Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

رقاقة ميكروفلويديك لICPMS مقدمة عينة

Published: March 5, 2015 doi: 10.3791/52525
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zurich

Summary

نقدم نظام إدخال العينة قطيرة منفصلة عن بالحث البلازما الطيفي (ICPMS). لأنه يقوم على رقاقة ميكروفلويديك رخيصة ويمكن التخلص منها الذي يولد قطرات monodisperse غاية في نطاق حجم 40-60 ميكرومتر على ترددات من 90 إلى 7،000 هرتز.

Abstract

ويناقش هذا البروتوكول تصنيع واستخدام منخفضة التكلفة رقاقة ميكروفلويديك المتاح كنظام عينة مقدمة لبالحث البلازما الطيفي (ICPMS). رقاقة تنتج monodisperse قطرات العينة المائية في perfluorohexane (PFH). يمكن أن تختلف حجم وتواتر قطرات مائية في حدود 40 إلى 60 ميكرون ومن 90 إلى 7،000 هرتز، على التوالي. وطرد قطرات من رقاقة مع تدفق الثاني من PFH وتبقى على حالها خلال طرد. نظام desolvation مبنية خصيصا يزيل PFH وينقل قطرات في ICPMS. هنا، وإشارات مستقرة جدا مع توزيع كثافة ضيق يمكن قياسها، والتي تبين monodispersity من قطرات. وتبين لنا أن نظام إدخال يمكن استخدامها لتحديد الكمية الحديد في خلايا الدم الحمراء البقري واحدة. في المستقبل، وقدرات الجهاز مقدمة يمكن تمديدها بسهولة بالغة من خلال تكامل وحدات ميكروفلويديك إضافية.

Introduction

ويتم تحليل العناصر العينات السائلة بنسبة بالحث البلازما الطيفي (ICPMS) عادة خارج باستخدام الغمامات في تركيبة مع الغرف رذاذ كنظام مقدمة 1. في هذا النظام إدخال عينة يتم رش عينة من البخاخات لتوليد الهباء الجوي polydisperse. ويستخدم غرفة رذاذ المصب لتصفية قطرات كبيرة. ويرتبط هذا الأسلوب مع ارتفاع استهلاك العينة (> 0.3 مل دقيقة -1) 2 ونقل العينات غير مكتملة. وهكذا، يصبح غير عملي للتطبيقات حيث تتوفر أحجام عينة ميكروليتر الوحيد، كما هو الحال في الدراسات البيولوجية، الطب الشرعي، والسمية والسريرية 3. للحد من استهلاك عينة، تم تطوير الغمامات مع أبعاد أصغر فوهة 3. ومع ذلك، فإن تخفيض حجم فوهة يزيد من خطر انسداد عند عينات من السوائل البيولوجية عسر الهضم أو حلول الملح تتركز يجب أن يتم تحليلها 3.

واقترح "jove_content"> وهناك نهج مختلف لعينة مقدمة من قبل Olesik وآخرون. 4. حقن المؤلفين السائل إلى ICPMS في شكل microdroplets منفصلة monodisperse، التي أنتجت من قبل micropump مدفوعة بيزو-كهربائيا. على الرغم من أن هذا النظام ذاته لم يجد تطبيق واسع، أنه قد شرع في مزيد من مفهوم مقدمة قطرات منفصلة في ICPMS التنمية. اليوم، مدفوعة بيزو-كهربائيا النظم، والذي يمكن أن تولد قطرات في حجم 30، 50، 70 و 100 ميكرون وعلى ترددات من 100-2،000 هرتز الاستغناء، ويمكن شراؤها. ويمكن نقل قطرات في ICPMS مع ما يقرب من كفاءة 100٪ 5. وقد طبقت هذه موزعات microdroplet لقياس كميا النانوية واحدة 5،6 فضلا عن تميز الخلايا البيولوجية الفردية (7). تم اختبار نظام مماثل يقوم على تقنية نفث الحبر الحرارية 8 لتحليل العينات البيولوجية 9. على الرغم من أن افاعيأنظمة قطرة مقدمة واحدة علامة مميزة هي فعالة جدا، ويمكن استخدامها لأحجام عينة صغيرة واعدة لتحليل النانوية والخلايا، لديهم العديد من القيود. لحجم فوهة ثابت، حجم القطيرات يمكن أن تختلف إلا قليلا (ما لم يتم استخدام إعدادات مخصصة 10). التغيرات في الخصائص الفيزيائية للسائل (درجة الحموضة ومحتوى الملح) يمكن أن يغير خصائص الحبرية (الحجم، وسرعة الحقن). أيضا، وهذه الأجهزة غالية الثمن نوعا ما، عرضة للانسداد وصعبة التنظيف.

