March 5th, 2015
우리는 유도 결합 플라즈마 질량 분석법 (ICPMS) 미국 이산 액적 샘플 도입 시스템을 제시한다. 그것은 90 내지 7000 Hz의 주파수로 40-60 ㎛의 크기 범위 고도로 단 분산 액 적을 생성 저렴하고 일회용 미세 유체 칩에 기초한다.
이 절차의 전반적인 목표는 I-C-P-M-S에 의해 단일 세포 또는 수용액을 포함하는 단일분산된 미량 방울의 원소 조성을 생성하고 정량적으로 분석하는 것입니다. 이는 먼저 PDMS를 사용한 복제 성형을 사용하여 미세유체 칩을 제작함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계는 주사기 펌프를 미세유체 칩에 연결하는 것입니다.
펌프는 수성 샘플과 휘발성이 높고 허용 가능한 또는 유기 담체상 PFH를 공급합니다. 주사기 펌프가 켜지면 미세유체 칩은 PFH로 초점을 맞추고 칩에서 추가 PFH로 이러한 액적을 분출하여 흐름에 의해 수성 시료 용액 또는 세포 현탁액의 모노 분산 액적을 생성하고 칩에서 추가 PFH로 이러한 액적을 액체 제트로 방출합니다. 마지막 단계는 액적을 증발시키는 카트리지 히터와 I-C-P-M-S에 의한 액적 함량의 이온화 및 검출 전에 용매를 제거하는 멤브레인 드 살베이터로 구성된 운송 어셈블리에 칩을 삽입하는 것입니다.
궁극적으로, 기록된 신호와 표준 용액을 사용한 보정 측정은 샘플 용액 또는 현탁액의 세포의 원소 조성을 결정하는 데 사용됩니다. 기존 방법에 비해 당사의 미세유체 기술의 주요 장점은 조정 가능한 액적 크기, 낮은 시료 소비량 및 세포 현탁액 또는 농축 염 용액으로 작업할 때 노로깅 위험이 낮다는 것입니다. 또한 저렴한 일회용 미세유체 칩은 세척 시간을 절약하고 교차 오염을 제거합니다.
절차를 시연하는 것은 GTA 교수 연구실의 박사 과정 학생인 모든 vin sc와 제 연구실의 박사 과정 학생인 Pascal Fabrica입니다. MICROFABRICATION 프로세스를 시작하려면 큰 플라스틱 접시에 담긴 PDMS 40g과 PDMS 경화제 4g을 측정합니다. 주걱으로 두 부분을 골고루 섞고 접시를 진공 건조제에 20-30분 동안 넣어 혼합물의 모든 거품을 제거합니다.
가스를 제거하는 동안. 마이크로 구조의 실리콘 웨이퍼 위에 주조 금형을 놓고 설계 주변의 안내 구조를 사용하여 평평한 실리콘 웨이퍼에 끼웁니다. 그 위에 다른 주형을 자유롭게 놓습니다.
약 3-4g의 Degas PDMS 혼합물을 두 주조 주형에 붓습니다. 두 실리콘 웨이퍼를 모두 핫 플레이트로 옮깁니다. PDMS를 섭씨 150도에서 6분 동안 경화시킨 다음 식힙니다.
금속 주걱으로 실온에서 벤치의 응고된 PDMS 구조. 금형에서 단단한 PDMS 블록을 조심스럽게 분리합니다. 두 블록의 접합 표면을 입자 및 지문 오염으로부터 보호하십시오.
투명 스카치 테이프 층을 적용하면 이제 PDMS 조각을 가위로 다루고 크기에 맞게 자를 수 있습니다. 트리밍 후 마이크로 구조의 PDMS 블록에서 테이프를 제거하고 생검 구멍 펀치를 사용하여 미세유체 흡입구 포트를 만듭니다. 이것으로 장치의 마이크로 구조 절반에 대한 제조 공정이 완료되고 이제 평평한 장치와 접착 및 조립할 준비가 되었습니다.
