Braun (Melsungen, Germany) | 4606051V | |
| PTFE tubing | PKM SA (Lyss, Switzerland) | PTFE-AWG-TFT20.N | |
| Quadrupole-based ICPMS ELAN6000 | PerkinElmer (Massachusetts, U.S.A.) | n. a. | |
| Membrane desolvator CETAC6000AT+ | CETAC Technologies (Nebraska, U.S.A.) | n. a. | only the desolvator unit is used |
| High speed camera Miro M110 | Vision Research (New Jersey, U.S.A.) | n. a. | |
| Data analysis program Origin pro | OriginLab Corp. (Massachusetts, U.S.A.) | version 8.6 | |
| Microscope | Olympus (Tokyo, Japan) | IX71 |
References
- Todoli, J. -. L., Mermet, J. -. M. . Liquid sample introduction in ICP spectrometry: A Practical Guide. , 10-1016 (2008).
- Sutton, K. L., B’Hymer, C., Caruso, J. A. Ultraviolet absorbance and inductively coupled plasma mass spectrometric detection for capillary electrophoresis – A comparison of detection modes and interface designs. J. Anal. At. Spectrom. 13 (9), 885-891 (1998).
- Todoli, J. -. L., Mermet, J. -. M. Sample introduction systems for the analysis of liquid microsamples by ICP-AES and ICP-MS. Spectrochim. Acta, Part B. 61 (3), 239-283 (2006).
- Olesik, J. W., Hobbs, S. E. Monodisperse dried microparticulate injector – A new tool for studying fundamental processes in inductively-coupled plasma. Anal. Chem. 66 (20), 3371-3378 (1994).
- Gschwind, S., Hagendorfer, H., Frick, D. A., Günther, D. Mass quantification of nanoparticles by single droplet calibration using inductively coupled plasma mass spectrometry. Anal. Chem. 85 (12), 5875-5883 (2013).
- Garcia, C. C., Murtazin, A., Groh, S., Horvatic, V., Niemax, K. Characterization of single Au and SiO2 nano- and microparticles by ICP-OES using monodisperse droplets of standard solutions for calibration. J. Anal. At. Spectrom. 25 (5), 645-653 (2010).
- Shigeta, K., et al. Sample introduction of single selenized yeast cells (Saccharomyces cerevisiae) by micro droplet generation into an ICP-sector field mass spectrometer for label-free detection of trace elements. J. Anal. At. Spectrom. 28 (5), 637-645 (2013).
- Orlandini v. Niessen, J. O., Schaper, J. N., Petersen, J. H., Bings, N. H. Development and characterization of a thermal inkjet-based aerosol generator for micro-volume sample introduction in analytical atomic spectrometry. J. Anal. At. Spectrom. 26 (9), 1781-1789 (2011).
- Orlandini v. Niessen, J. O., Petersen, J. H., Schaper, J. N., Bings, N. H. Comparison of novel and conventional calibration techniques for the analysis of urine samples using plasma source mass spectrometry combined with a new dual-drop-on-demand aerosol generator. J. Anal. At. Spectrom. 27 (8), 1234-1244 (2012).
- Shigeta, K., et al. Application of a micro-droplet generator for an ICP-sector field mass spectrometer – optimization and analytical characterization. J. Anal. At. Spectrom. 28 (5), 646-656 (2013).
- Teh, S. -. Y., Lin, R., Hung, L. -. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a Chip. 8 (2), 198-220 (2008).
- Zheng, B., Tice, J. D., Ismagilov, R. F. Formation of arrayed droplets by soft lithography and two-phase fluid flow, and application in protein crystallization. Adv. Mater. 16 (15), 1365-1368 (2004).
- Theberge, A. B., et al. Microfluidic platform for combinatorial synthesis in picolitre droplets. Lab Chip. 12 (7), 1320-1326 (2012).
- Li, L., et al. Nanoliter microfluidic hybrid method for simultaneous screening and optimization validated with crystallization of membrane proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103 (51), 19243-19248 (2006).
- Zhang, Q., Liu, X., Liu, D., Gai, H. Ultra-small droplet generation via volatile component evaporation. Lab Chip. 14 (8), 1395-1400 (2014).
