Eines mikrofluidischen Chips für ICPMS Probenaufgabe
Summary
Wir präsentieren eine diskrete Tröpfchen Probeneinführungssystem für induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS). Es basiert auf einem günstigen und Einweg-Mikrofluidik-Chip, hochmonodispersen Tröpfchen von 90 bis 7000 Hz erzeugt in einem Größenbereich von 40 bis 60 & mgr; m bei Frequenzen basiert.
Abstract
Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und Verwendung einer Einweg kostengünstige Mikrofluid-Chip als Probeneinführungssystem für induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS). Der Chip erzeugt monodisperse wässrige Probentröpfchen in Perfluorhexan (PFH). Größe und Frequenz der wässrigen Tröpfchen im Bereich von 40 bis 60 & mgr; m und von 90 bis 7000 Hz verändert werden kann, auf. Die Tröpfchen werden von dem Chip mit einem zweiten Strom von PFH ausgeworfen und während der Ausstoß intakt bleiben. Ein speziell angefertigten Desolvatation System entfernt den PFH und transportiert die Tröpfchen in den ICPMS. Dabei können sehr stabile Signale mit einem schmalen Intensitätsverteilung gemessen werden und zeigt die Monodispersität der Tröpfchen. Wir zeigen, daß das Einführungssystem kann verwendet werden, um quantitativ Eisen im einzelnen roten Rinderblutzellen. In Zukunft kann die Fähigkeiten der Einführungsvorrichtung leicht durch die Integration zusätzlicher mikrofluidische Module erweitert werden.
Introduction
Die Elementaranalyse von flüssigen Proben durch induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) wird üblicherweise unter Verwendung von Zerstäubern mit Sprühkammern als Einführungssystem 1 durchgeführt in Kombination. In diesem Probeneinführungssystem wird die Probe durch einen Zerstäuber gesprüht, um eine polydisperse Aerosol zu erzeugen. Ein nachgeschalteter Sprühkammer wird verwendet, um herauszufiltern, große Tropfen. Diese Methode wird mit hohem Probenverbrauch (> 0,3 ml min -1) 2 und einer unvollständigen Probentransport verbunden. Somit wird es unpraktisch für Anwendungen, bei denen nur Mikroliter Probenmengen zur Verfügung stehen, wie in biologischen, Forensik, toxikologische und klinische Studien 3. Um das Beispiel Verbrauch zu reduzieren, wurden Vernebler mit kleineren Düsenabmessungen entwickelt 3. Allerdings erhöht die reduzierte Düsengröße das Risiko von Verstopfungen, wenn die Proben von unverdauten biologischen Flüssigkeiten oder konzentrierten Salzlösungen müssen analysiert werden 3.
<p class="Jove_content"> Ein anderer Ansatz für die Probenaufgabe wurde von Olesik et al. 4 vorgeschlagen. Die Autoren injiziert einer Flüssigkeit in ICP-MS in Form monodisperser diskrete Mikrotröpfchen, die von einer piezoelektrisch angetriebenen Mikropumpe hergestellt. Auch wenn dieses System nicht sehr breite Anwendung finden, leitete sie die Weiterentwicklung des Konzepts der diskreten Tröpfchen Einführung in ICPMS. Heute piezoelektrisch angetriebenen Abgabesysteme, die Tröpfchen in der Größe von 30, 50, 70 und 100 & mgr; m und bei Frequenzen von 100-2000 Hz erzeugen kann, können erworben werden. Die Tröpfchen können in ICP-MS mit nahezu 100% Effizienz 5 transportiert werden. Diese Mikrotröpfchen Spender haben zur quantitativen Messung einzelner Nanopartikel 5,6 sowie die Charakterisierung einzelner biologischer Zellen 7 angewendet. Ein ähnliches System, basierend auf die thermische Tintenstrahltechnologie 8 wurde für die Analyse von biologischen Proben 9 getestet. Obwohl der avaiLabel einzelnen Tröpfchens Einführung Systeme sind sehr effizient, kann für kleine Probenvolumina verwendet werden und sind vielversprechend für die Analyse von Nanopartikeln und Zellen, haben sie einige Einschränkungen. Bei einer festen Düsengröße kann die Tröpfchengröße nur geringfügig verändert werden (es sei denn, die benutzerdefinierten Einstellungen werden verwendet, 10). Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit (pH-Wert, Salzgehalt) kann die Tröpfchen Eigenschaften (Größe, Einspritzgeschwindigkeit) zu ändern. Auch sind diese Vorrichtungen relativ teuer, anfällig für Verstopfungen und sind schwer zu reinigen.Ein anderes Verfahren, um Tröpfchen zu erzeugen, ist im Bereich der Tröpfchen Mikrofluidik 11 bekannt. In den letzten Jahren hat Tröpfchen Mikrofluidik Interesse für (bio-) chemische Reaktionen 12 bis 15 und für die Einzelzellstudien 16,17 gewonnen. Zusätzlich wurde diese Technik zur Einführung Proben in Elektrospray-Ionisation Massenspektrometrie 18,19 und zur Herstellung von Proben in Matrix-unterstützte Laser-Desorption / ionizatio angewendetn Massenspektrometrie 20,21.
