Een Microfluïdische Chip voor ICPMS Sample Inleiding
Summary
We presenteren een discrete druppel monster introductie voor inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICPMS). Het is gebaseerd op een goedkope en wegwerpbare microfluïdische chip die sterk monodisperse druppeltjes in een groottebereik van 40-60 pm bij frequenties van 90 tot 7000 Hz.
Abstract
Dit protocol wordt ingegaan op de fabricage en het gebruik van een wegwerp lage kosten microfluïdische chip als monster introductie voor inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICPMS). De chip produceert monodisperse waterige monster druppels in perfluorhexaan (PFH). Grootte en frequentie van de waterige druppeltjes kan worden gevarieerd in het traject van 40 tot 60 urn en van 90 tot 7000 Hz, respectievelijk. De druppels worden uitgestoten uit de chip met een tweede stroom PFH en intact blijven tijdens de ejectie. Een custom-built desolvation systeem verwijdert de PFH en transporteert de druppels in de ICPMS. Hier kan zeer stabiel signalen met een smalle intensiteitsverdeling gemeten, waaruit de monodispersiteit van de druppeltjes. We zien dat de invoering systeem kan worden gebruikt om kwantitatief ijzer in één rund rode bloedcellen. In de toekomst kan de capaciteit van de inbrenginrichting gemakkelijk worden uitgebreid door het opnemen van aanvullende microfluïdische modulen.
Introduction
Elementaire analyse van vloeibare monsters door inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICPMS) wordt vaak met spray kamers uitgevoerd met behulp van verstuivers in combinatie als inleiding systeem 1. In dit voorbeeld inleiding systeem het monster wordt gesproeid door een vernevelaar een polydispers aerosol te genereren. Een downstream sproeikamer wordt gebruikt om te filteren op grote druppels. Deze werkwijze gaat gepaard met veel monsters consumptie (> 0,3 ml min-1) 2 en een onvolledige monstertransport. Zo wordt het onpraktisch voor toepassingen waarbij slechts microliter monstervolumes zijn, zoals in biologische, forensische, toxicologische en klinische studies 3. Om het monster te verminderen, vernevelaars met kleinere afmetingen nozzle werden ontwikkeld 3. De verminderde grootte mondstuk verhoogt het risico van verstoppingen bij monsters van onverteerd biologische vloeistoffen of geconcentreerde zoutoplossingen te worden geanalyseerd 3.
<p class="Jove_content"> Een andere benadering voor het monster inleiding werd voorgesteld door Olesik et al. 4. De auteurs injecteerde vloeistof in ICPMS in de vorm van monodisperse afzonderlijke microdruppeltjes die werden geproduceerd door een piëzo-elektrisch aangedreven micropomp. Hoewel dit zeer systeem brede toepassing niet vonden, de inleiding van de verdere ontwikkeling van het concept van de discrete druppel introductie in ICPMS. Tegenwoordig piezo-elektrisch aangedreven doseersystemen, die druppeltjes genereren grootte van 30, 50, 70 en 100 urn en bij een frequentie van 100-2,000 Hz, kan worden gekocht. De druppels kunnen worden getransporteerd naar ICPMS met bijna 100% rendement 5. Deze microdruppeltje dispensers zijn toegepast voor het kwantitatief meten van enkele nanodeeltjes 5,6 evenals karakteriseren individuele biologische cellen 7. Een soortgelijk systeem gebaseerd op thermische inkjettechnologie 8 werd getest voor analyse van biologische monsters 9. Hoewel de available enkele druppel invoering systemen zeer efficiënt kan worden gebruikt voor kleine monstervolumes en zijn veelbelovend voor de analyse van nanodeeltjes en cellen, ze hebben verschillende beperkingen. Voor een vaste nozzle grootte, kan de druppelgrootte slechts licht gevarieerd worden (tenzij de aangepaste instellingen worden gebruikt 10). Veranderingen van de fysische eigenschappen van de vloeistof (pH, zoutgehalte) kan veranderen de druppelgrootte eigenschappen (grootte, injectiesnelheid). Bovendien zijn deze apparaten vrij duur, gevoelig voor verstopping en moeilijk te reinigen.Een andere methode om druppeltjes te genereren is bekend in het gebied van de druppel microfluidics 11. In de afgelopen jaren heeft druppel microfluidica belangstelling voor (bio-) chemische reacties 12-15 en voor enkele cel studies 16,17 opgedaan. Bovendien is deze techniek toegepast voor het introduceren monsters electrospray ionisatie massaspectrometrie 18,19 en voorbereidende monsters matrix-assisted laser desorptie / ionization massaspectrometrie 20,21.