طريقة أخرى لتوليد قطرات من المعروف في مجال قطيرة على microfluidics 11. في السنوات الأخيرة اكتسبت قطيرة على microfluidics الفائدة ل(الحيوي) التفاعلات الكيميائية 12-15 وللدراسات وحيدة الخلية 16،17. بالإضافة إلى ذلك، تم تطبيق هذه التقنية لإدخال العينات في التأين electrospray الطيف الكتلي 18،19 وإعداد العينات في مصفوفة بمساعدة الليزر الامتزاز / ionizatioن مطياف الكتلة 20،21.

في الآونة الأخيرة، قدمنا ​​نظام يقوم ميكروفلويديك لإدخال عينة في ICPMS 22. المكون الرئيسي للنظام مقدمة لدينا هو السائل بمساعدة قطرات طرد (LADE) رقاقة. يتكون هذه الشريحة تماما من بولي (dimethylsiloxane) (PDMS). في أول قناة تقاطع تدفق يستخدم مع التركيز على توليد قطرات monodisperse من محلول العينة مائي (الشكل 1). لهذا الغرض يتم استخدام (نقطة الغليان من 58-60 ° C 23) شديدة التقلب والناقل إمتزاج المرحلة perfluorohexane (PFH) (الشكل 1). هذه الخصائص PFH تمكن جيل قطرة مستقر وإزالة سريعة للمرحلة الناقل. التغييرات في خصائص تأثير السائل عينة هذه الطريقة جيل أقل، مقارنة مولدات قطرة أخرى. حجم القطيرات هو قابل للتعديل على نطاق واسع عن طريق تغيير معدلات التدفق من المرحلة المائية وPFH. في secondar المصبذ تقاطع، يضاف المزيد من PFH لزيادة سرعة تدفق إلى 1 متر على الأقل ثانية -1. في هذه السرعة يمكن إخراج السائل من رقاقة في طائرة مستقرة ومستقيمة (الشكل 1) دون تدمير الحبرية (الشكل 1 الشكل). هذا التصميم المزدوج تقاطع يسمح السيطرة على الاستقرار طائرة مستقلة عن الجيل الحبرية. ويتم نقل قطرات إلى ICPMS مع نظام النقل المخصصة. ويتألف هذا النظام أنبوب هبوط وdesolvator غشاء لإزالة PFH. والمتأينة بقايا المجففة من قطرات مائية في وقت لاحق في البلازما من ICPMS والتدابير للكشف عن كتلة أيونات. الجزء الأمامي من الشريحة هو ضمان اتصال ضيق مع نظام النقل قطيرة على شكل برميل. طرد من العينة المائية كما قطرات في PFH هو مفيد، لأن الاتصال مع فوهة وتجنبها. هذا يقلل بشكل كبير من خطر انسداد فوهة، والتي يمكن أن يكون مشكلة عند العمل مع تعليق خلية أو زملاءحلول الملح ncentrated. رقائق LADE، ملفقة من قبل PDMS الطباعة الحجرية الناعمة، رخيصة (2 تكلفة المواد دولار تقريبا في رقاقة)، ​​يمكن التخلص منها وسهلة لتعديل. في تركيبة مع تلفيق يتطلب سوى كمية صغيرة من العمل اليدوي لا يمكن أن يؤديها كل تجربة مع شريحة جديدة. لذلك، ليست هناك حاجة لتنظيف شاقة ويتم التقليل من التلوث عبر.

هنا، يتم وصف تلفيق رقاقة LADE بواسطة الطباعة الحجرية الناعمة وتطبيقه لICPMS. وتعرض نماذج من القياسات مع محلول مائي وتعليق خلية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. SU-8 تلفيق ماستر (الشكل 2)

ملاحظة: إجراء تصنيع القوالب سيد SU-8 في غرفة نظيفة لمنع العيوب التي تسببها جزيئات الغبار. وهناك حاجة إلى اثنين من رقائق لتصنيع، رقاقة واحدة مع ميزات ميكروفلويديك واحد دون.

