微流体芯片ICPMS进样
March 5th, 2015
我们提出了一个离散的微滴样品引入系统，用于电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）。它是基于一种廉价和一次性的微流体芯片，其生成高度单分散的液滴中的40-60微米的尺寸范围的频率范围从90至7000赫兹上。
该程序的总体目标是通过 I-C-P-M-S 生成并定量分析含有单细胞或水溶液的单分散微滴的元素组成。这是通过首先使用 PDMS 的复制成型制造微流体芯片来实现的。第二步是将注射泵连接到微流控芯片。
泵将供应水性样品以及高挥发性和可接受或有机载体相 PFH。当注射泵打开时，微流体芯片通过流动产生水性样品溶液或细胞悬液的单分散液滴，用 PFH 聚焦，并以液体射流的形式从芯片中喷出这些液滴和额外的 PFH。最后一步是将芯片插入运输组件中，该组件由蒸发液滴的筒式加热器和在电离和通过 I-C-P-M-S 检测液滴含量之前去除溶剂的膜 de salvator 组成。
最终，使用记录的信号和标准溶液的校准测量来确定样品溶液或悬浮液中细胞的元素组成。与现有方法相比，我们的微流控技术的主要优点是液滴大小可调、样品消耗量低以及在处理细胞悬液或浓盐溶液时出现 nolog 的风险低。此外，低成本的一次性微流控芯片避免了清洁时间并消除了交叉污染。
演示该程序的将是 GTA 教授实验室的博士生 vin sc 和我实验室的博士生 Pascal Fabrica。要开始微纳加工过程，请在一个大塑料盘中测量 40 克 PDMS 和 4 克 PDMS 固化剂。用抹刀将两部分均匀混合，然后将培养皿放入真空干燥中 20 到 30 分钟，以去除混合物中的所有气泡。
脱气时。将铸造模具放在微结构硅晶片的顶部，并使用设计周围的导向结构将其卡入平面硅晶片上。将另一个铸模自由放在上面。
将大约 3 到 4 克 Degas PDMS 混合物倒入两个铸模上。将两个硅片转移到热板上。在 150 摄氏度下固化 PDMS 6 分钟，然后冷却。
在室温下用金属刮刀在工作台上固化的 PDMS 结构。小心地将实心 PDMS 块与模具分开。保护两个模块的粘合表面免受颗粒和指纹污染。
通过应用一层透明透明胶带，现在可以用剪刀处理和修剪 PDMS 件。修剪后，从微结构 PDMS 块上取下胶带，并使用活检打孔器创建微流体入口。这样就完成了器件微结构部分的制造过程，现在可以与平面部分粘合和组装。
要准备 PDMS 到 PDMS 键合的服务，首先在固化剂仍然湿润的情况下，以 6， 000 RPM 的速度在空白硅片上旋涂一层 PDMS 固化剂 30 秒，使微结构 PDMS 块的键合界面与晶圆接触，并在 PDMS 顶部轻轻施加压力以形成无气泡的无缝密封。在单独的步骤中，从平面对应物上取下保护胶带。然后慢慢地将微结构 PDMS 与硅晶片分离。
小心地对齐两个 PDMS 件，并使两个 bonding 接口接触。轻轻挤压两个块以去除任何界面气泡，并将组装好的 PDMS 芯片固化 24 小时在室温下，使用美工刀和对准装置，沿着与出口喷嘴正交的指示线进行切割。在显微镜下检查芯片是否有修整缺陷和裸露出口喷嘴附近的颗粒污染。
在评估制造质量后，PDMS 微通道的内表面就可以进行孤岛化了。在化学罩中，将 Wolf 瓶的一端连接到干燥的氮气源，并将瓶子的另一端连接到 PDMS 芯片的入口。使用连接到中央歧管的多根管子，然后将 50 微升塞林移液到狼瓶中并密封顶盖。
打开氮气载体流，用含盐水蒸汽冲洗微通道 20 分钟，流速约为每秒 1 毫升。最后，断开入口管与狼瓶的连接。涂层 PDMS 芯片可用于单细胞质谱测量的质谱实验。
首先，用适当的缓冲液稀释输入样品，使有效细胞浓度低于每毫升 1000 万个细胞。在质谱分析准备时，首先将管路连接到样品注射器上。用 PFH 加载两个 5 mL 注射器，并将输入样品加载到单独的 1 mL 注射器中。清除注射器和管道内的所有气泡，并将两个注射器装入注射泵上。
确保运输管正确对齐，并且所有气体管都已连接。接下来，将注射管连接到 PDMS 芯片的入口，并启动注射泵 3 到 5 分钟。在此流量稳定过程中，用纸巾从出口去除多余的液体。
