我们介绍一种用于电感耦合等离子体质谱（ICPMS）的离散液滴样品引入系统。该系统基于一种廉价且可弃用的微流控芯片，可在40−60 µm尺寸范围内以90至7,000 Hz的频率生成高度单分散的液滴。
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本文内容
摘要
摘要
本方案介绍了用于电感耦合等离子体质谱（ICPMS）样品引入系统的低成本一次性微流控芯片的制备与使用方法。该芯片可在全氟己烷（PFH）中生成单一分散的水相样品液滴。水相液滴的尺寸和频率可分别在40至60 µm和90至7,000 Hz范围内调节。液滴由第二股PFH载流从芯片中喷出，并在喷出过程中保持完整。通过自行搭建的去溶剂化系统去除PFH后，将液滴输送至ICPMS中。在此条件下可获得非常稳定的信号，且信号强度分布窄，体现了液滴的高度均一性。我们展示了该样品引入系统可用于定量测定单个牛红细胞中的铁含量。未来，通过集成额外的微流控模块，可轻松扩展该引入装置的功能。
引言
采用电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）对液体样品进行元素分析时，通常使用雾化器结合喷雾室作为样品引入系统1。在此样品引入系统中，样品通过雾化器喷雾生成多分散气溶胶。下游的喷雾室用于过滤较大的液滴。该方法存在样品消耗量高（>0.3 ml min-1）2 和样品传输不完全的问题。因此，在仅可获得微升级样品体积的应用中（如生物学、法医学、毒理学和临床研究）3，该方法变得不切实际。为降低样品消耗，已开发出喷嘴尺寸更小的雾化器3。然而，当需要分析未经消解的生物流体或高浓度盐溶液时，喷嘴尺寸减小会增加堵塞风险3。
Olesik 等4提出了一种不同的样品引入方法。作者通过压电驱动的微泵将液体以单分散微液滴的形式注入ICPMS。尽管该系统本身并未得到广泛应用，但它推动了ICPMS中离散液滴引入概念的进一步发展。如今，已有可购买的压电驱动分配系统，能够生成直径为30、50、70和100 µm、频率为100–2,000 Hz的液滴。这些液滴可被几乎100%高效地输送至ICPMS5。此类微液滴分配器已被用于单个纳米颗粒的定量测量5,6以及单个生物细胞的表征7。基于热喷墨技术8的类似系统也已用于生物样品分析测试9....
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方案
1. SU-8 母版制作（图 2）
注意：SU-8 原模的制备需在洁净室中进行，以防止灰尘颗粒导致缺陷。制备过程需要两片晶圆，一片带有微流控结构，另一片不带。
- 准备微流控芯片的主模具。首先在硅片上涂覆一层粘附层。
- 将硅片在 200 °C 下脱水 10 分钟。将硅片冷却至室温后，放入旋涂仪中，并按照以下程序使用 SU-8 2002 进行旋涂。
- 在硅片上滴加约 3 ml 光刻胶。
- 以 500 rpm 的转速旋涂 10 秒，使光刻胶均匀覆盖整个硅片。
- 以 2,000 rpm 的转速旋涂 30 秒，获得厚度约为 2 µm 的光刻胶层。
- 用浸有丙酮的棉签去除硅片边缘多余的光刻胶，以防止下一步中硅片粘附在热板上。随后在热板上于 95 °C 烘烤 60 秒。
- 用紫外光（365 nm 处 80 mJ/cm2）整体曝光硅片。曝光后在 95 °C 下后烘 120 秒。
- 将硅片冷却后，立即按照以下程序再次使用 SU-8 2050 进行旋涂：
- 以 100 rpm 的转速旋涂 20 秒（此过程中滴加约 3 ml SU-8 光刻胶）....
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结果
该系统可用于测量含有细胞或纳米颗粒的溶液或悬浮液的小体积样品。本文展示了标准溶液的测量以及单个细胞表征的示例。更多示例可参见 Verboket 等22。
通常，单个液滴溶液的信号是一个非常短暂的事件，持续时间仅为几毫秒。 100 µsec26由于所用的ICPMS（停留时间10毫秒）无法对如此短暂的信号进行时间分辨。 图7a 和 图7b 显示钠标准溶液的信号及频率分布直方图。液滴到达等离子体时存在时间抖动 > 10 毫秒。检测不同步。在一个驻留时间内检测到一个（201 ± 24）、两个（381 ± 34）或三个（560 ± 45）液滴的信号。信号强度的低变异表明液滴具有高单分散性。首个拖尾峰可能是液滴碎片所致；该碎片化的成因仍在研究中。
使用铁标准溶液的校准方法（步骤5所述）已用于测定单个牛/小牛红细胞（6-7 µm 直径）悬浮于磷酸盐缓冲液（PBS）中。该悬浮液为 1 x 107 <.......
