رقاقة ميكروفلويديك لICPMS مقدمة عينة
مارس 5, 2015
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.
الهدف العام من هذا الإجراء هو توليد وتحليل التركيب الأولي للقطرات الدقيقة أحادية التشتت التي تحتوي على خلايا مفردة أو محاليل مائية بواسطة I-C-P-M-S. يتم تحقيق ذلك عن طريق تصنيع شريحة مائع دقيقة أولا باستخدام قولبة النسخة المتماثلة باستخدام PDMS. الخطوة الثانية هي توصيل مضخات الحقنة بشريحة الموائع الدقيقة.
ستوفر المضخات العينة المائية والمرحلة الحاملة شديدة التقلب والمصرح بها أو العضوية PFH. عند تشغيل مضخة الحقنة ، تولد رقاقة الموائع الدقيقة قطرات أحادية مشتتة من محلول العينة المائية أو تعليق الخلية عن طريق التدفق ، مع التركيز على PFH وتخرج هذه القطرات مع PFH إضافي من الرقاقة كنفاثة سائلة. تتمثل الخطوة الأخيرة في إدخال الشريحة في مجموعة نقل تتكون من سخان خرطوشة يتبخر القطرات وغشاء de salvator يزيل المذيبات قبل التأين والكشف عن محتوى القطرة بواسطة I-C-P-M-S.
في النهاية ، يتم استخدام الإشارات المسجلة وقياس المعايرة بمحلول قياسي لتحديد التركيب الأولي لمحلول العينة أو الخلايا الموجودة في التعليق. تتمثل المزايا الرئيسية لتقنية الموائع الدقيقة الخاصة بنا على الطرق الحالية في حجم القطرات القابلة للتعديل ، والاستهلاك المنخفض للعينة ، وانخفاض مخاطر عدم التقطيع عند العمل مع معلقات الخلايا أو محاليل الملح المركزة. علاوة على ذلك ، فإن رقاقة الموائع الدقيقة التي تستخدم لمرة واحدة منخفضة التكلفة تتجنب وقت التنظيف وتقضي على التلوث المتبادل.
سيتمتوضيح الإجراء على جميع VIN SC ، طالب دكتوراه من مختبر البروفيسور GTAs وباسكال فابريسا ، طالب دكتوراه من مختبري. لبدء عملية التصنيع الدقيق ، قم بقياس 40 جراما من PDMS وأربعة جرامات من عامل معالجة PDMS في طبق بلاستيكي كبير. اخلطي كلا الجزأين بالتساوي باستخدام ملعقة وضع الطبق داخل فراغ مجفف لمدة 20 إلى 30 دقيقة لتفريغ جميع الفقاعات من الخليط.
أثناء التفريغ. ضع قالب صب فوق رقاقة سيليكون دقيقة البنية واستخدم الهيكل التوجيهي حول التصميم لتثبيته في مكانه على رقاقة سيليكون مسطحة. ضع قالب صب آخر في الأعلى بحرية.
صب ما يقرب من ثلاثة إلى أربعة جرامات من خليط Degas PDMS على كلا قالبي الصب. انقل رقائق السيليكون إلى طبق ساخن. عالج PDMS عند 150 درجة مئوية لمدة ست دقائق ، ثم تبرد.
هياكل PDMS الصلبة على المقعد في درجة حرارة الغرفة باستخدام ملعقة معدنية. افصل بعناية كتل PDMS الصلبة عن القوالب. حماية أسطح الترابط لكلتا الكتلتين من تلوث الجسيمات وبصمات الأصابع.
من خلال تطبيق طبقة من الشريط اللاصق الشفاف ، يمكن الآن التعامل مع قطع PDMS وقصها حسب الحجم باستخدام المقص. بعد التشذيب ، قم بإزالة الشريط من كتلة PDMS ذات البنية الدقيقة واستخدم ثقب الخزعة لإنشاء منافذ مدخل الموائع الدقيقة. هذا يكمل عملية التصنيع للنصف الصغير من الجهاز ، وهو الآن جاهز للربط والتجميع مع نظيره المسطح.
