Um chip microfluídico para ICPMS Amostra Introdução
Summary
Nós apresentamos um sistema de introdução de amostras de gotículas discreto para espectrometria de massas com plasma (ICPMS). Baseia-se um chip de microfluidos barato e descartável, que gera gotículas altamente monodispersas numa gama de tamanhos de 40-60 mm a frequências de 90 a 7.000 Hz.
Abstract
Este protocolo discute a fabricação e uso de um baixo custo chip microfluídico descartável como o sistema de introdução de amostras para a espectrometria de massas com plasma (ICPMS). O chip produz gotículas monodispersas em amostras aquosas de perfluoro-hexano (PFH). Tamanho e frequência das gotículas aquosas pode ser variada no intervalo de 40 a 60 mm e de 90 a 7000 Hz, respectivamente. As gotículas são ejectadas a partir do chip com um segundo fluxo de PFH e permanecer intacta durante a ejecção. Um sistema de dessolvatação construído sob encomenda remove o PFH e transporta as gotas para os ICPMS. Aqui, os sinais muito estáveis com uma estreita distribuição de intensidade pode ser medido, mostrando o monodispersity das gotículas. Mostra-se que o sistema de introdução podem ser utilizados para a determinação quantitativa de ferro nas células vermelhas do sangue de bovinos individuais. No futuro, as capacidades do dispositivo de introdução pode ser facilmente estendido pela integração de módulos microfluídicos adicionais.
Introduction
Análise elementar de amostras líquidas por espectrometria de massas com plasma (ICPMS) é comumente realizada utilizando nebulizadores em combinação com câmaras de pulverização como o sistema de introdução 1. Neste sistema de introdução da amostra, a amostra é pulverizada através de um nebulizador para gerar um aerossol polidispersa. A câmara de pulverização downstream é usado para filtrar grandes gotas. Este método está associado a um elevado consumo de amostra (> 0,3 ml min -1) 2 e um meio de transporte da amostra incompleta. Assim, torna-se impraticável para aplicações onde os volumes de amostra apenas microlitro estão disponíveis, como em estudos biológicos, forenses, toxicológicos e clínicos 3. Para reduzir o consumo de amostra, os nebulizadores com dimensões de bicos menores foram desenvolvidos 3. No entanto, o tamanho do bico reduzida aumenta o risco de entupimento quando amostras de fluidos biológicos não digeridas ou soluções salinas concentradas têm de ser analisados 3.
<p class="Jove_content"> Uma abordagem diferente para a introdução da amostra foi proposto por Olesik et al. 4. Os autores injectado um líquido em ICPMS sob a forma de microgotículas monodispersas discretas, que foram produzidos por uma microbomba conduzido piezo-electricamente. Mesmo que esse mesmo sistema não encontrou a aplicação larga, iniciou o desenvolvimento do conceito de introdução gota discreta em ICPMS. Hoje, piezo-electricamente impulsionada sistemas, o que pode gerar gotículas de tamanho de 30, 50, 70 e 100 ^ m e a frequências de 100-2,000 Hz distribuição, podem ser adquiridos. As gotas podem ser transportadas para ICPMS com perto de 100% de eficiência 5. Estes distribuidores microgotícula foram aplicadas para medir quantitativamente nanopartículas individuais 5,6, bem como caracterizar as células biológicas individuais 7. Um sistema semelhante com base na tecnologia de jacto de tinta térmico 8 foi testado para análise de amostras biológicas 9. Embora o available sistemas individuais de introdução das gotículas são muito eficientes, podem ser utilizados para pequenos volumes de amostra e são promissores para a análise de células e nanopartículas, eles têm várias limitações. Para um tamanho fixo do bocal, o tamanho das gotas pode ser variada apenas ligeiramente (a menos que ajustes personalizados são utilizados 10). As alterações das propriedades físicas do líquido (pH, teor de sal) podem alterar as características de gotículas (tamanho, velocidade de injecção). Além disso, estes dispositivos são bastante caros, propensos a entupimento e são difíceis de limpar.Outro método para gerar gotículas é conhecido no campo da gota de 11 microfluidos. Nos últimos anos gota microfluidics ganhou interesse para (bio) reações químicas 12-15 e para estudos de células únicas 16,17. Além disso, esta técnica foi aplicada para a introdução de amostras em espectrometria de massa por ionização por electropulverização 18,19 e para a preparação de amostras de laser assistida por matriz dessorção / ionizatioespectrometria de massa n 20,21.
Recentemente, nós introduzimos um sistema baseado microfluídicos para a introdução da amostra em ICPMS 22. O principal componente do nosso sistema de introdução é a ejecção de gotículas (LADE) chip de líquido assistida. Este chip consiste totalmente de poli (dimetilsiloxano) (PDMS). Na primeira junção do canal de fluxo a focagem é usado para gerar gotículas monodispersas de uma solução aquosa a amostra (Figura 1). Para este efeito, a altamente volátil (ponto de 58-60 ° C de ebulição 23) e o transportador de fase imiscível perfluoro (PFH) é utilizado (Figura 1). Estas propriedades de PFH permitir uma geração de gotículas estável e rápida remoção da fase da portadora. As alterações nas propriedades do líquido de amostra influência este método de geração menos, em comparação com outros geradores de gotas. O tamanho das gotículas é ajustável ao longo de uma vasta gama, alterando as taxas de fluxo da fase aquosa e a PSF. Numa secondar jusantey junção, mais PFH é adicionado para aumentar a velocidade do fluxo de, pelo menos, 1 m seg -1. A esta velocidade, o líquido pode ser ejetado do chip no jet estável e reto (Figura 1), sem destruição das gotículas (Figura 1 caixa). Este projeto de junção dupla permite controlar a estabilidade jet independente de geração de gotículas. As gotículas são transportados para os ICPMS com um sistema de transporte personalizado. Este sistema compreende um tubo de queda e uma desolvator membrana para remover o PFH. Os resíduos secos das gotículas aquosas são subsequentemente ionizado no plasma do ICPMS e um detector mede os iões de massa. A parte da frente do chip é garantir uma conexão firme com o sistema de transporte de gotícula em forma de barril. A ejecção da amostra aquosa como gotículas de PFH é benéfica, porque o contacto com o bocal é evitada. Isto reduz consideravelmente o risco de entupimento do bico, o qual pode ser um problema quando se trabalha com suspensões de células ou de cosoluções salinas ncentrated. Os chips LADE, fabricados por PDMS litografia macia, são baratas (custo do material de aproximadamente US $ 2 por chip), descartáveis e fácil de modificar. Em combinação com a fabricação, que requer apenas uma pequena quantidade de trabalho manual cada experiência pode ser realizada com um novo chip. Portanto, uma limpeza laboriosa não é necessário e é minimizada a contaminação cruzada.
Aqui, a fabricação do chip CARREGAR por litografia macia e sua aplicação para ICPMS são descritos. Exemplos de medições com uma solução aquosa e uma suspensão de células são apresentados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Embora a fabricação dos chips é muito confiável há alguns pontos críticos durante a fabricação que requerem atenção especial. Em primeiro lugar, a limpeza durante a montagem é muito importante para evitar a contaminação do chip pela poeira. A poeira pode bloquear os canais e prevenir uma geração de gotículas estável. Em segundo lugar, é especialmente importante que a ponta é cortada ortogonal para o canal do bocal. O ângulo de corte influencia fortemente o ângulo de ejecção. Se o líquido é eject…
Disclosures
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 |
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