ICPMS Numune Giriş için mikroakışkan Chip
Summary
Biz indüktif eşleşmiş plazma kütle spektrometresi (ICPMS) için ayrı bir damlacık örnek giriş sistemi sunuyoruz. Bu 90 ila 7000 Hz arası frekanslarda 40-60 um boyut aralığında yüksek tek dağılımlı damlacıklarını üreten ucuz ve tek kullanımlık mikroakışkan çip dayanmaktadır.
Abstract
Bu protokol, indüktif eşleşmiş plazma kütle spektrometresi (ICPMS) için numune giriş sistemi gibi bir tek düşük maliyetli mikroakışkan çip imalatı ve kullanımı anlatılmaktadır. çip perfluoroheksan (PFH) tek dağılımlı sulu örnek damlacıkları üretir. Boyut ve sıvı damlacıklarının sıklığı sırasıyla 40-60 um aralığı içinde ve 90 ila 7000 Hz arasında değişiklik gösterebilir. damlacıklar PFH ikinci akışı ile çip çıkarılacağını ve fırlatma sırasında bozulmadan kalır. Bir ısmarlama desolvation sistemi PFH kaldırır ve ICPMS içine damlacıkları ulaştırmaktadır. Burada, dar bir şiddet dağılımına sahip çok kararlı sinyalleri damlacıkların bir tekli dağılırlık gösteren ölçülebilir. Bu besleme sistemi kantitatif bir sığır kırmızı kan hücrelerinin demir belirlemek için kullanılabileceğini göstermektedir. Gelecekte, giriş cihazının özellikleri kolayca ek mikroakışkan modüllerin entegrasyonu ile uzatılabilir.
Introduction
Indüktif olarak birleştirilmiş plasma kütle spektrometrisi (ICPMS) sıvı numune Element analizi yaygın besleme sistemi 1 gibi sprey odaları ile kombinasyon halinde girdaplar kullanılarak gerçekleştirilir. Bu örnek giriş sistemi, numune çok-dağılımlı bir sprey oluşturmak için bir püskürtücü ile püskürtülür. Bir alt sprey odası, büyük damlacıklar filtrelemek için kullanılır. Bu yöntem, yüksek numune tüketimi (> 0.3 ml dk -1) 2 ve tamamlanmamış bir örnek taşımacılığı ile ilişkilidir. Bu nedenle, sadece mikrolitre örnek hacimleri, biyolojik adli, toksikolojik ve klinik çalışmalarla 3'de olduğu gibi, mevcut uygulama için pratik olur. Örnek tüketimini azaltmak için, küçük meme boyutları ile nebülizerler 3 geliştirilmiştir. Bununla birlikte, daha az püskürtme memesi boyutu sindirilmemiş biyolojik sıvılar veya konsantre tuz çözeltilerinin örnekleri 3 analiz edilecek olduğunda tıkanma riskini arttırır.
<p class="Jove_content"> örnek tanıtımı için farklı bir yaklaşımı Olesik ark. 4 tarafından önerilmişti. Yazarlar, bir piezo-elektrik tahrikli micropump tarafından üretilen tek dağılımlı ayrı mikro damlacıkların şeklinde ICPMS bir sıvı enjekte edilir. Bu çok sistem geniş uygulama bulamadık olsa da, bu ICPMS ayrık damlacık giriş kavramının daha da geliştirilmesi başlattı. Bugün, piezo-elektrik 30, 50, 70 ve 100 um büyüklüğünde ve 100-2,000 Hz frekanslarında damlacıklar oluşturabilir sistemleri, dağıtma tahrik satın alınabilir. damlacıklar% 100 verim 5 yakın olan ICPMS içine taşınabilir. Bu Mikrodamlacık dağıtıcıları kantitatif tek nanopartiküller 5,6 ölçüm yanı sıra bireysel biyolojik hücrelerin 7 karakterize etmek için uygulanmıştır. Termal püskürtme teknolojisi 8 göre benzer bir sistem biyolojik numunelerin 9 analizinde test edildi. AVAide rağmenetikel tek damlacık tanıtım sistemleri küçük bir örnek hacimleri için kullanılabilir, çok verimli ve nanopartiküllerin ve hücrelerin analizi için umut vericidir, onlar birkaç sınırlamaları vardır. (Özel ayarlar 10 kullanılmadığı sürece) sabit meme büyüklüğü için, damlacık büyüklüğü sadece biraz değiştirilebilir. Sıvı (pH, tuz içeriği) fiziksel özelliklerinde değişiklik damlacık özelliklerinin (boyut, enjeksiyon hızı) değiştirebilir. Ayrıca, bu cihazlar nispeten daha pahalı tıkanma yatkındır ve temizlenmesi zordur.Damlacıklar oluşturmak için diğer bir yöntem, damlacık, mikroflüidik 11 alanında iyi bilinmektedir. Son yıllarda damlacık Mikroakiskan (biyo) kimyasal reaksiyonlar 12-15 ve tek hücre çalışmaları 16,17 için ilgi kazanmıştır. Buna ek olarak, bu teknik, elektrosprey iyonizasyon kütle spektrometresi 18,19 örnekleri verilmesi için ve matris destekli lazer desorpsiyon / iyonlaştırma örnekleri hazırlanması için uygulandın kütle spektrometresi 20,21.