لإعداد الخدمات لربط PDMS إلى PDMS ، ابدأ بتدوير طبقة من عامل معالجة PDMS على رقاقة سيليكون فارغة عند 6 ، 000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية بينما لا يزال عامل المعالجة رطبا ، اجعل واجهة الترابط لكتلة PDMS ذات الهيكل الدقيق ملامسة الرقاقة وقم بالضغط برفق فوق PDMS لتشكيل ختم سلس بدون فقاعات. في خطوة منفصلة ، قم بإزالة الشريط الواقي من النظير المسطح. ثم افصل ببطء PDMS الهيكل الدقيق عن رقاقة السيليكون.
قم بمحاذاة قطعتي PDMS بعناية واجعل واجهتي الترابط في الاتصال. اضغط برفق على الكتلتين لإزالة أي فقاعات بينية ومعالجة شريحة PDMS المجمعة لمدة 24 ساعة في درجة حرارة الغرفة باستخدام سكين متعدد الاستخدامات وجهاز محاذاة ، قم بعمل قطع على طول خط المؤشر متعامد مع فوهة المخرج. افحص الشريحة تحت المجهر بحثا عن عيوب التشذيب وتلوث الجسيمات المجاورة لفوهة المخرج المكشوفة.
بعد تقييم جودة التصنيع ، تكون الأسطح الداخلية للقناة الدقيقة PDMS جاهزة للعزل. في غطاء كيميائي ، قم بتوصيل أحد طرفي زجاجة الذئب بمصدر نيتروجين جاف وقم بتوصيل الطرف الآخر من الزجاجة بمداخل شريحة PDMS. باستخدام أنابيب متعددة متصلة بمشعب مركزي ، ثم قم بإدخال 50 ميكرولترا من السلين في زجاجة الذئب وأغلق الغطاء العلوي.
قم بتشغيل تيار ناقل النيتروجين وشطف القنوات الدقيقة بمحلول ملحي يحتوي على بخار لمدة 20 دقيقة بمعدل تدفق يبلغ حوالي مليلتر واحد في الثانية. أخيرا ، افصل أنابيب المدخل عن زجاجة الذئب. رقائق PDMS المطلية جاهزة لتجارب قياس الطيف الكتلي لقياسات قياس الطيف الكتلي أحادية الخلية.
أولا ، قم بتخفيف عينة الإدخال بمخزن مؤقت مناسب بحيث يكون التركيز الخلوي الفعال أقل من 10 ملايين خلية لكل مليلتر استعدادا لقياس الطيف الكتلي ، ابدأ بربط الأنابيب بمحاقن العينة. قم بتحميل حقنتين من خمسة ملليلتر مع PFH وقم بتحميل عينة الإدخال في حقنة منفصلة سعة مليلتر واحد. قم بإزالة جميع الفقاعات المحبوسة داخل المحاقن والأنابيب وقم بتحميل المحاقن على مضخة حقنة.
تأكد من محاذاة أنبوب النقل بشكل صحيح وتوصيل جميع أنابيب الغاز. بعد ذلك ، قم بتوصيل أنابيب الحقنة بمنافذ مدخل شريحة PDMS وقم بتنشيط مضخة الحقنة لمدة ثلاث إلى خمس دقائق. أثناء عملية تثبيت التدفق هذه ، قم بإزالة أي سائل زائد من منفذ المخرج بمنديل.
في حالة خروج السائل ، لا تشكل الرقاقة نفاثة مستقيمة. بعد خمس دقائق ، حاول مسح أي عوائق محتملة عند مخرج الرقاقة بمنديل نظيف. إذا لم تنجح ، فتجاهل الشريحة الموجودة واستبدل الاتصال بشريحة جديدة.
قم بإزالة القابس من محول البخاخ الإعصاري وأدخل بعناية شريحة PDMS المستقرة بالتدفق في المحول. قم بتغيير معدل التدفق وفقا للإعدادات الموصى بها ، وأعد استقرار التدفق لمدة دقيقتين إلى خمس دقائق. في الوقت نفسه ، اضبط معدلات التدفق لجميع الغازات حتى يتم تحقيق أقصى شدة إشارة للتحليل محل الاهتمام.
أيضا ، قم بضبط قوة البلازما وجهد عدسة التركيز على مطياف الكتلة لزيادة تحسين شدة الإشارة عند تحسين الإشارة. اضبط مطياف الكتلة على وقت مكوث يبلغ 10 مللي ثانية وابدأ في الحصول على البيانات. بعد القياسات ، انقل البيانات الأولية إلى برنامج تحليل البيانات.
