رقاقة ميكروفلويديك لICPMS مقدمة عينة
Summary
نقدم نظام إدخال العينة قطيرة منفصلة عن بالحث البلازما الطيفي (ICPMS). لأنه يقوم على رقاقة ميكروفلويديك رخيصة ويمكن التخلص منها الذي يولد قطرات monodisperse غاية في نطاق حجم 40-60 ميكرومتر على ترددات من 90 إلى 7،000 هرتز.
Abstract
ويناقش هذا البروتوكول تصنيع واستخدام منخفضة التكلفة رقاقة ميكروفلويديك المتاح كنظام عينة مقدمة لبالحث البلازما الطيفي (ICPMS). رقاقة تنتج monodisperse قطرات العينة المائية في perfluorohexane (PFH). يمكن أن تختلف حجم وتواتر قطرات مائية في حدود 40 إلى 60 ميكرون ومن 90 إلى 7،000 هرتز، على التوالي. وطرد قطرات من رقاقة مع تدفق الثاني من PFH وتبقى على حالها خلال طرد. نظام desolvation مبنية خصيصا يزيل PFH وينقل قطرات في ICPMS. هنا، وإشارات مستقرة جدا مع توزيع كثافة ضيق يمكن قياسها، والتي تبين monodispersity من قطرات. وتبين لنا أن نظام إدخال يمكن استخدامها لتحديد الكمية الحديد في خلايا الدم الحمراء البقري واحدة. في المستقبل، وقدرات الجهاز مقدمة يمكن تمديدها بسهولة بالغة من خلال تكامل وحدات ميكروفلويديك إضافية.
Introduction
ويتم تحليل العناصر العينات السائلة بنسبة بالحث البلازما الطيفي (ICPMS) عادة خارج باستخدام الغمامات في تركيبة مع الغرف رذاذ كنظام مقدمة 1. في هذا النظام إدخال عينة يتم رش عينة من البخاخات لتوليد الهباء الجوي polydisperse. ويستخدم غرفة رذاذ المصب لتصفية قطرات كبيرة. ويرتبط هذا الأسلوب مع ارتفاع استهلاك العينة (> 0.3 مل دقيقة -1) 2 ونقل العينات غير مكتملة. وهكذا، يصبح غير عملي للتطبيقات حيث تتوفر أحجام عينة ميكروليتر الوحيد، كما هو الحال في الدراسات البيولوجية، الطب الشرعي، والسمية والسريرية 3. للحد من استهلاك عينة، تم تطوير الغمامات مع أبعاد أصغر فوهة 3. ومع ذلك، فإن تخفيض حجم فوهة يزيد من خطر انسداد عند عينات من السوائل البيولوجية عسر الهضم أو حلول الملح تتركز يجب أن يتم تحليلها 3.
<p class="واقترح" "jove_content"> وهناك نهج مختلف لعينة مقدمة من قبل Olesik وآخرون. 4. حقن المؤلفين السائل إلى ICPMS في شكل microdroplets منفصلة monodisperse، التي أنتجت من قبل micropump مدفوعة بيزو-كهربائيا. على الرغم من أن هذا النظام ذاته لم يجد تطبيق واسع، أنه قد شرع في مزيد من مفهوم مقدمة قطرات منفصلة في ICPMS التنمية. اليوم، مدفوعة بيزو-كهربائيا النظم، والذي يمكن أن تولد قطرات في حجم 30، 50، 70 و 100 ميكرون وعلى ترددات من 100-2،000 هرتز الاستغناء، ويمكن شراؤها. ويمكن نقل قطرات في ICPMS مع ما يقرب من كفاءة 100٪ 5. وقد طبقت هذه موزعات microdroplet لقياس كميا النانوية واحدة 5،6 فضلا عن تميز الخلايا البيولوجية الفردية (7). تم اختبار نظام مماثل يقوم على تقنية نفث الحبر الحرارية 8 لتحليل العينات البيولوجية 9. على الرغم من أن افاعيأنظمة قطرة مقدمة واحدة علامة مميزة هي فعالة جدا، ويمكن استخدامها لأحجام عينة صغيرة واعدة لتحليل النانوية والخلايا، لديهم العديد من القيود. لحجم فوهة ثابت، حجم القطيرات يمكن أن تختلف إلا قليلا (ما لم يتم استخدام إعدادات مخصصة 10). التغيرات في الخصائص الفيزيائية للسائل (درجة الحموضة ومحتوى الملح) يمكن أن يغير خصائص الحبرية (الحجم، وسرعة الحقن). أيضا، وهذه الأجهزة غالية الثمن نوعا ما، عرضة للانسداد وصعبة التنظيف.طريقة أخرى لتوليد قطرات من المعروف في مجال قطيرة على microfluidics 11. في السنوات الأخيرة اكتسبت قطيرة على microfluidics الفائدة ل(الحيوي) التفاعلات الكيميائية 12-15 وللدراسات وحيدة الخلية 16،17. بالإضافة إلى ذلك، تم تطبيق هذه التقنية لإدخال العينات في التأين electrospray الطيف الكتلي 18،19 وإعداد العينات في مصفوفة بمساعدة الليزر الامتزاز / ionizatioن مطياف الكتلة 20،21.
