Een Microfluïdische Chip voor ICPMS Sample Inleiding
March 5th, 2015
We presenteren een discrete druppel monster introductie voor inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICPMS). Het is gebaseerd op een goedkope en wegwerpbare microfluïdische chip die sterk monodisperse druppeltjes in een groottebereik van 40-60 pm bij frequenties van 90 tot 7000 Hz.
Het algemene doel van deze procedure is om monodisperse microdruppels met enkelvoudige cellen of waterige oplossingen te genereren en kwantitatief te analyseren op hun elementaire samenstelling door I-C-P-M-S. Dit wordt bereikt door eerst een microfluïdische chip te fabriceren met replica-maling met PDMS. De tweede stap is het aansluiten van spuitpompen op de microfluïdische chip.
De pompen leveren het waterige monster en de zeer vluchtige en toelaatbare of organische dragerfase PFH. Wanneer de spuitpomp wordt ingeschakeld, genereert de microfluïdische chip monodisperse druppels van de waterige monstersoplossing of een celsuspensie door stroming, focussering met PFH en stoot deze druppels met extra PFH uit de chip als een vloeibare straal. De laatste stap is het inbrengen van de chip in een transportassemblage bestaande uit een cartridge-verwarmer die de druppels verdampt en een membraandesalvator die de oplosmiddelen verwijdert voorafgaand aan de ionisatie en detectie van de inhoud van de druppel door een I-C-P-M-S.
Uiteindelijk worden de opgenomen signalen en een kalibratiemeting met een standaardoplossing gebruikt om de elementaire samenstelling van de monstersoplossing of de cellen in de suspensie te bepalen. De belangrijkste voordelen van onze microfluïdische techniek boven bestaande methoden zijn de instelbare druppelgrootte, de lage monsterconsumptie en het lage risico van nologging bij het werken met celsuspensies of geconcentreerde zoutoplossingen. Bovendien voorkomt de goedkope wegwerpbare microfluïdische chip reinigingstijd en elimineert het kruisbesmetting.
De procedure zal worden gedemonstreerd door alle vin sc, een PhD-student uit het laboratorium van Professor GTA en Pascal Fabrica, een PhD-student uit mijn laboratorium. Om te beginnen met het MICROFABRICAGE-proces, meet 40 gram PDMS en vier gram PDMS-hardingsmiddel in een grote plastic schaal. Meng beide delen gelijkmatig met een spatel en plaats de schaal 20 tot 30 minuten in een vacuümdroger om alle bubbels uit de mix te verwijderen.
Tijdens het ontgassen. Plaats een gietstuk op een microgestructureerde siliciumwafer en gebruik de geleidingsstructuur rond het ontwerp om het op een platte siliciumwafer te schuiven. Plaats nog een gietstuk er vrij op.
Plaats ongeveer drie tot vier gram van het ontgaste PDMS-mengsel op beide gietstukken. Breng beide siliciumwafers over naar een heet plaatje. Laat het PDMS zes minuten uitharden bij 150 graden Celsius en koel vervolgens af.
De gesolidificeerde PDMS-structuren op de werktafel bij kamertemperatuur met een metalen spatel. Scheid voorzichtig de vaste PDMS-blokken van de mallen. Bescherm de hechtoppervlakken van beide blokken tegen besmetting door deeltjes en vingerafdrukken.
Door een laag duidelijk plakband aan te brengen, kunnen de PDMS-stukken nu worden behandeld en op maat worden bijgesneden met een schaar. Verwijder na het bijsnijden het tape van de microgestructureerde PDMS-blok en gebruik een biopsie-gatsnijder om de microfluïdische inlaatpoorten te maken. Dit voltooit het fabricageproces voor de microgestructureerde helft van het apparaat, en het is nu klaar om te worden verbonden en geassembleerd met zijn platte tegenhanger.
Om de services voor PDMS naar PDMS-binding voor te bereiden, begin met het spincoaten van een laag PDMS-hardingsmiddel op een lege siliciumwafer bij 6.000 RPM gedurende 30 seconden terwijl het hardingsmiddel nog nat is, breng de bindingsinterface van de microgestructureerde PDMS-blok in contact met de wafer en oefen voorzichtig druk uit op de PDMS om een naadloze afdichting zonder bellen te vormen. In een aparte stap verwijdert u het beschermende tape van de platte tegenhanger. Scheid vervolgens langzaam de microgestructureerde PDMS van de siliciumwafer.