如果流体流出，切屑不会形成直线射流。五分钟后，尝试用干净的纸巾擦去芯片出口处的任何潜在障碍物。如果不成功，则丢弃现有芯片并用新芯片替换连接。
从旋风喷雾器适配器上拔下插头，然后小心地将流量稳定的 PDMS 芯片插入适配器。根据推荐设置更改流速，然后重新稳定流速 2 到 5 分钟。同时，调整所有气体的流速，直到达到目标分析物的最大信号强度。
此外，调整质谱仪上的等离子体功率和聚焦透镜电压，以在信号优化时进一步增强信号强度。将质谱仪设置为 10 毫秒的停留时间，然后开始数据采集。测量后，将原始数据传输至数据分析程序。
在典型的数据分析例程中，首先将所有测量值分成数据箱，每个箱代表每 10 毫秒停留时间的计数数，然后为所有箱生成直方图，并使用高斯分布函数进行拟合。单个拟合的均值和散布表示特定质荷比下的平均信号强度和标准差。要开始校准过程，首先，以与样品相同的流速测量标准溶液。
使用 PDMS 芯片生成液滴，设置两个用于 PFH 的 5 mL 注射器和一个用于标准溶液的 1 mL 注射器。然后使用培养皿作为显微镜样品架，将 PDMS 芯片放入培养皿中，并在低放大倍率下使芯片聚焦，镜像先前的方案步骤。使用高速相机将 PDMS 微通道内的液滴生成稳定 3 到 5 分钟。
开始在次级液络部的芯片上记录液滴水溶液的图像，以从记录中获得平均液滴直径。使用具有专用液滴变形、验光和速度对称套件的图像分析软件。假设每个液滴都可以建模为球形物体，则可以使用软件获得的平均液滴直径来估计平均液滴体积。
接下来，将样品的已知分析物浓度除以平均液滴体积，得到一个液滴中所含的分析物质量。然后将得到的质量转换为原子数。最后，通过将每个液滴测得的离子数除以前一个结果来计算总体检测效率。
该检测效率现在可以用作校准量，以确定未知样品中的原子数。使用微流体液滴发生器，可以将单个细胞封装在平均直径小于 50 微米的单色分散水液滴中，并通过 I-C-P-M-S 进行分析。在样品到达 I-C-P-M-S 检测器之前，可以很容易地去除液滴水滴周围的有机 PFH 护套。
在测量溶液时，可以观察到高液滴单分散性，即在给定的停留时间内，来自单双或三倍液滴计数的信号组之间的低方差。经过适当的校准后，可以确定来自一组单牛红细胞的铁含量，每个红细胞都悬浮在单个液滴中。观看此视频后，您应该对如何制备和使用这些微流控芯片进行非常小的样品体积或单个颗粒和细胞的定量元素分析有很好的了解。
这些芯片的制造需要不到 15 分钟，如果性能良好，每个芯片的手动作时间。此外，易于修改的芯片能够集成更多微流体模块，用于高级样品预处理，并同时引入样品和标准品，以提高效率和样品通量。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概述
本文介绍了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。该系统利用一种成本效益高的微流控芯片，在40−60 µm大小范围内以90至7,000 Hz的频率生成高度单色分散的液滴。
关键研究组成部分
科学领域
- 质谱学
- 微流控技术
- 分析化学
背景
- 电感耦合等离子体质谱（ICPMS）是一种强大的分析技术。
- 微流控系统能够精确控制流体动力学。
- 单色分散液滴对于一致的样品分析至关重要。
- PDMS在微流控芯片制造中常被使用。
研究目的
- 生成并分析单色分散微液滴的元素组成。
- 促进单个细胞或水溶液的分析。
- 提高ICPMS中样品引入的效率。
使用的方法
- 使用PDMS的复制成型法制造微流控芯片。
- 连接注射泵以供应水溶液样品和有机载体相。
- 通过流动聚焦生成单色分散液滴。
- 在电离和检测之前蒸发液滴并去除溶剂。
主要结果
- 成功生成所需大小范围内的单色分散液滴。
- 高效地将样品引入ICPMS系统。
- 实现了元素组成的定量分析。
- 展示了系统在单细胞分析中的有效性。
结论
- 所开发的系统增强了ICPMS的功能。
- 微流控技术为液滴生成提供了可行的解决方案。
- 在分析化学的各个领域中具有潜在应用。
常见问题
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.