  1. إعداد قوالب رئيسية للرقاقة ميكروفلويديك. أولا تطبيق طبقة التصاق إلى رقاقة السيليكون.
    1. يذوى رقاقة السيليكون لمدة 10 دقيقة على حرارة 200 درجة مئوية. تبريد رقاقة وصولا الى RT وتحميله على أن تدور المغطي وتدور معطف مع SU-8 2002 مع بروتوكول التالية.
    2. الاستغناء عن 3 مل تقاوم على الرقاقة.
    3. تدور الرقاقة عند 500 دورة في الدقيقة لمدة 10 ثانية لنشر مقاومة على رقاقة كله.
    4. تدور الرقاقة عند 2،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية لتحقيق مقاومة ارتفاع ما يقرب من 2 ميكرون.
  2. إزالة الزائدة مقاومة من على حافة الرقاقة مع مسحة غارقة الأسيتون، لمنعالشائكة من الرقاقة إلى لوحة الساخنة في الخطوة التالية. خبز الرقاقة لمدة 60 ثانية في 95 درجة مئوية على طبق ساخن.
  3. فضح الرقاقة كله مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية (80 ميغا جول / سم 2 في 365 نانومتر). بعد خبز الرقاقة لمدة 120 ثانية إلى 95 ° C.
  4. تبريد الرقاقة إلى أسفل وتدور على الفور معطف الرقاقة مرة أخرى باستخدام بروتوكول التالية لSU-8 عام 2050:
    1. تدور الرقاقة عند 100 دورة في الدقيقة لمدة 20 ثانية (الاستغناء عن 3 مل SU-8 مقاومة خلال هذه الخطوة).
    2. تدور الرقاقة عند 500 دورة في الدقيقة لمدة 10 ثانية لنشر مقاومة على رقاقة كله.
    3. تدور الرقاقة عند 3،250 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية مما أدى إلى مقاومة سمك حوالي 40 ميكرون.
  5. مرة أخرى، وإزالة فائض مقاومة من على حافة الرقاقة مع مسحة غارقة الأسيتون وتخبز لينة الرقاقة على طبق ساخن لمدة 180 ثانية عند 65 درجة مئوية ول 360 ثانية في 95 ° C.
  6. إعداد الضوئية التي كتبها الأمراض المنقولة جنسياCKING ذلك إلى زجاج الصودا والجير. انظر الشكل 3 لتصميم قناع. استخدام اليجنر قناع لفضح مقاومة مع الأشعة فوق البنفسجية (160 ميغا جول / سم 2، وتقاس في 365 نانومتر) من خلال قناع استعداد. خبز الرقاقة يتعرض مرة أخرى على طبق ساخن لمدة 60 ثانية عند 65 درجة مئوية ول 360 ثانية في 95 ° C.
  7. بعد تهدئة الرقاقة إلى RT، تزج به في طبق بتري زجاجية مملوءة المطور لمدة 5 دقائق لتطوير المقاومة. تستنهض الهمم بلطف طبق بتري لإزالة لم يتعرضوا SU-8. شطف الرقاقة مع الأيزوبروبانول وضربة لتجف بمسدس النيتروجين.
  8. دراسة الرقاقة تحت المجهر. في حالة متخلفة مقاومة بقايا على ميزات وتطوير الرقاقة مرة أخرى لبضع دقائق، كما هو موضح في الخطوة 1.7.
  9. إزالة أي مذيب المتبقية من رقائق الخبز لمدة 2 ساعة على حرارة 200 درجة مئوية. تحقق ذروة الميزات مع خطوة التعريف. في حال يختلف ارتفاع يقاس من الارتفاع المطلوب تبدأ مع هذا بروتوالعقيد مرارا والتكيف مع سرعة الدوران في الخطوة 1.1.4.
  10. لمنع الالتصاق من PDMS إلى الرقاقة silanize ذلك عن طريق وضعها في مجفف جنبا إلى جنب مع 50 ميكرولتر من 1 H، H 1، 2 H، H 2 -perfluorodecyltrichlorosilane في صحن الخزف صغير. تخفيف الضغط في المجفف إلى 100 م بار واحتضان الرقاقة لمدة 12 ساعة.
    1. لPDMS فارغة أجزاء silanize رقاقة السيليكون آخر باستخدام أسلوب الخطوة 1.10. لتوفير الوقت silanize كل من رقائق في نفس الوقت في مجفف واحد.

2. LADE رقاقة تلفيق

ملاحظة: يتم إجراء رقاقة LADE من كل اثنين من PDMS القطع التي مستعبدين معا عن طريق الرابطة لاصقة 24. الجزء الأول يحتوي على الميزات ميكروفلويديك. الجزء الآخر مسطح وتستخدم لاغلاق القنوات. المستعبدين معا، وأنها تشكل شكل دائري الضروري اجهة رقاقة مع نظام النقل الحبرية. هنا، وتلفيقيوصف اثنين من أجزاء وروابطها. وتظهر جميع الخطوات العملية في الشكل (4).