- Baret, J. C., Beck, Y., Billas-Massobrio, I., Moras, D., Griffiths, A. D. Quantitative cell-based reporter gene assays using droplet-based microfluidics. Chem. Biol. 17 (5), 528-536 (2010).
- Brouzes, E., et al. Droplet microfluidic technology for single-cell high-throughput screening. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106 (34), 14195-14200 (2009).
- Pei, J., Li, Q., Lee, M. S., Valaskovic, G. A., Kennedy, R. T. Analysis of samples stored as individual plugs in a capillary by electrospray ionization mass spectrometry. Anal. Chem. 81 (15), 6558-6561 (2009).
- Kelly, R. T., Page, J. S., Marginean, I., Tang, K., Smith, R. D. Dilution-free analysis from picoliter droplets by nano-electrospray ionization mass spectrometry. Angew. Chem., Int. Ed. 48 (37), 6832-6835 (2009).
- Küster, S. K., et al. Interfacing droplet microfluidics with matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry: label-free content analysis of single droplets. Anal. Chem. 85 (3), 1285-1289 (2013).
- Pabst, M., Jefimovs, K., Zenobi, R., Dittrich, P. S. High-Resolution Droplet-Based Fractionation of Nano-LC Separations onto Microarrays for MALDI-MS Analysis. Analytical Chemistry. 86 (10), 4848-4855 (2014).
- Verboket, P. E., Borovinskaya, O., Meyer, N., Günther, D., Dittrich, P. S. A New Microfluidics-Based Droplet Dispenser for ICPMS. Analytical Chemistry. 86 (12), 6012-6018 (2014).
- Ammerman, C. N., You, S. M. Determination of the boiling enhancement mechanism caused by surfactant addition to water. J. Heat Transfer. 118 (2), 429-435 (1996).
- Samel, B., Chowdhury, M. K., Stemme, G. The fabrication of microfluidic structures by means of full-wafer adhesive bonding using a poly(dimethylsiloxane) catalyst. J Micromech Microeng. 17 (8), 1710-1714 (2007).
- Basu, A. S. Droplet morphometry and velocimetry (DMV): a video processing software for time-resolved, label-free tracking of droplet parameters. Lab Chip. 13 (10), 1892-1901 (2013).
- Dziewatkoski, M. P., Daniels, L. B., Olesik, J. W. Time-resolved inductively coupled plasma mass spectrometry measurements with individual, monodisperse drop sample introduction. Anal. Chem. 68 (7), 1101-1109 (1996).
- Abate, A. R., Hung, T., Mary, P., Agresti, J. J., Weitz, D. A. High-throughput injection with microfluidics using picoinjectors. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107 (45), 19163-19166 (2010).
- Bremond, N., Thiam, A. R., Bibette, J. Decompressing emulsion droplets favors coalescence. Phys. Rev. Lett. 100 (2), 024501 (2008).
- Niu, X., Gulati, S., Edel, J. B., deMello, A. J. Pillar-induced droplet merging in microfluidic circuits. Lab Chip. 8 (11), 1837-1841 (2008).
- Song, H., Ismagilov, R. F. Millisecond kinetics on a microfluidic chip using nanoliters of reagents. J. Am. Chem. Soc. 125 (47), 14613-14619 (2003).
- Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microflulidic channels. Angew. Chem., Int. Ed. 45 (44), 7336-7356 (2006).
- Lombardi, D., Dittrich, P. S. Droplet microfluidics with magnetic beads: a new tool to investigate drug-protein interactions. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 347-352 (2011).
- Edgar, J. S., et al. Compartmentalization of chemically separated components into droplets. Angew. Chem., Int. Ed. 48 (15), 2719-2722 (2009).
- Edgar, J. S., et al. Capillary electrophoresis separation in the presence of an immiscible boundary for droplet analysis. Anal. Chem. 78 (19), 6948-6954 (2006).
- Baret, J. C., et al. Fluorescence-activated droplet sorting (FADS): efficient microfluidic cell sorting based on enzymatic activity. Lab Chip. 9 (13), 1850-1858 (2009).
- Agresti, J. J., et al. Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107 (9), 4004-4009 (2010).