في روتين تحليل البيانات النموذجي ، يتم أولا فصل جميع القياسات إلى صناديق بيانات حيث يمثل كل صندوق عدد التهم لكل 10 مللي ثانية من وقت السكون ، ثم يتم إنشاء مخطط رسم بياني لجميع الصناديق وتزويده بوظيفة التوزيع الغوسي. يمثل متوسط وانتشار النوبات الفردية كلا من متوسط شدة الإشارة والانحراف المعياري عند نسبة كتلة معينة إلى الشحنة. لبدء عملية المعايرة، قم أولا بقياس محلول قياسي بنفس معدل تدفق العينة.
باستخدام شريحة PDMS لتوليد القطرات ، قم بإعداد حقنتين بسعة خمسة مليلتر ل PFH وحقنة واحدة سعة مليلتر للحل القياسي. ثم باستخدام طبق بتري كحامل عينة مجهر، ضع شريحة PDMS في طبق بتري وقم بتركيز الشريحة تحت تكبير منخفض يعكس خطوات البروتوكول السابقة. قم بتثبيت توليد القطرات داخل قناة PDMS الدقيقة لمدة ثلاث إلى خمس دقائق باستخدام كاميرا عالية السرعة.
ابدأ في تسجيل صور القطرات المائية على الشريحة عند التقاطع الثانوي للحصول على متوسط قطر القطرة من التسجيلات. استخدم برنامج تحليل الصور مع مجموعة مخصصة لتحويل القطرات والبصريات ومجموعة التماثل velo. بافتراض أنه يمكن نمذجة كل قطرة كجسم كروي ، يمكن تقدير متوسط حجم القطرة باستخدام متوسط قطر القطرة الذي حصل عليه البرنامج.
بعد ذلك ، اقسم تركيز التحليل المعروف للعينة على متوسط حجم القطرات للحصول على كتلة المادة المراد تحليلها الموجودة في قطرة واحدة. ثم قم بتحويل الكتلة الناتجة إلى عدد الذرات. أخيرا ، احسب كفاءة الكشف الإجمالية بقسمة عدد الأيونات المقاسة لكل قطرة على النتيجة السابقة.
يمكن الآن استخدام كفاءة الكشف هذه ككمية معايرة للتأكد من عدد الذرات في عينة غير معروفة. باستخدام مولد قطرات الموائع الدقيقة ، يمكن تغليف الخلايا المفردة داخل قطرات مائية أحادية مشتتة بمتوسط قطر أقل من 50 ميكرون ، وتحليلها بواسطة I-C-P-M-S. يمكن بسهولة إزالة غمد PFH العضوي المحيط بالقطرة المائية قبل وصول العينة إلى كاشف I-C-P-M-S.
عند قياس المحاليل ، يمكن ملاحظة التشتت الأحادي للقطرات العالية كفروق منخفضة بين مجموعات الإشارات القادمة من عدد قطرات مزدوجة أو ثلاثية خلال فترة سكون معينة. بعد المعايرة المناسبة ، يمكن التأكد من محتوى الحديد من مجموعة من خلايا الدم الحمراء البقرية المفردة ، كل منها معلق في قطرات واحدة. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تحضير واستخدام هذه الرقائق الدقيقة للتحليل الأولي الكمي لأحجام عينات صغيرة جدا أو جزيئات وخلايا مفردة.
يتطلب تصنيع هذه الرقائق أقل من 15 دقيقة ، في الوقت المحدد لكل شريحة إذا تم إجراؤها بشكل صحيح. بالإضافة إلى ذلك ، تتيح الرقائق سهلة التعديل دمج المزيد من وحدات الموائع الدقيقة للمعالجة المسبقة للعينات المتقدمة والإدخال المتزامن للعينات والمعايير لتحسين الكفاءة وإنتاجية العينات.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة نظامًا لإدخال عينة قطرة منفصلة لمطيافية الكتلة بلازما مقترن الحث (ICPMS). يستخدم النظام رقاقة ماكروفلويدية فعالة من حيث التكلفة لتوليد قطرات أحادية الانتشار عالية في نطاق الحجم من 40-60 ميكرومتر بترددات تتراوح من 90 إلى 7,000 هرتز.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- مطيافية الكتلة
- ماكروفلويديات
- الكيمياء التحليلية
الخلفية
- مطيافية الكتلة بلازما مقترن الحث (ICPMS) هي تقنية تحليلية قوية.