Lign de twee PDMS-stukken zorgvuldig en breng de twee bindingsinterfaces in contact. Knijp voorzichtig in de twee blokken om eventuele interfaciale bellen te verwijderen en laat de geassembleerde PDMS-chip 24 uur uitharden Bij kamertemperatuur maakt u met een gebruiksmes en een uitlijningsapparaat een snede langs de indicatorlijn loodrecht op de uitlaatnozzle. Inspecteer de chip onder een microscoop op trimfouten en deeltjesbesmetting naast de blootgestelde uitlaatnozzle.
Na beoordeling van de fabricagekwaliteit zijn de interne oppervlakken van de PDMS-microkanaal klaar om te worden gesiliceerd. Verbind in een chemische kap een uiteinde van een wolf-fles aan een droge stikstofbron en verbind het andere uiteinde van de fles met de inlaten van de PDMS-chip. Gebruik meerdere buizen die op een centraal verdeelapparaat zijn aangesloten, pipet dan 50 microliters van de seline in de wolf-fles en verzegel het bovendeksel.
Schakel de stikstofdragerstroom in en spoel de microkanalen gedurende 20 minuten met een zouthoudende damp bij een stroomsnelheid van ongeveer één milliliter per seconde. Verbind tenslotte de inlaatbuizen los van de wolf-fles. De gecoate PDMS-chips zijn klaar voor massaspectrometrie-experimenten voor massaspectrometrie-metingen van enkele cellen.
Verdun eerst het invoermonster met een geschikte buffer zodat de effectieve cellulaire concentratie minder dan 10 miljoen cellen per milliliter is. Ter voorbereiding op massaspectrometrie, begint u met het bevestigen van slangen aan de monsterspuiten. Laad twee vijf milliliterspuiten met de PFH en laad het invoermonster in een afzonderlijke een milliliter spuit. Verwijder alle bellen die in de spuiten en slangen zijn opgesloten en laad de twee spuiten op een spuitpomp.
Zorg ervoor dat de transportbuis goed is uitgelijnd en alle gasslangen zijn aangesloten. Verbind vervolgens de spuitbuizen met de inlaatpoorten van de PDMS-chip en activeer de spuitpomp gedurende drie tot vijf minuten. Tijdens dit proces van stromingsstabilisatie verwijdert u eventueel overtollig vocht uit de uitlaatpoort met een tissue.
Als de vloeistof die uit de chip komt geen rechte straal vormt. Probeer na vijf minuten eventuele mogelijke obstructies bij de uitlaat van de chip weg te vegen met een schone tissue. Als dit niet lukt, gooit u de bestaande chip weg en vervangt u de verbinding door een nieuwe chip.
Verwijder de plug uit de
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel presenteert een discreet druppelmonster-introductiesysteem voor inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICPMS). Het systeem maakt gebruik van een kosteneffectieve microfluïdische chip om zeer monodisperse druppels te genereren in het groottebereik van 40−60 µm bij frequenties van 90 tot 7.000 Hz.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Massaspectrometrie
- Microfluïdica
- Analytische chemie
Achtergrond
- Inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICPMS) is een krachtige analytische techniek.
- Microfluïdische systemen maken nauwkeurige controle over vloeistofdynamica mogelijk.
- Monodisperse druppels zijn essentieel voor consistente monsteranalyse.
- PDMS wordt veel gebruikt bij de fabricage van microfluïdische chips.
Doel van de studie
- Om de elementaire samenstelling van monodisperse microdruppels te genereren en te analyseren.
- Om de analyse van enkele cellen of waterige oplossingen te vergemakkelijken.
- Om de efficiëntie van monsterintroductie in ICMPS te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een microfluïdische chip met behulp van replicavormen met PDMS.
- Verbinding van spuitpompen om waterige monsters en organische dragerfasen te leveren.
- Generatie van monodisperse druppels door middel van flow focusing.
- Verdamping van druppels en verwijdering van oplosmiddelen vóór ionisatie en detectie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle generatie van monodisperse druppels in het gewenste groottebereik.
- Efficiënte monsterintroductie in het ICMPS-systeem.
- Kwantitatieve analyse van de elementaire samenstelling bereikt.
- Demonstratie van de effectiviteit van het systeem voor analyse van enkele cellen.
Conclusies
- Het ontwikkelde systeem verbetert de mogelijkheden van ICMPS.
- Microfluïdische technologie biedt een haalbare oplossing voor druppelgeneratie.
- Mogelijke toepassingen in verschillende gebieden van analytische chemie.
Veelgestelde vragen
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.