  1. إعداد 44 غرام من PDMS عن طريق خلط 40 جم من prepolymer مع 4 غرام من PDMS علاج وكيل (وهذا سوف يؤدي إلى ما يصل إلى 6 رقائق). ديغا في PDMS في مجفف حتى يتم فقاعة حرة (وهذا سوف يستغرق حوالي 20 دقيقة).
  2. صب متماثلة نصفي تنظيما.
    1. وضع شكل صب على رأس رقاقة وثبتها في مكانها باستخدام الهياكل توجيه حول تصميم (انظر الشكل 5). تخطي العض في مكانه لPDMS الخفض إلى النصف مسطح.
    2. صب حوالي 3 إلى 4 غرام من PDMS degased في شكل الصب ووضعه لمدة 6 دقائق على طبق ساخن عند 150 درجة مئوية. تهدئة PDMS الشفاء في شكل الصب ورفع بعناية الرقاقة شكل الصب باستخدام ملعقة.
    3. من أجل منع أي تلوث من القنوات ميكروفلويديك تغطية جانب من الشريحة التي كانت في السابق في اتصال وايث الرقاقة مع الشريط. قطع بعناية الشريط على طول حافة الجزء PDMS لإزالة PDMS الزائدة.
  3. لافتعال PDMS نصفين مسطحة تكرر 2.2.1 الخطوات المذكورة أعلاه إلى 2.2.3 مع رقاقة silanized فارغة.
  4. قشر من الشريط ولكمة ثقوب اتصال السوائل إلى نصفين منظمة مع الناخس الخزعة. حماية الهياكل مع الشريط أثناء التخزين.
  5. السندات الأجزاء PDMS معا من قبل الرابطة لاصقة باستخدام PDMS وكيل علاج 24.
    1. خذ رقاقة السيليكون غير المعالجة وتدور معطف مع PDMS وكيل علاج لمدة 30 ثانية عند 6،000 دورة في الدقيقة. خذ رقاقة من المغطي تدور.
    2. إزالة الشريط من نصفين المهيكلة ووضعها مع الهياكل التي تواجه هبوطا على الرقاقة. دفع بلطف على أعلى من PDMS لإزالة فقاعات الهواء.
    3. إزالة الشريط من PDMS نصفين فارغة. اتخاذ الخفض إلى النصف منظم من رقاقة ويدويا محاذاته على رأس PDMS الخفض إلى النصف مسطح. بلطف ضغط علىجزء معا لإزالة فقاعات الهواء، والسماح للعلاج رقاقة تجميعها لمدة 24 ساعة على RT. لا تدفع الأجزاء معا مع القوة لأن هذا يمكن أن يسبب القنوات للانهيار.
  6. قطع غيض من رقاقة على طول خط مؤشر متعامد إلى القناة فوهة بسكين فائدة لفتح فوهة مخرج. استخدام جهاز المواءمة لضمان وجود قطع على التوالي، وهو أمر ضروري لطرد السائل على التوالي. تفقد رقاقة تحت المجهر لعيوب في قنوات ميكروفلويديك وجسيمات الغبار. وضع الشريط على ثقوب مدخل لحماية رقائق أثناء التخزين.
  7. ربط زجاجة Woulff مع أنابيب إلى مصدر النيتروجين الجاف وإلى جميع مداخل للرقاقة LADE. إيداع 50 ميكرولتر من 1 H، H 1، 2 H، H 2 -perfluorodecyltrichlorosilane في أسفل الزجاجة Woulff وإغلاقه.
  8. Silanize القنوات ميكروفلويديك من قبل بيغ جميع القنوات لمدة 20 دقيقة مع تيار النيتروجين تحمل H 1، 1 H H، H 2 -perfluorodecyltrichlorosilane بمعدل تدفق ما يقرب من 1 مل / ثانية. رقائق جاهزة للتجارب ويمكن تخزينها لمدة لا تقل عدة أسابيع في RT.

3. الاستعدادات لنظام القياس / القطرة النقل

ملاحظة: بناء نظام النقل قطرة كله على رأس جدول البصري، لأنه من الضروري لبناء هيكل مستقر لدعم الإعداد. وصفت وهناك مخطط لنظام النقل قطرة كله في الشكل (6).

  1. تثبيت بولي الأعاصير حسب الطلب (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) محول مع 50 سم المرفقة غير القابل للصدأ أنابيب الصلب عموديا. إرفاق محول إلى مصدر الهليوم مع وحدة تحكم تدفق الكتلة. إرفاق (عالية السرعة) وكاميرا ومصباح إلى محول على مواقع المعاكس لقطيرة التصور.
  2. وضع سخان خرطوشة في منتصف الأنبوب الصلب واستخدام بولي (كلوريد الفينيل) (PVC) وأنابيب أنبوب LEGRISالموصل لتوصيل نهاية الأنبوب الصلب مع مدخل للdesolvator الغشاء.
  3. قم بتوصيل منفذ للdesolvator مع أنابيب PVC أخرى إلى محول تدفق الصفحي، وهذا مرتبط مباشرة إلى مدخل ICPMS. قم بتوصيل محول تدفق الصفحي إلى مصدر الأرجون مع وحدة تحكم تدفق الكتلة وبعد ذلك استخدامه لخلط الأرجون لتحقيق حالة عملية مستقرة.
  4. محاذاة محول فضلا عن أنابيب الصلب الرأسي مع مستوى الروح. إذا محاذاة ليست دقيقة، فإنه قد يؤدي إلى خسائر كبيرة من قطرات. إدراج المكونات في محول لمنع تسرب الغازات خلال نظام الاحماء الوقت.
  5. بدء تدفق الغاز عن المذكورة أعلاه والأجهزة التي تستخدم الإعدادات من الجدول 1. السماح للنظام في عملية الاحماء لمدة 15 دقيقة. سخان خرطوشة يحتاج 2 ساعة لتحقيق الاستقرار في درجة الحرارة، وتشغيله في وقت مبكر.
  6. وضع مضخات حقنة على رف في ذروة محول الهليوم الأعاصير. الحفاظ على المسافة بينمضخات حقنة ومحول قصيرة قدر الإمكان.