- تُمكِّن الأنظمة المكروفلويدية التحكم الدقيق في ديناميات السوائل.
- القطرات أحادية الانتشار ضرورية لتحليل العينات المتسق.
- يُستخدم PDMS بشكل شائع في تصنيع الرقائق المكروفلويدية.
غرض الدراسة
- لتوليد وتحليل التركيب العنصري للقطرات المكروية أحادية الانتشار.
- لتيسير تحليل الخلايا الفردية أو المحاليل المائية.
- لتحسين كفاءة إدخال العينات في ICPMS.
الطرق المستخدمة
- تصنيع رقاقة ماكروفلويدية باستخدام صب النسخ مع PDMS.
- وصل مضخات المحقنة لتزويد العينات المائية والمراحل الحاملة العضوية.
- توليد قطرات أحادية الانتشار من خلال تركيز التدفق.
- تبخر القطرات وإزالة المذيبات قبل التأين والكشف.
النتائج الرئيسية
- النجاح في توليد قطرات أحادية الانتشار في نطاق الحجم المطلوب.
- إدخال فعال للعينات في نظام ICPMS.
- تحقيق تحليل كمي للتركيب العنصري.
- تبيان فعالية النظام لتحليل الخلايا الفردية.
الاستنتاجات
- يعزز النظام المطور قدرات ICPMS.
- توفر تقنية المكروفلويديات حلًا قابلاً للتطبيق لتوليد القطرات.
- تطبيقات محتملة في مختلف مجالات الكيمياء التحليلية.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This microfluidic droplet generation system enables precise, reproducible sample introduction for ICPMS, addressing a key bottleneck in high-throughput elemental analysis of biological samples. By producing monodisperse droplets with tunable size and frequency, the technology supports quantitative single-cell analysis while minimizing sample consumption and cross-contamination risks. These capabilities enhance predictive confidence in target validation workflows where elemental composition serves as a mechanistic biomarker or phenotypic readout.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of elemental composition in single cells, supporting functional target validation through direct measurement of metalloprotein activity or ion homeostasis.
- Operational Value: Reduces sample consumption to picoliter volumes, allowing precious primary cell samples to be screened without depletion.
- Predictive Confidence: Monodisperse droplet generation ensures low signal variance, improving reproducibility of elemental readouts across replicates.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides a standardized platform for generating consistent aqueous droplets, essential for assay standardization in metalloproteomics or nanoparticle tracking.
- Operational Value: Disposable PDMS chips eliminate cleaning steps and cross-contamination, increasing throughput in compound screening campaigns.
- Scalability: Droplet frequency tunable from 90 to 7,000 Hz enables adjustment to match instrument duty cycle and detection limits.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Supports biomarker alignment by quantifying elemental content (e.g., iron in red blood cells) as a disease-relevant readout in preclinical models.
- Mechanistic De-risking: Enables correlation of elemental composition with cellular phenotype, reducing ambiguity in target mechanism of action.
- Preclinical Model Relevance: Compatible with bovine and potentially human primary cells, facilitating cross-species translational studies.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification, where elemental profiling informs mechanism of action and off-target risk assessment.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling direct measurement of metal ion flux or storage in single cells, clarifying pathway involvement.
- Screening: Delivers assay-ready, monodisperse droplets with quantitative output, ensuring reliable compound evaluation in metallodrug screening.
- Analytics: Generates histogram-fitted signal intensity and standard deviation per mass-to-charge ratio, enabling statistical comparison of elemental content across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by providing disease-relevant elemental metrics (e.g., iron overload) that correlate with functional outcomes.
- Enterprise Reuse: Chip design allows integration of additional microfluidic modules for sample pretreatment, supporting platform reuse across multiple projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through direct, single-cell elemental analysis reducing mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and low sample consumption enable scalable workflows.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions via early detection of metalloprotein engagement or ion dysregulation, reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of targets based on quantitative elemental profiles in disease-relevant systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, ICPMS operation, and droplet-based sample preparation.
- Needs syringe pumps, PDMS molding equipment, plasma source, and mass spectrometer with droplet-compatible interface.
- Standardization across teams requires consistent chip fabrication, flow rate calibration, and desolvation efficiency.
- Adaptation to other cell types or sample matrices may require optimization of surfactant compatibility and droplet stability.
- Practical limitation: Organic carrier phase (PFH) must be fully removed to prevent signal interference, necessitating optimized desolvation conditions.