في الآونة الأخيرة، قدمنا نظام يقوم ميكروفلويديك لإدخال عينة في ICPMS 22. المكون الرئيسي للنظام مقدمة لدينا هو السائل بمساعدة قطرات طرد (LADE) رقاقة. يتكون هذه الشريحة تماما من بولي (dimethylsiloxane) (PDMS). في أول قناة تقاطع تدفق يستخدم مع التركيز على توليد قطرات monodisperse من محلول العينة مائي (الشكل 1). لهذا الغرض يتم استخدام (نقطة الغليان من 58-60 ° C 23) شديدة التقلب والناقل إمتزاج المرحلة perfluorohexane (PFH) (الشكل 1). هذه الخصائص PFH تمكن جيل قطرة مستقر وإزالة سريعة للمرحلة الناقل. التغييرات في خصائص تأثير السائل عينة هذه الطريقة جيل أقل، مقارنة مولدات قطرة أخرى. حجم القطيرات هو قابل للتعديل على نطاق واسع عن طريق تغيير معدلات التدفق من المرحلة المائية وPFH. في secondar المصبذ تقاطع، يضاف المزيد من PFH لزيادة سرعة تدفق إلى 1 متر على الأقل ثانية -1. في هذه السرعة يمكن إخراج السائل من رقاقة في طائرة مستقرة ومستقيمة (الشكل 1) دون تدمير الحبرية (الشكل 1 الشكل). هذا التصميم المزدوج تقاطع يسمح السيطرة على الاستقرار طائرة مستقلة عن الجيل الحبرية. ويتم نقل قطرات إلى ICPMS مع نظام النقل المخصصة. ويتألف هذا النظام أنبوب هبوط وdesolvator غشاء لإزالة PFH. والمتأينة بقايا المجففة من قطرات مائية في وقت لاحق في البلازما من ICPMS والتدابير للكشف عن كتلة أيونات. الجزء الأمامي من الشريحة هو ضمان اتصال ضيق مع نظام النقل قطيرة على شكل برميل. طرد من العينة المائية كما قطرات في PFH هو مفيد، لأن الاتصال مع فوهة وتجنبها. هذا يقلل بشكل كبير من خطر انسداد فوهة، والتي يمكن أن يكون مشكلة عند العمل مع تعليق خلية أو زملاءحلول الملح ncentrated. رقائق LADE، ملفقة من قبل PDMS الطباعة الحجرية الناعمة، رخيصة (2 تكلفة المواد دولار تقريبا في رقاقة)، يمكن التخلص منها وسهلة لتعديل. في تركيبة مع تلفيق يتطلب سوى كمية صغيرة من العمل اليدوي لا يمكن أن يؤديها كل تجربة مع شريحة جديدة. لذلك، ليست هناك حاجة لتنظيف شاقة ويتم التقليل من التلوث عبر.
هنا، يتم وصف تلفيق رقاقة LADE بواسطة الطباعة الحجرية الناعمة وتطبيقه لICPMS. وتعرض نماذج من القياسات مع محلول مائي وتعليق خلية.
Protocol
Representative Results
Discussion
على الرغم من أن تصنيع رقائق هو موثوق بها جدا وهناك بعض النقاط الحرجة خلال تلفيق التي تتطلب اهتماما خاصا. أولا، والنظافة خلال التجمع مهمة للغاية لمنع التلوث من الشريحة من الغبار. الغبار يمكن أن تسد القنوات ومنع جيل قطرة مستقر. ثانيا، من المهم بصفة خاصة أن الطرف هو قطع م…
Disclosures
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).