4. القياسات

ملاحظة: يتم كتابة بروتوكول التالية بصفة عامة بسبب مجموعة متنوعة من الحلول والايقاف التي يمكن استخدامها. ومع ذلك، ينبغي أن تضعف تعليق خلية إلى تركيز <1 × 10 7 خلية / مل، وعند إجراء تحليل خلية واحدة، للتأكد من أن الغالبية العظمى من قطرات تحمل خلية واحدة فقط. لقياسات مع الخلايا تضع مضخات الحقنة في زاوية بحيث مخرج المحاقن يشير إلى أسفل وتثبيت أنابيب في مثل هذه الطريقة التي يشيرون إلى أسفل.

  1. إرفاق أنابيب إلى الحقن. تحميل اثنين من 5 مل المحاقن مع perfluorohexane واحد حقنة 1 مل مع حل عينة أو تعليق. إزالة جميع فقاعات المحاصرين في الحقن والأنابيب.
  2. تثبيت الحقن في ضخ حقنة وربطها مداخل للرقاقة. بدء تشغيل مضخات الحقن باستخدام إعدادات بداية منالجدول 1 (أو أعلى معدلات التدفق). إعطاء التدفقات 3 إلى 5 دقائق لتحقيق الاستقرار.
    1. إزالة السائل الزائد من غيض من رقاقة بمنديل ورقي. يجب السوائل الآن إخراج من رقاقة في طائرة على التوالي. إذا لا يمكن أن يتحقق اللفظ على التوالي عن طريق المسح بمنديل استبدال رقاقة والبدء من جديد مع هذه الخطوة.
  3. إزالة المكونات من محول وإدراج بعناية رقاقة في محول. تليين رقاقة مع FC-40 إذا لزم الأمر. رقاقة يمكن أن تستخدم لمدة 2 ساعة على الأقل من التجارب.
  4. تغيير معدل تدفق لتكون ضمن إعدادات قياس الموصى بها من الجدول 1. انخفاض معدل تدفق PFH ليس فقط يوفر PFH ولكن أيضا يقلل خلفية إشارة، والناجمة عن التدخلات إسوي الضغط.
  5. منح النظام 2-5 دقيقة لتحقيق الاستقرار (اعتمادا على معدلات تدفق المختار). تحسين ICPMS لأعلى كثافة إشارة من التحاليل من الفائدة.
    1. ضبط تباعا تدفقات كافة زويتحقق ASES على وحدات تحكم تدفق كتلة (انظر النطاقات الموصى بها في الجدول 1) حتى الحد الأقصى للكثافة إشارة من التحاليل من الفائدة. ضبط السلطة البلازما والتركيز الفولتية عدسة (وفقا لنطاقات الموصى بها من المصنع) على ICPMS بنفس الطريقة.
  6. تعيين ICPMS لمدة انتظار 10 مللي ثانية (بطلب للحصول على ICPMS جدا تستخدم ولكن يمكن تعديلها مع غيرها من الصكوك لضمان الحيازة حلها الوقت). بدء تسجيل إشارة لم خاص / ض باستخدام بروتوكول الشركة الصانعة.
  7. بعد القياس، نقل البيانات الخام إلى برنامج تحليل البيانات للتقييم. بن البيانات، بالنظر في التهم الموجهة إليه في 10 ميللي ثانية، مع المدمج في وظيفة، ومؤامرة الناتجة القيم مركز بن ضد التهم الموجهة إليه. تناسب كل الذروة في الرسم البياني توزيع الترددات تآمر مع وظيفة غاوس. المتوسط ​​وسيغما للتناسب تمثل كثافة إشارة المتوسط ​​والانحراف المعياري، على التوالي.
<ص الطبقة = "jove_title"> 5. معايرة مفهوم

  1. قياس حل واحد أو متعددة العناصر القياسية التي تحتوي على عنصر أو عناصر من الفائدة على نفس معدلات تدفق كما العينة.
  2. وضع رقاقة LADE في طبق بتري على المجهر. لجودة الصورة أفضل استخدام شريحة غير النواحي. افتعال هذه الشريحة كما هو موضح في الخطوة 2 ولكن باستخدام نموذج الصب مستطيل بسيط بدلا من واحد جزئيا على شكل الجولة.
  3. اتبع الخطوات 4.1 إلى 4.2.1 لبدء الجيل الحبرية. ضبط معدلات التدفق إلى معدلات تدفق المستخدمة في الخطوة 5.1.
  4. تسجيل صور من قطرات مائية مع كاميرا عالية السرعة تعلق على المجهر (الهدف 20X). استخدام برنامج تحليل الصور مثل قياس الأشكال قطرة والبرمجيات velocimetry بواسطة باسو 25 للحصول على متوسط ​​قطرها قطرة من التسجيلات.
  5. استخدام متوسط ​​قطرها قطرة لحساب حجم القطيرات، على افتراض الحبرية هو كائن كروية.
    1. من هذا الحجم وKNتركيز الخاصة لتحليلها في الحبرية حساب عدد الذرات المقابلة. تقسيم عدد من أيونات قياس لكل قطرة من قبل عدد من الذرات للحصول على كفاءة الكشف. استخدام هذه الكفاءة كشف لحساب عدد الذرات في عينة مجهولة.
      ملاحظة: بما أن الاختلافات بين رقائق الفردية صغيرة 22، فإنه ليس من الضروري تكرار قياس حجم القطيرات لكل رقاقة أو الحل إذا بقيت معدلات تدفق نفسها. يتم نشر قائمة أحجام قطرات والترددات وفقا لمعدلات تدفق محددة من قبل Verboket وآخرون. 22.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