PDMS에서 PDMS로의 접합을 위한 서비스를 준비하려면 경화제가 아직 젖어 있는 동안 30초 동안 6, 000RPM으로 빈 실리콘 웨이퍼에 PDMS 경화제 층을 스핀 코팅하는 것으로 시작하고, 마이크로 구조화된 PDMS 블록의 접합 인터페이스를 웨이퍼와 접촉시키고 PDMS 상단에 부드럽게 압력을 가하여 기포 없이 이음매 없는 밀봉을 형성합니다. 별도의 단계에서 평평한 테이프에서 보호 테이프를 제거합니다. 그런 다음 실리콘 웨이퍼에서 마이크로 구조의 PDMS를 천천히 분리합니다.
두 개의 PDMS 조각을 조심스럽게 정렬하고 두 개의 본딩 인터페이스를 접촉시킵니다. 두 블록을 부드럽게 짜서 계면 기포를 제거하고 조립된 PDMS 칩을 24시간 동안 경화시킵니다.실온에서 다용도 나이프와 정렬 장치를 사용하여 배출구 노즐과 직각을 이루는 표시선을 따라 절단합니다. 현미경으로 칩을 검사하여 노출된 배출구 노즐에 인접한 입자 오염을 트리밍
하고 있습니다.제작 품질을 평가한 후 PDMS 마이크로 채널의 내부 표면을 사일로화할 준비가 되었습니다. 화학 후드에서 늑대 병의 한쪽 끝을 건조 질소 공급원에 연결하고 병의 다른 쪽 끝을 PDMS 칩의 입구에 연결합니다. 중앙 매니폴드에 연결된 여러 개의 튜브를 사용하여 50마이크로리터의 셀린을 늑대 병에 피펫팅하고 상단 뚜껑을 밀봉합니다.
질소 운반 흐름을 켜고 초당 약 1ml의 유속으로 20분 동안 식염수가 포함된 증기로 마이크로 채널을 플러시합니다. 마지막으로 늑대 병에서 주입 튜브를 분리합니다. 코팅된 PDMS 칩은 단일 세포 질량 분석법 측정을 위한 질량 분석 실험에 사용할 준비가 되어 있습니다.
먼저, 효과적인 세포 농도가 밀리리터당 1,000만 개 세포 미만이 되도록 입력 샘플을 적절한 완충액으로 희석합니다.질량 분석법을 준비하기 위해 먼저 샘플 주사기에 튜브를 부착합니다. PFH로 5밀리리터 주사기 2개를 로드하고 입력 샘플을 별도의 1밀리리터 주사기에 로드합니다. 주사기와 튜브 내에 갇힌 모든 기포를 제거하고 두 개의 주사기를 주사기 펌프에 로드합니다.
운송 튜브가 올바르게 정렬되어 있고 모든 가스 튜브가 연결되어 있는지 확인하십시오. 그런 다음 주사기 튜브를 PDMS 칩의 입구 포트에 연결하고 3-5분 동안 주사기 펌프를 활성화합니다. 이 흐름 안정화 과정에서 티슈로 출구 포트에서 과도한 액체를 제거하십시오.
유체가 빠져나가면 칩이 직선 제트를 형성하지 않습니다. 5분 후 깨끗한 티슈로 칩 배출구의 잠재적인 장애물을 닦아내십시오. 실패하면 기존 칩을 버리고 새 칩으로 연결을 교체하십시오.
사이클론 분무기 어댑터에서 플러그를 제거하고 흐름 안정화 PDMS 칩을 어댑터에 조심스럽게 삽입합니다. 권장 설정에 따라 유량을 변경하고 2-5분 동안 유량을 다시 안정화합니다. 동시에 관심 분석물의 최대 신호 강도에 도달할 때까지 모든 가스의 유속을 조정합니다.
또한 질량 분석기에서 플라즈마 출력과 초점 렌즈 전압을 조정하여 신호 최적화 시 신호 강도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 질량분석기를 10밀리초의 체류 시간으로 설정하고 데이터 수집을 시작합니다. 측정 후 원시 데이터를 데이터 분석 프로그램으로 전송합니다.
