Un chip de microfluidos para ICPMS Introducción Muestra
Summary
Presentamos un sistema de introducción de muestras de gotas discreto para la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS). Se basa en un chip microfluídico barato y desechable que genera gotitas altamente monodispersas en un intervalo de tamaños de 40-60 micras, con frecuencias de 90 a 7000 Hz.
Abstract
Este protocolo se discute la fabricación y el uso de un bajo costo chip de microfluidos desechable como sistema de introducción de muestras para espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS). El chip produce gotas monodispersas muestra acuosa en perfluorohexano (PFH). El tamaño y la frecuencia de las gotitas acuosas se pueden variar en el intervalo de 40 a 60 micras y de 90 a 7000 Hz, respectivamente. Las gotitas son expulsadas desde el chip con un segundo flujo de PFH y permanecen intactos durante la eyección. Un sistema de eliminación de disolvente hecha a la medida elimina la PFH y transporta las gotas en los ICPMS. Aquí, las señales muy estables con una distribución de intensidad estrecha se pueden medir, mostrando la monodispersidad de las gotitas. Se demuestra que el sistema de introducción se puede utilizar para determinar cuantitativamente el hierro en los glóbulos rojos bovinos individuales. En el futuro, las capacidades del dispositivo de introducción fácilmente se pueden extender por la integración de módulos adicionales de microfluidos.
Introduction
El análisis elemental de muestras líquidas por ICP-MS (ICP-MS) se lleva a cabo utilizando nebulizadores comúnmente en combinación con cámaras de nebulización como sistema de introducción 1. En este sistema de introducción de muestra de la muestra se pulveriza mediante un nebulizador para generar un aerosol polidispersa. Una cámara de pulverización de aguas abajo se utiliza para filtrar grandes gotitas. Este método se asocia con un alto consumo de muestra (> 0,3 ml min -1) 2 y un transporte de la muestra incompleta. Por lo tanto, se convierte en impracticable para aplicaciones en las que los volúmenes de muestra sólo microlitros están disponibles, como en estudios biológicos, forenses, toxicológicos y clínicos 3. Para reducir el consumo de muestra, nebulizadores con dimensiones de boquillas más pequeñas se desarrollaron 3. Sin embargo, el tamaño de la boquilla reducido aumenta el riesgo de obstrucción cuando las muestras de fluidos biológicos no digeridos o soluciones salinas concentradas tienen que analizarse 3.
<p class="Jove_content"> Un enfoque diferente para la introducción de la muestra fue propuesto por Olesik et al. 4. Los autores inyectaron un líquido en ICPMS en forma de microgotas discretas monodispersas, que fueron producidos por una microbomba impulsado piezo-eléctricamente. A pesar de que este mismo sistema no se encontró una amplia aplicación, se inició el desarrollo del concepto de introducción de gotas discretas en ICPMS. Hoy en día, piezo-eléctricamente impulsado sistemas, que pueden generar gotitas de tamaño de 30, 50, 70 y 100 micras y en las frecuencias de 100-2.000 Hz dispensación, se puede comprar. Las gotas pueden ser transportadas en ICPMS con cerca de 100% de eficiencia 5. Estos dispensadores microgotas se han aplicado para medir cuantitativamente nanopartículas individuales 5,6, así como la caracterización de las células biológicas individuales 7. Un sistema similar basado en la tecnología de inyección térmica de tinta 8 se ensayó para el análisis de muestras biológicas 9. Aunque el AvaIsistemas de introducción de gotas individuales lable son muy eficientes, se puede utilizar para pequeños volúmenes de muestra y son prometedores para el análisis de las nanopartículas y células, tienen varias limitaciones. Para un tamaño de boquilla fija, el tamaño de gota se puede variar sólo ligeramente (a menos que los ajustes personalizados se utilizan 10). Los cambios de las propiedades físicas del líquido (pH, contenido de sal) pueden alterar las características de la gota (tamaño, velocidad de inyección). Además, estos dispositivos son bastante caros, con tendencia a la obstrucción y son difíciles de limpiar.Otro método para generar gotitas se conoce en el campo de la microfluídica gotita 11. En los últimos años microfluidos gota ha ganado el interés de (bio) reacciones químicas 12-15 y para estudios de células individuales 16,17. Además, esta técnica se aplicó para la introducción de muestras en la espectrometría de masas de ionización por electrospray 18,19 y para la preparación de muestras en la matriz asistida por láser de desorción / ionization espectrometría de masas 20,21.
Recientemente, hemos introducido un sistema basado microfluidos para la introducción de la muestra en ICPMS 22. El componente clave de nuestro sistema de introducción es la expulsión de gotitas (LADE) de chips líquida asistida. Este chip consiste completamente de poli (dimetilsiloxano) (PDMS). En el primer cruce canal de flujo de enfoque se usa para generar gotas monodispersas de una solución acuosa de la muestra (Figura 1). Para ello, el (punto de ebullición de 58-60 ° C 23) altamente volátil y perfluorohexano fase de la portadora inmiscible (PFH) se utiliza (Figura 1). Estas propiedades PFH permiten una generación de gotas estable y rápida eliminación de la fase de la portadora. Los cambios en las propiedades de la influencia líquido de muestra este método de generación de menos, en comparación con otros generadores de gotas. El tamaño de las gotas es ajustable en un amplio intervalo cambiando los caudales de la fase acuosa y la PFH. En una secondar aguas abajoy unión, se añade más PFH para aumentar la velocidad de flujo para al menos 1 m s-1. A esta velocidad el líquido puede ser expulsado desde el chip en chorro estable y recta (Figura 1) sin destrucción de gota (Figura 1 recuadro). Este diseño de doble unión permite el control de la estabilidad del chorro independiente de generación de gotas. Las gotitas se transportan a los ICPMS con un sistema de transporte personalizado. Este sistema se compone de un tubo de caída y un desolvator membrana para eliminar el PFH. Los residuos secos de las gotitas acuosas se ionizan posteriormente en el plasma de la ICP-MS y un detector mide la masa de los iones. La parte frontal del chip es para asegurar una conexión hermética con el sistema de transporte de gotitas en forma de barril. La eyección de la muestra acuosa en forma de gotitas en PFH es beneficioso, ya que el contacto con la boquilla se evita. Esto reduce considerablemente el riesgo de obstrucción de la boquilla, que puede ser un problema cuando se trabaja con suspensiones de células o cosoluciones salinas ncentrated. Los chips de LADE, fabricados por PDMS litografía blanda, son baratos (coste del material de aproximadamente $ 2 por chip), disponible y fácil de modificar. En combinación con la fabricación que requiere sólo una pequeña cantidad de trabajo manual de cada experimento se puede realizar con un nuevo chip. Por lo tanto, no es necesaria una limpieza laboriosa y contaminación cruzada se reduce al mínimo.
Aquí, la fabricación del chip LADE por litografía blanda y su aplicación para ICPMS se describen. Se presentan ejemplos de mediciones con una solución acuosa y una suspensión celular.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aunque la fabricación de los chips es muy fiable, hay algunos puntos críticos durante la fabricación que requieren una atención especial. En primer lugar, la limpieza durante el montaje es muy importante para evitar la contaminación del chip por el polvo. El polvo puede bloquear los canales y evitar una generación de gotas estable. En segundo lugar, es especialmente importante que la punta se corta ortogonal al canal de la boquilla. El ángulo del corte influye fuertemente en el ángulo de eyección. Si el líquid…
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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