نظام عرض يمكن استخدامها لقياس كميات صغيرة من الحلول أو تعليق يحتوي على الخلايا أو الجسيمات النانوية. وترد أمثلة لقياس حل القياسية وتوصيف الخلايا واحد هنا. المزيد من الأمثلة يمكن العثور عليها في Verboket وآخرون. 22.

عادة إشارة من قطرات واحدة للحل هو حدث قصير جدا. فإنه عادة ما يستمر لبضعة 100 μsec 26. مع ICPMS المستخدمة هنا (مدة بقاء 10 ميللي ثانية) إشارات قصيرة مثل هذه لا يمكن أن تحل مؤقتا. 7A الشكل والشكل 7B تظهر إشارات وتوزيع الترددات الرسم البياني للحل نا القياسية. قطرات تصل في البلازما مع الزماني غضب> 10 ميللي ثانية. كشف هو غير المتزامنة. وتلتقط إشارات واحد (201 ± 24)، وهما (381 ± 34) أو ثلاثة (560 ± 45) قطرات داخل أحد زمن السكون. تباين منخفضة في كثافة إشارة تشير درو عاليةmonodispersity PLET. ومن المرجح ذروة المخلفات الأولى نتيجة لشظايا قطيرة. سبب هذا التشرذم لا يزال قيد التحقيق.

تم اختبار نهج معايرة وصفها في 5 (باستخدام الحديد الحل قياسي) لتحديد محتوى الحديد من واحد البقري / العجل خلايا الدم الحمراء (6-7 ميكرون في القطر) علقت في الفوسفات مخزنة المالحة (PBS). واستخدمت تعليق 1 × 10 7 خلايا مل -1 للتأكد من أن الغالبية العظمى من قطرات تحمل خلية واحدة فقط. ويبين الشكل 8 الإشارات من الخلايا كما الرسم البياني توزيع الترددات. في المتوسط ​​تحتوي كل خلية 5.3 ± 1.2 × 10 8 ذرات الحديد (انظر Verboket وآخرون. 22).

الشكل (1)
الشكل 1. صورة مجهرية من الجيل القطيرات، والتسارع وطرد. وفي junct التركيز تدفقأيون، يتم إنشاء قطرات مائية monodisperse في تيار PFH. يضاف PFH إضافية في مفترق الثاني. وفي وقت لاحق، يتم إخراج تيار السائل من رقاقة LADE من خلال فوهة. تبين الأسهم اتجاه التدفق. شريط المقياس هو 500 ميكرون. أقحم: صورة مجهرية من قطرات مائية في PFH قذيفة بعد طرد من رقاقة LADE. مقياس شريط 100 ميكرون. مقتبس بإذن من 22. حقوق الطبع والنشر 2014 الجمعية الكيميائية الأمريكية. تم تعديل هذا الرقم مع بيانات من الأبحاث التي أجريت منذ نشر في مختبر PS ديتريتش. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. تخطيطي لمعالجة SU-8. الأولى وهي مغلفة طبقة التصاق. رقاقة السيليكون هو تدورالمغلفة مع SU-8 عام 2002، خبز لينة، والفيضانات يتعرض مع الأشعة فوق البنفسجية وآخر خبز. على رأس هذه الطبقة يتم إنتاج الهياكل ميكروفلويديك. الرقاقة هي تدور المغلفة مع SU-8 2050 و لينة خبز. يتم نقل تصميم الهياكل ميكروفلويديك إلى الرقاقة عن طريق تعريضها مع الأشعة فوق البنفسجية من خلال الضوئية الرئيسية. بعد خبز بعد التعرض، تم تطوير مقاومة للضوء ويتم تنفيذ hardbake. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. تصميم والضوئية لرقاقة LADE يحتوي على الميزات التالية: هياكل أ) توجيه للنموذج الصب، وب) مدخل لPFH لقطيرة التسارع، ج) مدخل لPFH لتوليد الرذاذ ود) مدخل لعينة المائية.ه) خط المؤشر لقطع غيض من رقاقة. بعرض القناة و) = 40 ميكرون، ز) = 20 ميكرون) و (ح) = 25 ميكرون. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. الرسم البياني عملية للرقاقة تلفيق LADE. أولا منظم وPDMS مسطحة هي ملفقة أجزاء صب متماثلة. مستعبدين للقطعتين معا من قبل الرابطة لاصقة. وأخيرا، هو قطع غيض من رقاقة قبالة وsilanized القنوات ميكروفلويديك. مقتبس بإذن من 22. حقوق الطبع والنشر 2014 الجمعية الكيميائية الأمريكية. لقد تم تعديل هذا الرقم منذ نشر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الشكل 5. الرسم التقني للشكل صب الألومنيوم لرقاقة LADE. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6. رسم تخطيطي من الإعداد (وليس لتوسيع نطاق). ويتكون النظام من رقاقة LADE، محول الأعاصير، أنبوب الصلب ساخنة، وdesolvator الغشاء، وICPMS. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم .

pload / 52525 / 52525fig7highres.jpg "/>
الرقم 7. الرسم البياني (A) إشارات من قطرات مصنوعة من ل1 ملغ كغم -1 نا حل القياسية. (B) توزيع تردد هذه الإشارات. في 10 ميللي ثانية يسكن إشارات وقت واحد (الصفراء)، وهما (الحمراء) أو ثلاثة (الأزرق) قطرات سجلت. يعني وتم تحديد الانحراف المعياري للإشارات التي كتبها ظائف جاوس المناسب. وكانت معدلات تدفق المستخدمة 0.5، 50، و 60 دقيقة ميكرولتر - 1 من عينة المائية، PFH لتوليد القطيرات، وPFH لقطيرة التسارع، على التوالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8. تردد توزيع الرسم البياني لل56 + الحديد يشير جنرال الكتريكnerated من قبل خلايا الدم الحمراء. يعني وتم تحديد الانحراف المعياري للإشارات من المناسب وظيفة جاوس. وكانت معدلات تدفق المستخدمة 2، 80، و 80 دقيقة ميكرولتر - 1 من تعليق خلية، PFH لتوليد القطيرات، وPFH لقطيرة التسارع، على التوالي.

كان معدل تدفق الغاز 0،6-0،8 L دقيقة -1
سخان خرطوشة 30 W
Desolvator درجة حرارة الغشاء 160 ° C
Desolvator الاجتياح معدل تدفق الغاز 3-4 L دقيقة -1
معدل تدفق الغاز AR 0.1 L دقيقة -1
ICP السلطة البلازما 1،300 W
معدل التدفق عينة بدء 1 ميكرولتر دقيقة -1
قياس ،3-15 ميكرولتر دقيقة -1
معدل تدفق PFH الجيل الحبرية بدء 60 ميكرولتر دقيقة -1
قياس 35-80 دقيقة ميكرولتر -1
معدل تدفق PFH قطرة التسارع بدء 60 ميكرولتر دقيقة -1
قياس 35-80 دقيقة ميكرولتر -1

الجدول 1. ابدأ إعدادات وأوصى إعدادات قياس لICPMS ومضخات الحقن.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

على الرغم من أن تصنيع رقائق هو موثوق بها جدا وهناك بعض النقاط الحرجة خلال تلفيق التي تتطلب اهتماما خاصا. أولا، والنظافة خلال التجمع مهمة للغاية لمنع التلوث من الشريحة من الغبار. الغبار يمكن أن تسد القنوات ومنع جيل قطرة مستقر. ثانيا، من المهم بصفة خاصة أن الطرف هو قطع متعامد إلى القناة فوهة. زاوية قطع تؤثر تأثيرا قويا في زاوية طرد. إذا يتم إخراج السائل في زاوية أنها يمكن أن تسبب فقدان قطرات طرد.

عند بناء الإعداد ضمان أن تكون مستقرة. المحاذاة العمودية من أنبوب معدني ومحول مهمة. خلال القياسات أيضا هناك بعض النقاط التي تحتاج إلى عناية خاصة. إدخال الشريحة في محول لابد من تنفيذها بعناية. يمكن أن يحدث هذا خلال الإدراج تعطل الطائرة ويتوقف. لقياسات مع الخلايا الموقف وأوريntation من المضخات والأنابيب حقنة مهمة. وضعهم سليم يمكن أن يقلل تسوية من الخلايا في المحقنة والأنابيب.

