En mikroflödes Chip för ICPMS Sample Introduktion
Summary
Vi presenterar en diskret droppprov introduktion system för induktivt kopplad plasma masspektrometri (ICPMS). Den är baserad på en billig och av engångstyp mikrofluidisk chip som genererar starkt monodispersa droppar i ett storleksområde av 40-60 ^ m vid frekvenser från 90 till 7000 Hz.
Abstract
Detta protokoll diskuterar tillverkning och användning av en engångs låg kostnad mikroflödes chip som prov introduktion system för induktivt kopplad plasma masspektrometri (ICPMS). Chipet producerar monodispersa vattenhaltiga provdroppar i perfluorhexan (PFH). Kan varieras storleken och frekvensen av de vattenhaltiga dropparna i intervallet 40 till 60 pm och från 90 till 7000 Hz, respektive. De små dropparna stöts ut från chipet med ett andra flöde av PFH och förbli intakt under utstötningen. En specialbyggd desolvation systemet avlägsnar PFH och transporterar dropparna in i ICPMS. Här kan mycket stabila signaler med en smal intensitetsfördelning mätas, visar monodispersitet av dropparna. Vi visar att införandet systemet kan användas för att kvantitativt bestämma järn i enstaka bovina röda blodkroppar. I framtiden kan funktionerna i introduktionen enheten lätt förlängas genom att integrera ytterligare mikroflödesmoduler.
Introduction
Elementaranalys av vätskeprover genom induktivt kopplad plasma-masspektrometri (ICPMS) utförs vanligen med användning av nebulisatorer i kombination med sprutkammare som introduktion systemet 1. I detta prov introduktion systemet provet sprutas genom en nebulisator för att generera en polydispers aerosol. En nedströms sprutkammaren används för att filtrera ut stora droppar. Denna metod är förknippad med hög provförbrukning (> 0,3 ml min -1) 2 och en ofullständig provtransport. Således blir det opraktiskt för applikationer där endast mikroliter provvolymer finns, som i biologiska, kriminaltekniska, toxikologiska och kliniska studier 3. För att minska provkonsumtionen, var nebulisatorer med mindre munstycke mått utvecklat 3. Dock ökar reducerade munstycksstorleken risken för igensättning när prover av osmälta biologiska vätskor eller koncentrerade saltlösningar måste analyseras 3.
<p class="Jove_content"> En annan strategi för prov introduktion slogs av Olesik et al. 4. Författarna injicerade en vätska i ICPMS i form av monodispersa diskreta mikrodroppar, som produceras av ett piezo-elektriskt drivna mikro. Även om detta mycket systemet inte hittar en bred tillämpning, inledde den vidareutveckling av konceptet diskreta dropp introduktion i ICPMS. Idag, piezo-elektriskt drivna utmatningssystem, som kan generera droppar i storlek hos 30, 50, 70 och 100 ^ m och vid frekvenser på 100-2,000 Hz, kan köpas. Dropparna kan transporteras in i ICPMS med nära 100% effektivitet 5. Dessa mikrodroppe automater har tillämpats för att kvantitativt mäta enstaka nanopartiklar 5,6 samt karakterisera enskilda biologiska celler 7. Ett liknande system som bygger på termisk bläckstråleteknik 8 testades för analys av biologiska prover 9. Fastän Avallable enstaka droppintroduktionssystem är mycket effektiva, kan användas för små provvolymer och är lovande för analys av nanopartiklar och celler, de har flera begränsningar. För en fast dysstorlek, kan droppstorleken varieras endast något (om inte anpassade inställningar används 10). Förändringar av de fysikaliska egenskaperna hos vätskan (pH, saltinnehåll) kan förändra dropp egenskaper (storlek, injektionshastighet). Även dessa anordningar är ganska dyra, utsatta för igensättning och är svåra att rengöra.En annan metod för att generera små droppar är känd inom området för dropp mikrofluidik 11. Under de senaste åren dropp mikrofluidik har fått intresse för (bio-) kemiska reaktioner 12-15 och för enstaka cellstudier 16,17. Dessutom var denna teknik tillämpas för att införa prov i elektrosprayjonisering masspektrometri 18,19 och för att förbereda prover i matrisassisterad laserdesorption / ionization masspektrometri 20,21.
Nyligen införde vi ett mikroflödesbaserat system för prov introduktion i ICPMS 22. Den nyckelkomponent i vår introduktion systemet är vätskan assisterad dropputstötningen (LADE) chip. Detta chip består helt av poly (dimetylsiloxan) (PDMS). I den första kanalen korsningen flöda fokusering används för att generera monodispersa droppar av en vattenhaltig provlösning (figur 1). För detta ändamål mycket rörligt (kokpunkt 58-60 ° C 23) och oblandbar bärvågsfas perfluorohexan (PFH) används (Figur 1). Dessa PFH egenskaper möjliggör en stabil droppgenerering och snabb borttagning av bärvågsfasen. Förändringar i egenskaperna för provvätskan inflytandet denna generation metoden mindre, jämfört med andra droppgeneratorer. Droppstorleken är justerbar över ett brett område genom att ändra flödeshastigheterna för den vattenhaltiga fasen och PFH. I en nedströms secondary korsningen, är mer PFH sättas för att öka flödeshastigheten till minst 1 m sek -1. Vid denna hastighet kan matas ut vätskan från chip i en stabil och rak stråle (figur 1) utan dropp förstöring (Figur 1 infälld). Denna dubbelkopplings design gör att styra strålen stabilitet oberoende av dropp generation. Dropparna transporteras till ICPMS med ett anpassat transportsystem. Detta system innefattar en fallande rör och en membran desolvator att avlägsna PFH. De torkade rester av vattendropparna därefter jonis i plasma av ICPMS och en massa detektor mäter jonerna. Den främre delen av chipet är tunnformade för att säkerställa en tät anslutning till dropp transportsystemet. Utstötningen av det vattenhaltiga provet som droppar i PFH är bra, eftersom kontakt med munstycket undviks. Detta minskar risken för tilltäppning av munstyckena, vilket kan vara ett problem när man arbetar med cellsuspensioner eller co avsevärtncentrated saltlösningar. De LADE chips, fabricerade av PDMS mjuk litografi, är billiga (materialkostnad ca $ 2 per chip), disponibel och lätt att ändra. I kombination med tillverkning som kräver endast en liten mängd av manuellt arbete kan utföras varje experiment med ett nytt chip. Därför behövs inte en mödosam rengöring och korskontaminering minimeras.
Här är tillverkningen av LADE chip med mjuk litografi och dess ansökan om ICPMS beskrivs. Exempel på mätningar med en vattenhaltig lösning och en cellsuspension presenteras.
Protocol
Representative Results
Discussion
Även tillverkning av markerna är mycket pålitlig finns det några kritiska punkter under tillverkning som kräver särskild uppmärksamhet. Först, är renlighet under monteringen mycket viktigt för att förhindra kontaminering av chipet genom damm. Dammet kan blockera kanalerna och förhindra en stabil dropp generation. För det andra, är det särskilt viktigt att spetsen skärs ortogonal munstyckskanalen. Vinkeln av snittet starkt påverkar utstötningsvinkeln. Om vätskan sprutas ut i en vinkel det kan orsaka en…
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).