Son zamanlarda, biz ICPMS 22 örnek tanıtımı için bir mikroakışkan tabanlı sistemi tanıttı. Bizim tanıtım sisteminin temel bileşeni sıvı destekli damlacık ejeksiyon (LADE) çip. Bu çip, tamamen poli (dimetilsiloksan) (PDMS) oluşur. İlk kanal kavşağı olarak sulu örnek solüsyonu (Şekil 1) tek dağılımlı damlacıkları oluşturmak için kullanılır odaklama akış. Bu amaçla ve karışmayan taşıyıcı faz perfluoroheksan (PFH) çok uçucu (58-60 ° C 23 kaynama noktası) (Şekil 1) kullanılır. Bunlar PFH özellikler istikrarlı bir damlacık oluşturma ve taşıyıcı faz hızlı çıkarılmasını sağlamak. Bu kuşak yöntem daha az numune sıvı etkisi özelliklerinde değişiklikler, diğer damlacık jeneratörlere kıyasla. Damlacık boyutu, sulu faz ve PFH akış oranlarını değiştirerek geniş bir aralıkta ayarlanabilir. Bir alt ORTA olaraky kavşak, daha PFH en az 1 m sn akış hızını arttırmak için ilave edilir -1. Bu hızlarda sıvı damlacık imha (Şekil 1 ek) olmadan stabil ve düz jet çip (Şekil 1) dışarı atılabilir. Bu çift-kavşak tasarımı damlacık nesil bağımsız jet dengesini kontrol sağlar. damlacıkları özelleştirilmiş taşıma sistemi ile ICPMS taşınır. Bu sistem, bir düşen boru ve PFH kaldırmak için bir zar desolvator içerir. sulu damlacıkların kuru artıklar daha sonra ICPMS plazma ve bir kütle detektörü önlemler iyonları iyonize edilebilir. çip ön kısmı fıçı şeklinde damlacık taşıma sistemi ile sıkı bir bağlantı sağlamaktır. meme ile temas önlenir, çünkü PFH damlacıklar sulu numunenin çıkarma, faydalıdır. Bu da hücre süspansiyonu ya da işbirliği ile çalışırken bir sorun olabilir meme tıkanması riskini düşürürncentrated tuz çözeltileri. Yumuşak litografi PDMS tarafından imal LADE cips, (çip başına malzeme maliyeti yaklaşık $ 2) ucuz atılabilir ve değiştirmek kolaydır. Manuel çalışma, sadece küçük bir miktar gerektirir üretimi ile birlikte her bir deney, yeni bir çip ile gerçekleştirilebilir. Bu nedenle, bir zahmetli temizlik gerekli değildir ve çapraz kontaminasyonu en aza indirilmiştir.
Burada, LADE yumuşak litografi ile çip ve ICPMS için uygulama imalat açıklanmıştır. Bir sulu çözelti ve bir hücre süspansiyonu ile ölçüm örnekleri sunulmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cips imalatı çok güvenilir olmasına rağmen, özel dikkat gerektiren imalat sırasında bazı kritik noktalar vardır. İlk olarak, montaj sırasında temizlik toz çip kirlenmesini önlemek için son derece önemlidir. Toz kanallarını bloke ve istikrarlı bir damlacık nesil önleyebilirsiniz. İkinci olarak, bu uç meme kanalına dik kesilir özellikle önemlidir. kesme açısı güçlü püskürtme açısını arttırır. Sıvı bir açıyla dışarı atılır ise püskürtülen damlacıklar kaybına neden olab…
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).