Vor kurzem haben wir eine mikrofluidische basiertes System für die Probenaufgabe in ICPMS 22. Die Schlüsselkomponente unserer Einführungssystem ist die Flüssigkeit unterstützt Tröpfchenausstoß (LADE) Chip. Dieser Chip ist vollständig aus Poly (dimethylsiloxan) (PDMS). In dem ersten Kanal-Sperrschicht fließen Fokussierung verwendet wird, um monodisperse Tröpfchen einer wässrigen Probelösung (Figur 1) zu erzeugen. Dazu wird die hohe Volatilität (Siedepunkt von 58-60 ° C 23) und nicht mischbare Trägerphase Perfluorhexan (PFH) verwendet (Abbildung 1). Diese PFH Eigenschaften ermöglichen eine stabile Tropfenerzeugung und schnelle Entfernung der Trägerphase. Die Eigenschaften der Probenflüssigkeit Einfluß dieser Generation Verfahren weniger, im Vergleich zu anderen Tröpfchengeneratoren. Die Tröpfchengröße ist über einen weiten Bereich einstellbar durch Veränderung der Durchsätze der wässrigen Phase und der PFH. In einem nachgeschalteten NEBENTy Kreuzung weiter PFH wird zugegeben, um die Fließgeschwindigkeit von mindestens 1 m sec -1 zu erhöhen. Bei dieser Geschwindigkeit kann die Flüssigkeit aus dem Chip in einer stabilen und geraden Strahl (1) ohne Tröpfchen Zerstörung (Abbildung 1 Einschub) ausgeworfen. Das Double-Junction-Design ermöglicht die Steuerung der Strahlstabilität unabhängig von der Tropfenerzeugung. Die Tröpfchen werden an den ICP-MS mit einem kundenTransportSystem transportiert. Dieses System besteht aus einem Fallrohr und eine Membran desolvator die PFH entfernen. Die getrockneten Rückstände der wßrigen Tröpfchen werden anschließend in dem Plasma der ICP-MS und einem Massendetektor misst die Ionen ionisiert. Der vordere Teil des Chips ist tonnenförmig, um eine enge Verbindung mit der Tröpfchentransportsystem zu gewährleisten. Das Ausstoßen der wässrigen Probe in Form von Tröpfchen in PFH ist vorteilhaft, weil der Kontakt mit der Düse vermieden wird. Dies erhöht das Risiko der Düsenverstopfung, was ein Problem beim Arbeiten mit Zellsuspensionen oder Co sein kann, senkt erheblichncentrated Salzlösungen. Die LADE-Chips, von PDMS hergestellt Softlithographie, sind billig (Materialkosten ca. $ 2 pro Chip), Einweg- und einfach zu verändern. In Verbindung mit der Herstellung, die nur einen geringen Anteil an Handarbeit erfordern, können jedes Experiment mit einem neuen Chip durchgeführt werden. Daher wird eine aufwendige Reinigung nicht erforderlich und Kreuzkontamination minimiert wird.
Hier wird die Herstellung des LADE-Chip von Softlithographie und ihre Anwendung für ICPMS beschrieben. Beispiele von Messungen mit einer wässrigen Lösung und einer Zellsuspension werden vorgestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Obwohl die Herstellung der Chips ist sehr zuverlässig sind einige kritische Punkte bei der Herstellung, die besondere Aufmerksamkeit erfordern. Erstens ist die Sauberkeit bei der Montage sehr wichtig, um eine Kontamination des Chips durch Staub zu verhindern. Der Staub kann die Kanäle zu blockieren und verhindern eine stabile Tropfenerzeugung. Zweitens, ist es besonders wichtig, dass die Spitze senkrecht zur Düsenkanal geschnitten wird. Der Winkel des Schnittes beeinflusst stark die Ausstoßwinkel. Wenn die Flüssigk…
Divulgazioni
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 |
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