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讨论
尽管芯片的制备具有很高的可靠性，但在制备过程中仍有一些关键步骤需要特别注意。首先，组装过程中的清洁度至关重要，以防止灰尘污染芯片。灰尘可能堵塞通道，导致液滴无法稳定生成。其次，切割毛细管尖端时必须确保其与喷嘴通道垂直。切割角度会显著影响液体的喷射角度；若液体以倾斜角度喷出，可能导致喷射出的液滴损失。
搭建装置时，需确保其稳定性。金属管与适配器的垂直对齐至关重要。此外，在测量过程中有一些要点需要特别注意。将芯片插入适配器时必须小心操作，否则可能在插入过程中破坏射流，导致射流中断。进行细胞测量时，注射泵和管路的位置与方向非常重要，正确放置可减少细胞在注射器和管路中的沉降。
本文所介绍的LADE芯片相较于现有的商用液滴发生器具有多项优势。该系统更为稳定，能够产生更宽范围的液滴尺寸，且通过调整通道几何结构还可进一步扩展液滴尺寸范围，并具备一次性使用的特点。对于含有高浓度盐分或固体残留物的样品（例如纳米颗粒或细胞悬浮液）而言，单次使用装置尤为适用，因为这类样品容易堵塞微小通道，且难以彻底清洗。目前，LADE生成的单个微液滴向质谱仪（MS.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本工作由欧洲研究理事会（ERC起始资助项目nμLIPIDS，编号203428）和苏黎世联邦理工学院（项目编号：ETH-49 12-2）资助。本论文作者谨此感谢Bodo Hattendorf在ICP-MS方面的协助，以及F. Kurth在细胞计数方面的帮助。作者还感谢Christoph Bärtschi和Roland Mäder在搭建机械装置方面提供的支持。特此感谢苏黎世联邦理工学院的洁净室设施FIRST在微加工方面提供的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100 毫米硅晶圆 | Si-Mat (德国考弗灵) | ||
| SU-8 2002 | Microchem Corp. (美国马萨诸塞州) | ||
| SU-8 2050 | Microchem Corp. (美国马萨诸塞州) | ||
| 丙酮 | Merk VWR (德国达姆施塔特) | 100014 | |
| MR显影剂600 | Microresist Technology GmbH (德国柏林) | ||
| 异丙醇 | Merk VWR (德国达姆施塔特) | 109634 | |
| 1H,1H,2H,2H-三氯(全氟癸基)硅烷 | ABCR-Chemicals (德国卡尔斯鲁厄) | AB111155 | |
| Sylgard 184 硅橡胶弹性体试剂盒 (PDMS) | Dow Corning (美国密歇根州) | 39100000 | |
| 99% 全氟己烷 | Sigma-Aldrich (美国密苏里州) | 281042 | |
| FC-40 | ABCR-Chemicals (德国卡尔斯鲁厄) | AB103511 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Life Technologies (英国佩斯利) | 10010-015 | |
| 磷酸盐缓冲液中的红细胞 | Rockland Immunochemicals Inc. (美国宾夕法尼亚州) | R400-0100 | |
| 单元素标准溶液 Na, Fe | Inorganic Ventures (美国弗吉尼亚州) | ||
| 多元素标准溶液 | Merck Millipore (美国马萨诸塞州) | IV | |
| 硝酸 | 亚沸蒸馏 | ||
| 超纯水 | Merck Millipore (美国马萨诸塞州) | ||
| 热板 HP 160 III BM | Sawatec (瑞士萨克斯) | 用于晶圆制备 | |
| 旋涂模块 SM 180 BM | Sawatec (瑞士萨克斯) | 用于晶圆制备 | |
| 高分辨率薄膜光掩模 | Microlitho (英国埃塞克斯) | ||
| 台阶轮廓仪 Dektak XT advanced | Bruker (美国马萨诸塞州) | ||
| 热板 MR 3002 | Heidolph (德国施瓦巴赫) | 用于复制模塑 | |
| 1.5 毫米活检打孔器 | Miltex (美国宾夕法尼亚州) | 33-31AA/33-31A | |
| 旋涂机 WS-400 BZ-6NPP/LITE | Laurell (美国宾夕法尼亚州) | 用于粘合 | |
| 注射泵 neMESYS | Cetoni (德国科堡) | ||
| 1 毫升注射器 | Codan (德国伦萨恩) | 62.1002 | |
| 5 毫升注射器 | B. Braun (德国美尔松根) | 4606051V | |
| 聚四氟乙烯 (PTFE) 管路 | PKM SA (瑞士吕斯) | PTFE-AWG-TFT20.N | |
| 基于四极杆的电感耦合等离子体质谱仪 ELAN6000 | PerkinElmer (美国马萨诸塞州) | ||
| 膜去溶剂化器 CETAC6000AT+ | CETAC Technologies (美国内布拉斯加州) | 仅使用去溶剂化单元 | |
| 高速相机 Miro M110 | Vision Research (美国新泽西州) | ||
| 数据分析软件 Origin Pro | OriginLab Corp. (美国马萨诸塞州) | 版本 8.6 | |
| 显微镜 | Olympus (日本东京) | IX71 |
参考文献
- Todoli, J. -L., Mermet, J. -M. Liquid sample introduction in ICP spectrometry: A Practical Guide. , Elsevier. Amsterdam. 10-1016 (2008).
- Sutton, K. L., B'Hymer, C., Caruso, J. A. Ultraviolet absorbance....
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重印与许可