일반적인 데이터 분석 루틴에서 모든 측정값은 먼저 드웰 시간 10밀리초당 카운트 수를 나타내는 각 빈이 있는 데이터 빈으로 분리된 다음, 모든 빈에 대해 히스토그램 플롯이 생성되고 가우스 분포 함수가 적용됩니다. 개별 적합치의 평균과 산포는 특정 질량 대 전하 비율에서 평균 신호 강도와 표준 편차를 모두 나타냅니다. 보정 프로세스를 시작하려면 먼저 샘플과 동일한 유속으로 표준 용액을 측정합니다.
액적 생성을 위한 PDMS 칩을 사용하여 PFH용 5밀리리터 주사기 2개와 표준 용액용 1밀리리터 주사기 1개를 설정합니다. 그런 다음 페트리 접시를 현미경 표본 홀더로 사용하여 PDMS 칩을 페트리 접시에 놓고 이전 프로토콜 단계를 반영하여 저배율에서 칩의 초점을 맞춥니다. 고속 카메라로 PDMS 마이크로채널 내에서 3분에서 5분 동안 액적 생성을 안정화합니다.
2차 접합부에서 수성 액적 온 칩의 이미지 기록을 시작하여 기록에서 평균 액적 직경을 구합니다. 전용 액적 모프, 검안 및 속도 대칭 제품군이 있는 이미지 분석 소프트웨어를 사용하십시오. 각 액적을 구형 물체로 모델링할 수 있다고 가정하면 평균 액적 부피는 소프트웨어에서 얻은 평균 액적 직경을 사용하여 추정할 수 있습니다.
다음으로, 샘플의 알려진 분석물 농도를 평균 액적 부피로 나누어 하나의 액적에 포함된 분석물의 질량을 구합니다. 그런 다음 결과 질량을 원자 수로 변환합니다. 마지막으로, 액적당 측정된 이온의 수를 이전 결과로 나누어 전체 검출 효율을 계산합니다.
이 검출 효율은 이제 알려지지 않은 샘플의 원자 수를 확인하기 위한 보정 수량으로 사용할 수 있습니다. microfluidic 작은 물방울 발전기를 사용하여, 단 하나 세포는 50 미크론 미만의 평균 직경에 단청에 의하여 이산한 수성 작은 물방울 안에 캡슐에 넣어질 수 있고, I-C-P-M-S에 의해 분석될 수 있습니다. 수성 액적을 둘러싼 유기 PFH sheath는 샘플이 I-C-P-M-S 검출기에 도달하기 전에 쉽게 제거할 수 있습니다.
용액을 측정할 때, 높은 액적 단일 분산도는 주어진 체류 시간 내에 단일 이중 또는 삼중 액적 계수에서 오는 신호 그룹 간의 낮은 분산으로 관찰될 수 있습니다. 적절한 보정 후, 각각 단일 방울에 부유하는 단일 소 적혈구 앙상블의 철 함량을 확인할 수 있습니다. 이 동영상을 시청한 후에는 매우 작은 시료 부피 또는 단일 입자 및 세포의 정량적 원소 분석을 위해 이러한 미세유체 칩을 준비하고 사용하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
이 칩의 제조는 15분 미만이 소요되며, 제대로 수행되면 칩당 수작업 시간이 소요됩니다. 또한 수정하기 쉬운 칩을 통해 고급 시료 전처리를 위한 추가 미세유체 모듈을 통합하고 시료 및 표준물질을 동시에 도입하여 효율성과 시료 처리량을 개선할 수 있습니다.
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본 논문은 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICPMS)을 위한 개별 방울 샘플 도입 시스템을 제시합니다. 본 시스템은 40−60 µm 크기 범위에서 90~7,000 Hz의 주파수로 고도로 단일 분산 방울을 생성하기 위해 비용 효율적인 미세 유체 칩을 사용합니다.
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.
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.