Un chip microfluidico per ICPMS introduzione del campione
Summary
Vi presentiamo un sistema di introduzione del campione goccia discreto per accoppiamento induttivo spettrometria di massa di plasma (ICPMS). Si basa su un chip microfluidico economico e getta che genera goccioline altamente monodisperse in una gamma di dimensioni di 40-60 micron a frequenze da 90 a 7.000 Hz.
Abstract
Questo protocollo discute la fabbricazione e l'utilizzo di un basso costo chip microfluidico monouso come sistema di introduzione del campione per accoppiamento induttivo spettrometria di massa di plasma (ICPMS). Il chip produce monodisperse goccioline campione acquoso a perfluoroesano (PFH). Dimensioni e frequenza delle goccioline acquose possono essere variate nel range tra 40 e 60 micron e da 90 a 7.000 Hz, rispettivamente. Le goccioline vengono espulsi dal chip con un secondo flusso di PFH e rimangono intatti durante l'espulsione. Un sistema di desolvatazione fuoriserie rimuove il PFH e trasporta le goccioline nelle ICPMS. Qui, segnali molto stabili con una stretta distribuzione di intensità possono essere misurate, mostra la monodispersity delle goccioline. Abbiamo dimostrato che il sistema d'introduzione può essere utilizzata per determinare quantitativamente ferro nei bovini singole cellule rosse del sangue. In futuro, le capacità del dispositivo di introduzione può essere facilmente esteso con l'integrazione di ulteriori moduli microfluidica.
Introduction
Analisi elementare di campioni liquidi da accoppiamento induttivo spettrometria di massa a plasma (ICPMS) è comunemente eseguita utilizzando nebulizzatori in combinazione con camere di nebulizzazione come sistema di introduzione 1. In questo sistema di introduzione del campione il campione viene spruzzato da un nebulizzatore per generare un aerosol polidispersa. Una camera di nebulizzazione a valle viene usato per filtrare grandi goccioline. Questo metodo è associato con un elevato consumo campione (> 0,3 ml min -1) 2 e un trasporto del campione incompleta. Così, diventa impraticabile per le applicazioni in cui sono disponibili i volumi del campione soltanto microlitro, come in studi biologici, forensi, tossicologici e clinici 3. Per ridurre il consumo di esempio, con dimensioni di ugelli nebulizzatori piccoli stati sviluppati 3. Tuttavia, la dimensione ridotta ugello aumenta il rischio di intasamento quando campioni di fluidi biologici non digerito o soluzioni saline concentrate devono essere analizzati 3.
<p class="Jove_content"> Un approccio diverso per l'introduzione del campione è stato proposto da Olesik et al. 4. Gli autori iniettato un liquido in ICPMS sotto forma di microgocce discrete monodisperse, prodotte da una micropompa azionato piezo-elettrico. Anche se questo sistema non ha trovato larga applicazione, ha avviato lo sviluppo del concetto di discreta introduzione goccia in ICPMS. Oggi, azionato elettricamente piezo-sistemi, che possono generare goccioline di dimensione di 30, 50, 70 e 100 micron e con frequenze 100-2,000 Hz erogazione, può essere acquistato. Le goccioline possono essere trasportati in ICPMS con quasi il 100% di efficienza 5. Questi distributori microdroplet sono stati applicati per misurare quantitativamente singole nanoparticelle 5,6 e caratterizzare cellule biologiche singole 7. Un sistema simile basato sulla tecnologia a getto di inchiostro termico 8 è stato testato per l'analisi di campioni biologici 9. Anche se l'Available singoli sistemi di introduzione gocciolina sono molto efficienti, può essere utilizzato per piccoli volumi di campione e sono promettenti per l'analisi delle nanoparticelle e cellule, hanno diverse limitazioni. Per un ugello fisso, la dimensione delle gocce può essere variata leggermente (a meno impostazioni personalizzate vengono utilizzate 10). Variazioni delle proprietà fisiche del liquido (pH, contenuto di sale) possono alterare le caratteristiche delle gocce (dimensioni, velocità di iniezione). Inoltre, questi dispositivi sono piuttosto costosi, inclini a intasamento e sono difficili da pulire.Un altro metodo per generare goccioline è noto nel campo della gocciolina microfluidica 11. Negli ultimi anni goccia microfluidica ha guadagnato interesse (bio) reazioni chimiche 12-15 e per gli studi di cella singola 16,17. Inoltre, questa tecnica è stata applicata per l'introduzione di campioni in ionizzazione electrospray massa spettrometria 18,19 e per la preparazione dei campioni in matrix-assisted laser desorbimento / ionization spettrometria di massa 20,21.
