Summary
Vi presenterer en diskret dråpe prøve innføring system for induktivt koplet plasma massespektrometri (ICPMS). Den er basert på en billig og disponibel mikrofluid chip som genererer svært monodisperse dråper i et størrelsesområde på 40-60 um ved frekvenser fra 90 til 7000 Hz.
Abstract
Denne protokollen beskriver fremstillingen og bruken av en engangs lav kostnad mikrofluid chip som prøve innføring system for induktivt koblet plasma massespektrometri (ICPMS). Brikken produserer monodisperse vandige prøvedråper i perfluorheksan (PFH). Størrelse og frekvens av de vandige dråper kan varieres i området fra 40 til 60 um og fra 90 til 7000 Hz, respektivt. Dråpene sprøytes ut fra brikken med en andre strøm av PFH og forbli intakt under utstøtningen. Et spesialtilpasset desolvation system fjerner PFH og transporterer dråpene inn i ICPMS. Her kan meget stabile signaler med en smal intensitetsfordeling måles, som viser monodispersitet av dråpene. Vi viser at innføringen systemet kan brukes til å kvantitativt bestemme jern i enkle bovine røde blodlegemer. I fremtiden kan egenskapene til innføringen enhet enkelt utvides ved integrering av flere microfluidic moduler.
Introduction
Elementanalyse av væskeprøver ved induktivt koblet plasma-massespektrometri (ICPMS) blir vanligvis utført ved anvendelse av forstøvere i kombinasjon med spraykammer som innføring systemet 1. I denne prøven innføring systemet prøven sprøytes med en forstøver for å generere en polydispers aerosol. En nedstrøms sprøytekammeret blir brukt til å filtrere ut store dråper. Denne fremgangsmåte er forbundet med høy prøve forbruk (> 0,3 ml min-1) 2 og en ufullstendig prøvetransport. Dermed blir det upraktisk for applikasjoner der bare mikroliter prøvevolumer er tilgjengelige, som i biologiske, retts, toksikologiske og kliniske studier 3. Å redusere prøven forbruk, ble nebulizers med mindre dysedimensjonene utviklet tre. Imidlertid øker størrelsen reduseres dyse risikoen for tilstopping når prøver av ufordøyde biologiske væsker eller konsentrerte saltløsninger må analyseres 3.
<p class="Jove_content"> En annen tilnærming for prøve introduksjon ble foreslått av Olesik et al. 4. Forfatterne injiseres en væske inn ICPMS i form av monodisperse diskrete mikrodråper, som ble produsert av en piezo-elektrisk drevet mikropumpe. Selv om dette svært systemet ikke fant bredt program, det innledet den videre utviklingen av konseptet med diskrete dråpe innføring i ICPMS. I dag er piezo-elektrisk drevet dispenseringssystemer, som kan generere små dråper i størrelse på 30, 50, 70 og 100 um, og ved frekvenser på 100-2,000 Hz, kan kjøpes. Dråpene kan bli transportert inn ICPMS med nær 100% effektivitet fem. Disse mikrodråpe dispensere er anvendt for kvantitativ måling av enkeltnanopartikler 5,6 samt karakterisere individuelle biologiske celler 7. Et lignende system basert på termisk blekkskriverteknologi 8 ble testet for analyse av biologiske prøver ni. Selv om tilgjenglable enkeltdråpe innføring systemer er svært effektive, kan bli brukt for små prøvevolumer, og er lovende for analyse av nanopartikler og celler, de har flere begrensninger. For en fast dyse størrelse, kan dråpestørrelsen varieres bare litt (med mindre egendefinerte innstillinger brukes 10). Endringer av de fysiske egenskapene til væsken (pH, saltinnholdet) kan endre dråpe egenskaper (størrelse, injeksjonshastighet). Også disse enhetene er ganske dyrt, utsatt for tilstopping og er vanskelige å rengjøre.En annen fremgangsmåte for å generere små dråper som er kjent på området dråpe MicroFluidics 11. I de senere årene dråpe MicroFluidics har fått interesse for (bio) kjemiske reaksjoner 12-15 og for encellete studier 16,17. I tillegg ble denne teknikken brukt for å innføre prøver i elektrosprayionisering massespektrometri 18,19 og for å forberede prøver i matrise-assistert laserdesorpsjon / ionization massespektrometri 20,21.
Nylig innførte vi et mikrofluid basert system for prøve innføring i ICPMS 22. Den viktig del av vår introduksjon system er væsken assistert dråpe utstøting (LADE) chip. Denne brikken består helt av poly (dimetylsiloksan) (PDMS). I den første kanal krysset strømme fokusering blir brukt til å generere monodisperse dråper av en vandig prøveoppløsning (figur 1). For dette formål er det svært flyktig (kokepunkt 58-60 ° C 23) og ikke-blandbart bærerfase perfluorheksan (PFH) benyttes (figur 1). Disse PFH egenskaper muliggjøre en stabil dråpedannelse og rask fjerning av bærerfasen. Endringer i egenskapene til prøvevæsken påvirkning denne generasjonen metoden mindre, sammenlignet med andre dråpegeneratorer. Dråpestørrelsen kan reguleres over et vidt område ved å endre strømningshastigheten av den vandige fase og den PFH. I en nedstrøms sekuny-krysset blir mer PFH lagt til øke flyten hastigheten til minst 1 m sek -1. På denne hastigheten væsken kan bli kastet ut fra brikken i stabil og rett jet (figur 1) uten dråpe ødeleggelse (figur 1 innfelt). Denne dobbel-kryss design gjør kontrollere jet stabilitet uavhengig av dråpe generasjon. Dråpene er fraktet til ICPMS med en tilpasset transportsystem. Dette systemet omfatter et fallende rør, og en membran desolvator å fjerne PFH. De tørkede rester av de vandige dråpene blir deretter ioniseres i plasma av ICPMS og et masse detektor måler ionene. Den fremre delen av brikken er tønneformet for å sikre en tett forbindelse med dråpe transportsystemet. Utstøting av den vandige prøven som dråper i PFH er fordelaktig, fordi kontakt med dysen unngås. Dette reduserer vesentlig risikoen for tilstopping av dyser, som kan være et problem når man arbeider med cellesuspensjoner eller concentrated saltoppløsninger. Lade chips, fabrikkert av PDMS myk litografi, er billige (materielle kostnader ca $ 2 per chip), disponibel og enkel å modifisere. I kombinasjon med fabrikasjonen som krever bare en liten mengde av manuelt arbeid hvert eksperiment kan utføres med et nytt chip. Derfor er en arbeidskrevende rengjøring ikke er nødvendig og kryss-smitte er minimert.
Her er fabrikasjonen av LADE chip ved myklitografi og dens anvendelse for ICPMS beskrevet. Eksempler på målinger med en vandig oppløsning, og en cellesuspensjon er presentert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Selv om fremstillingen av flisen er meget pålitelig det er noen kritiske punkter i løpet av fabrikasjonen som krever spesiell oppmerksomhet. For det første er renslighet under sammenstillingen av stor betydning for å hindre forurensning av brikken ved støv. Støvet kan blokkere kanaler og hindre en stabil dråpe generasjon. For det andre, er det spesielt viktig at spissen er skåret vinkelrett på dyse-kanal. Vinkelen av kuttet sterkt påvirker utløser- vinkel. Hvis væsken er kastet ut i en vinkel kan det føre t…
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).