Recent hebben we microfluïdische systeem voor monsterintroductiemethode bij ICPMS 22 geïntroduceerd. Het belangrijkste onderdeel van onze inleiding systeem is de druppel ejectie (LADE) chip vloeistof bijgestaan. Deze chip bestaat volledig uit poly (dimethylsiloxaan) (PDMS). In het eerste kanaal kruising stromen focussering wordt gebruikt om monodisperse druppels van een waterige monsteroplossing (figuur 1) te genereren. Daartoe de zeer vluchtige (kookpunt 58-60 ° C 23) en mengbare drager fase perfluorhexaan (PFH) wordt gebruikt (figuur 1). Deze PFH eigenschappen zorgen voor een stabiele druppel generatie en snelle verwijdering van de drager fase. De eigenschappen van de monstervloeistof invloed deze generatie methode minder, in vergelijking met andere druppel generatoren. De druppelgrootte is instelbaar over een groot bereik door het veranderen van de stroomsnelheden van de waterfase en de PFH. In een stroomafwaartse SECUNDAIRY-junctie, meer PFH toegevoegd aan de stroomsnelheid te verhogen tot ten minste 1 m sec -1. Bij deze snelheid de vloeistof kan worden uitgestoten vanuit de chip in stabiele en rechte straal (figuur 1) zonder druppel destructie (figuur 1 inzet). Deze dubbel-splitsing ontwerp maakt het besturen van de jet stabiliteit onafhankelijk van druppel generatie. De druppels worden naar de ICPMS met aangepaste transportsysteem. Dit systeem bestaat uit een vallende buis en een membraan desolvator aan de PFH verwijderen. Het gedroogde residu van de waterige druppeltjes worden vervolgens geïoniseerd in het plasma van de ICPMS en een massa detector meet de ionen. Het voorste deel van de chip tonvormig een dichte verbinding met de druppel transportsysteem te waarborgen. Het uitwerpen van het waterige monster druppels in PFH voordelig, omdat contact met het mondstuk voorkomen. Dit de kans op verstopping van de spuitmondjes, wat een probleem kan zijn bij het werken met mobiele schorsingen of co verlaagt aanzienlijkncentrated zoutoplossingen. De LADE chips, gefabriceerd door PDMS zachte lithografie, zijn goedkoop (materiële kosten ongeveer $ 2 per chip), wegwerp en makkelijk aan te passen. In combinatie met de fabricage dat slechts een kleine hoeveelheid handwerk nodig kan elk experiment worden uitgevoerd met een nieuwe chip. Daarom is een moeizaam reiniging niet noodzakelijk en kruisbesmetting geminimaliseerd.
Hier, de fabricage van de LADE chip door zachte lithografie en de toepassing ervan voor ICPMS zijn beschreven. Voorbeelden van metingen met een waterige oplossing en een celsuspensie worden gepresenteerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoewel de fabricage van chips zeer betrouwbaar zijn er enkele kritische punten tijdens het fabricageproces die speciale aandacht vereisen. Eerst zuiverheid tijdens de montage is zeer belangrijk om contaminatie van de chip te voorkomen door stof. Het stof kan de kanalen te blokkeren en te voorkomen dat een stabiele druppel generatie. Ten tweede is het belangrijk dat de punt loodrecht op de mondstukkanaal gesneden. De hoek van de snede sterk het uitwerpen hoek. Indien de vloeistof wordt uitgestoten onder een hoek kan een …
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).