رقاقة LADE المقدمة هنا لديها العديد من المزايا أكثر من مولدات قطرة التجارية القائمة. هذا النظام هو أكثر قوة، ويوفر أوسع نطاق حجم القطيرات، والتي يمكن تمديده لتعديل هندسة القناة، وغير القابل للتصرف. استخدام جهاز واحد هو من اهتمام خاص لتحليل عينات مع نسبة عالية من الأملاح أو المخلفات الصلبة، أما بالنسبة النانوية المثال أو الايقاف الخلية، التي يمكن أن تسد قنوات صغيرة ولا يمكن دائما أن تغسل بسهولة. نقل microdroplets واحدة الناتجة عن LADE في MS لا يزال الحد خطوة في نظامنا، ويجب أن يكون أبعد الأمثل. الجمعية النقل قطرة الحالي، على الرغم من أن يزيل بخار PFH، الذي من شأنه أن يخلق خلاف ذلك الطيفية إضافية والتدخلات غير الطيفية ويسبب عدم استقرار البلازما، ولكن الأمراض المنقولة جنسياالنتائج ليرة لبنانية في غضب زمنية عالية وصول قطرة في MS والنقل قطيرة غير مكتملة. وبالمقارنة مع أنظمة قطرة مقدمة المتاحة التجارية نظام النقل لهذا الإعداد يتطلب المزيد من المعدات. تم تصميم رقاقة الحالي لتقديم عينة فقط. ومع ذلك، مع تغييرات طفيفة للتصميم مقدمة المتقدمة وإعداد العينات الخطوات ستنفذ سحابة على الرقاقة، على سبيل المثال، تخفيف 27-29، والخلط بسرعة 30، التفاعلات الكيميائية جدا 31، والفصل 32-34، أو خلية فرز 35،36. تحت أجهزة إدخال المتقدمة نفهم على سبيل المثال إدخال العينة والقياسية قطرات بالتسلسل أو بالتوازي مع شريحة واحدة. وهذا من شأنه زيادة الإنتاجية وتحسين دقة التحليل الكمي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafer 100 mm Si-Mat (Kaufering, Germany)
SU-8 2002 Microchem Corp. (Massachusetts, U.S.A.)
SU-8 2050 Microchem Corp. (Massachusetts, U.S.A.)
Acetone Merk VWR (Darmstadt, Germany) 100014
MR-developer 600 Microresist Technology GmbH (Berlin, Germany)
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.)
Multielement standard solution  Merck Millipore (Massachusetts, U.S.A.) IV
Nitric acid Sub-boiled
Ultrahigh-purity water Merck Millipore (Massachusetts, U.S.A.)
Hot plate HP 160 III BM Sawatec (Sax, Switzerland) used for wafer preparation
Spin modules SM 180 BM Sawatec (Sax, Switzerland) used for wafer preparation
High resolution film photomask Microlitho (Essex, U.K.)
Step profiler Dektak XT advanced Bruker  (Massachusetts, U.S.A.)
Hot plate MR 3002 Heidolph (Schwabach, Germany) 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.) used for adhesive bonding
Syringe pump neMESYS Cetoni (Korbussen, Germany)
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.) 
Membrane desolvator CETAC6000AT+ CETAC Technologies (Nebraska, U.S.A.)  only the desolvator unit is used
High speed camera Miro M110 Vision Research (New Jersey, U.S.A.)
Data analysis program Origin pro OriginLab Corp. (Massachusetts, U.S.A.) version 8.6
Microscope Olympus (Tokyo, Japan) IX71

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Todoli, J. -L., Mermet, J. -M. Liquid sample introduction in ICP spectrometry: A Practical Guide. , Elsevier. Amsterdam. 10-1016 (2008).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Teh, S. -Y., Lin, R., Hung, L. -H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a Chip. 8 (2), 198-220 (2008).
  12. 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).
  13. Theberge, A. B., et al. Microfluidic platform for combinatorial synthesis in picolitre droplets. Lab Chip. 12 (7), 1320-1326 (2012).
  14. 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).
  15. Zhang, Q., Liu, X., Liu, D., Gai, H. Ultra-small droplet generation via volatile component evaporation. Lab Chip. 14 (8), 1395-1400 (2014).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Bremond, N., Thiam, A. R., Bibette, J. Decompressing emulsion droplets favors coalescence. Phys. Rev. Lett. 100 (2), 024501 (2008).
  29. Niu, X., Gulati, S., Edel, J. B., deMello, A. J. Pillar-induced droplet merging in microfluidic circuits. Lab Chip. 8 (11), 1837-1841 (2008).
  30. Song, H., Ismagilov, R. F. Millisecond kinetics on a microfluidic chip using nanoliters of reagents. J. Am. Chem. Soc. 125 (47), 14613-14619 (2003).
  31. Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microflulidic channels. Angew. Chem., Int. Ed. 45 (44), 7336-7356 (2006).
  32. 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).
  33. Edgar, J. S., et al. Compartmentalization of chemically separated components into droplets. Angew. Chem., Int. Ed. 48 (15), 2719-2722 (2009).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 97، مطياف الكتلة، ICPMS، على microfluidics، قطرات على microfluidics، monodisperse، عينة المقدمة، رقاقة، وخلايا الدم الحمراء، كريات الدم الحمراء، وتحليل خلية واحدة
رقاقة ميكروفلويديك لICPMS مقدمة عينة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Verboket, P. E., Borovinskaya, O.,… More

Verboket, P. E., Borovinskaya, O., Meyer, N., Günther, D., Dittrich, P. S. A Microfluidic Chip for ICPMS Sample Introduction. J. Vis. Exp. (97), e52525, doi:10.3791/52525 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter