שבב microfluidic למבוא לדוגמא ICPMS
Summary
אנו מציגים מערכת מבוא מדגם אגל דיסקרטית לספקטרומטריית מצמידים אינדוקטיבי פלזמה המונית (ICPMS). הוא מבוסס על שבב microfluidic זול וחד פעמי שיוצר טיפות monodisperse ביותר בטווח גודל של 40-60 מיקרומטר בתדרים בין 90 ל -7,000 הרץ.
Abstract
פרוטוקול זה דן בייצור ושימוש בשבב חד פעמי עלות הנמוכה microfluidic כמערכת מבוא לדוגמה עבור ספקטרומטריית מצמידים אינדוקטיבי פלזמה המונית (ICPMS). השבב מייצר טיפות מדגם מימיות monodisperse בperfluorohexane (PFH). גודל ותדירות של הטיפות מימיות יכולים להיות מגוון בטווח של 40 עד 60 מיקרומטר ובין 90 ל -7,000 הרץ, בהתאמה. הטיפות נפלטות מהשבב עם זרימה שנייה של PFH ולהישאר שלמים בפליטה. מערכת desolvation שהותקן מסירה PFH ומעבירה את הטיפות לתוך ICPMS. כאן, אותות יציבים מאוד עם חלוקת עוצמת צרה ניתן למדוד, המראים את monodispersity של הטיפות. אנו מראים כי מערכת ההקדמה יכולה לשמש כדי לקבוע כמותית ברזל בתאי דם אדום אחת שור. בעתיד, היכולות של מכשיר ההקדמה יכולות בקלות להיות מורחבות על ידי האינטגרציה של מודולים microfluidic נוספים.
Introduction
ניתוח יסודות של דגימות נוזל על ידי ספקטרומטריית מסת פלזמה בשילוב אינדוקטיבי (ICPMS) מתבצע בדרך כלל תוך שימוש nebulizers בשילוב עם תאי תרסיס כמערכת מבוא 1. במדגם מערכת ההקדמה הזו המדגם הוא ריסס על ידי nebulizer ליצור תרסיס polydisperse. תא תרסיס במורד הזרם משמש לסינון טיפות גדולות. שיטה זו מקושרת עם הצריכה גבוהה מדגם (> 0.3 מיליליטר -1 דקות) 2 ותחבורת מדגם חלקית. לפיכך, הוא הופך להיות מעשי עבור יישומים בהם כרכי מדגם microliter רק זמינים, כמו במחקרים ביולוגיים, זיהוי פלילי, טוקסיקולוגי וקליניים 3. כדי להפחית את צריכת המדגם, nebulizers עם ממדים קטנים יותר זרבובית פותחו 3. עם זאת, גודל הנחיר המופחת מגדיל את הסיכון לסתימה כאשר דגימות של נוזלים ביולוגיים לא מעוכלים או פתרונות מלח מרוכזים צריכים להיות מנותחות 3.
<p class="Jove_content"> גישה שונה להקדמת מדגם הוצעה על ידי et al Olesik. 4. המחברים הזריקו נוזל לתוך ICPMS בצורה של microdroplets הבדיד monodisperse, שיוצרו על ידי micropump מונע piezo-חשמלי. למרות שמערכת זו מאוד לא מצאה יישום רחב, זה שיזם את הפיתוח נוסף של הרעיון של הקדמת אגל דיסקרטית בICPMS. היום, piezo-חשמלי המונעים מחלק מערכות, אשר יכולה ליצור טיפות בגודל של 30, 50, 70 ו -100 מיקרומטר ובתדרים של 100-2,000 הרץ, ניתן לרכוש. יכולות להיות מועברים הטיפות לתוך ICPMS עם קרוב ליעילות של 100% 5. מכשירי microdroplet אלה יושמו לכמותית מדידת חלקיקים אחת 5,6 כמו גם אפיון תאים ביולוגיים בודדים 7. מערכת דומה המבוססת על טכנולוגיית הזרקת דיו תרמית 8 נבדקה לצורך הניתוח של דגימות ביולוגיות 9. למרות avaiמערכות הקדמת טיפה אחת lable הן יעילים מאוד, יכול לשמש לכרכי מדגם קטנים ומבטיחות לניתוח של חלקיקים ותאים, יש להם כמה מגבלות. לגודל נחיר קבוע, גודל הטיפה יכול להיות מגוון רק מעט (אלא אם כן הגדרות מותאמות אישית המשמשות 10). שינויים של התכונות הפיסיקליות של הנוזלים (pH, תוכן מלח) יכולים לשנות את מאפייני אגל (גודל, מהירות זריקה). כמו כן, מכשירים אלה הם יקרים למדי, נוטים לסתימה וקשה לנקות.שיטה נוספת ליצירת טיפות ידועה בתחום מיקרופלואידיקה רביב 11. בשנים האחרונות מיקרופלואידיקה רביב צברה ריבית ל( ביולוגית) תגובות כימיות 12-15 וללימודי תא בודדים 16,17. בנוסף, טכניקה זו יושמה להחדרת דגימות בספקטרומטר מסת יינון electrospray 18,19 ולהכנת דגימות בdesorption / ionizatio לייזר בסיוע מטריקסספקטרומטר מסת n 20,21.
לאחרונה, הצגנו מערכת מבוססת microfluidic להקדמת מדגם ב -22 ICPMS. המרכיב המרכזי של מערכת המבוא שלנו הוא פליטת אגל שבב הנוזל סייע (אדה). שבב זה מורכב מפולי (dimethylsiloxane) (PDMS) לחלוטין. בצומת הערוץ הראשונה לזרום התמקדות הוא משמש לייצור טיפות monodisperse של תמיסה מימית מדגם (איור 1). למטרה זו (נקודת רתיחה של C ° 58-60 23) בתנודתיות הגבוהה וperfluorohexane מוביל immiscible שלב (PFH) משמשת (איור 1). תכונות אלה מאפשרות PFH דור אגל יציב והסרת מהירה של השלב המוביל. שינויים במאפיינים של מדגם השפעת נוזל שיטת הדור הזה פחות, בהשוואה לגנרטורים טיפה אחרות. גודל הטיפה הוא מתכוונן על פני טווח רחב על ידי שינוי שיעורי הזרימה של השלב המימי וPFH. בsecondar במורד הזרםצומת y, יותר PFH מתווספת להגדיל את מהירות הזרימה לשנייה במרחק של לפחות 1 -1. במהירות זו הנוזל יכול להיפלט מהשבב במטוס יציב וישר (איור 1) ללא הרס אגל (איור הבלעה 1). עיצוב כפול צומת זו מאפשר שליטה על יציבות הסילון העצמאית של דור אגל. הטיפות מועברות לICPMS עם מערכת תחבורה מותאמת אישית. מערכת זו כוללת צינור נופל וdesolvator קרום להסיר את PFH. השאריות מיובשות של הטיפות מימיות מיוננות לאחר מכן בפלזמה של ICPMS ואמצעי גלאי מסת היונים. החלק הקדמי של השבב הוא להבטיח קשר הדוק עם מערכת תחבורת אגל בצורת חבית. הפליטה של המדגם המימי כמו טיפות בPFH מועילה, משום שמגע עם הזרבובית הוא נמנע. זה משמעותי מוריד את הסיכון לסתימת נחיר, מה שיכול להיות בעיה בעבודה עם השעיות תא או שיתוףפתרונות מלח ncentrated. שבבי אדה, מפוברקים על ידי PDMS יתוגרפיה הרכה, זולים (2 עלות חומר כ $ לכל שבב), חד פעמיות וקלים לשנות. בשילוב עם הייצור שדורש רק כמות קטנה של עבודה ידנית כל ניסוי ניתן לבצע עם שבב חדש. לכן, ניקוי מפרך אין צורך וזיהום לחצות ממוזער.
כאן, הייצור של שבב אדה על ידי יתוגרפיה הרכה ובקשתה לICPMS מתוארים. דוגמאות למדידות עם תמיסה מימית והשעית תא מוצגות.
Protocol
Representative Results
Discussion
למרות שהייצור של השבבים הוא אמין מאוד יש כמה נקודות קריטיות במהלך הייצור הדורשים תשומת לב מיוחדת. ראשית, ניקיון באסיפה חשוב מאוד על מנת למנוע זיהום של השבב על ידי אבק. האבק עלול לחסום את הערוצים ולמנוע דור אגל יציב. שנית, חשוב במיוחד שהקצה הוא לחתוך מאונך לערוץ הזרבובי…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