Recentemente, abbiamo introdotto un sistema basato microfluidica per l'introduzione del campione in ICPMS 22. La componente chiave del nostro sistema introduzione è il liquido assistita goccia espulsione (LADE) chip. Questo chip consiste completamente di poli (dimetilsilossano) (PDMS). Nel primo incrocio canale di flusso messa a fuoco viene utilizzato per generare goccioline monodisperse di una soluzione campione acquoso (Figura 1). A tale scopo il altamente volatile (punto di ebollizione 58-60 ° C 23) e portante immiscibile fase perfluoroesano (PFH) viene utilizzato (Figura 1). Queste proprietà PFH consentono una generazione goccia stabile e la rimozione veloce della fase portante. Le modifiche delle proprietà del influenza liquido campione questo metodo di generazione meno, rispetto ad altri generatori di gocce. La dimensione delle gocce è regolabile in un ampio intervallo variando le portate della fase acquosa e la PFH. In un secondar downstreamy giunzione, più PFH viene aggiunto per aumentare la velocità di flusso ad almeno 1 m sec -1. A questa velocità del liquido può essere espulso dal chip in jet stabile e diritta (Figura 1) senza distruzione gocciolina (Figura 1 riquadro). Questo design a doppia giunzione permette il controllo della stabilità del getto indipendente generazione goccia. Le goccioline vengono trasportati alle ICPMS con un sistema di trasporto personalizzato. Tale sistema comprende un tubo caduta e un desolvator membrana per rimuovere il PFH. I residui secchi delle goccioline acquose vengono successivamente ionizzati nel plasma del ICPMS e un rilevatore misura la massa degli ioni. La parte frontale della piastrina è quello di garantire un collegamento stretto con il sistema di trasporto goccia a botte. L'espulsione del campione acquoso come goccioline PFH è vantaggioso, perché il contatto con l'ugello è evitata. Questo riduce notevolmente il rischio di intasamento dell'ugello, che può essere un problema quando si lavora con sospensioni cellulari o cosoluzioni saline ncentrated. I chip LADE, fabbricati da PDMS litografia soft, sono a buon mercato (costo del materiale di circa $ 2 per chip), monouso e facile da modificare. In combinazione con la fabbricazione che richiede solo una piccola quantità di lavoro manuale ciascun esperimento può essere eseguita con un nuovo chip. Pertanto, una pulizia laboriosa non è necessario e la contaminazione crociata è minimizzato.
Qui, la fabbricazione del chip LADE da litografia morbida e la sua applicazione per ICPMS sono descritti. Esempi di misure con una soluzione acquosa ed una sospensione cellulare vengono presentati.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sebbene la fabbricazione dei circuiti integrati è molto affidabile ci sono alcuni punti critici durante la fabbricazione che richiedono una particolare attenzione. Innanzitutto, pulizia durante l'assemblaggio è molto importante per evitare la contaminazione del chip dalla polvere. La polvere può bloccare i canali ed evitare una generazione goccia stabile. In secondo luogo, è particolarmente importante che la punta è tagliato ortogonalmente al canale ugello. L'angolo del taglio influenza fortemente l'ang…
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
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