Summary
Vi præsenterer en diskret dråbe prøve introduktion for induktivt koblet plasma massespektrometri (ICPMS). Den er baseret på en billig og disponibel mikrofluid chip, der genererer meget monodisperse dråber i et størrelsesområde på 40-60 um ved frekvenser fra 90 til 7.000 Hz.
Abstract
Denne protokol beskrives fremstilling og anvendelse af en engangs lav pris mikrofluid chip som prøveintroduktion for induktivt koblet plasma massespektrometri (ICPMS). Chippen producerer monodisperse vandige dråber prøve i perfluorhexan (PFH). Størrelsen og hyppigheden af de vandige dråber kan varieres i intervallet 40 til 60 um og fra 90 til 7.000 Hz, hhv. Dråberne udstødes fra chippen med en anden strøm af PFH og forbliver intakte under udkastning. En specialbygget desolvation systemet fjerner PFH og transporterer dråberne ind i ICPMS. Her kan måles meget stabile signaler med en smal intensitetsfordeling, og viser monodispersitet af dråberne. Vi viser, at indførelsen kan anvendes til kvantitativt at bestemme jern i enkelt bovine røde blodlegemer. I fremtiden kan mulighederne i introduktionen enheden nemt forlænges med integrationen af yderligere mikrofluide moduler.
Introduction
Grundstofanalyse af væskeprøver ved induktivt koblet plasma massespektrometri (ICPMS) er almindeligvis udført ved anvendelse af forstøvere i kombination med spray kamre som introduktion system 1. I denne prøve introduktion systemet prøven sprøjtes med en forstøver til at generere en polydispers aerosol. En downstream sprøjtekammer anvendes til at bortfiltrere store dråber. Denne fremgangsmåde er forbundet med et højt forbrug prøve (> 0,3 ml min -1) 2 og en ufuldstændig prøve transport. Således bliver det upraktisk til anvendelser, hvor der kun mikroliter prøvevolumen er tilgængelige, som i biologiske, retsmedicinske, toksikologiske og kliniske forsøg 3. For at reducere forbruget prøven blev forstøvere med mindre dyse dimensioner udviklet 3. Men den reducerede dysestørrelse øger risikoen for tilstopning, når prøver af ufordøjede biologiske væsker eller koncentrerede saltopløsninger analyseres 3.
et al. 4. Forfatterne indsprøjtet en væske i ICPMS i form af monodisperse diskrete mikrodråber, som blev produceret af en piezo-elektrisk drevet Mikropumpe. Selvom dette meget systemet ikke finde bred anvendelse, indledte den videre udvikling af konceptet diskrete dråbe introduktion i ICPMS. Dag, piezo-elektrisk drevet dispensering systemer, der kan generere dråber i størrelse på 30, 50, 70 og 100 um og ved frekvenser på 100-2,000 Hz, kan købes. Dråberne kan transporteres i ICPMS med tæt på 100% effektivitet 5. Disse mikrodråber dispensere er blevet anvendt til kvantitativ måling af enkelte nanopartikler 5,6 samt karakterisering individuelle biologiske celler 7. Et lignende system baseret på termisk inkjet-teknologi 8 blev testet for analyse af biologiske prøver 9. Selvom available enkelt dråbe Indledning systemer er meget effektive, kan anvendes til små prøvevolumener og er lovende for analyse af nanopartikler og celler, de har flere begrænsninger. For en fast dyse størrelse, kan dråbestørrelsen varieres kun lidt (medmindre brugerdefinerede indstillinger bruges 10). Ændringer i de fysiske egenskaber af væsken (pH, saltindhold) kan ændre dråbe egenskaber (størrelse, injektion hastighed). Også disse enheder er temmelig dyre, tilbøjelige til tilstopning og er vanskelige at rengøre.
En anden metode til at generere dråber er kendt inden for dråbe mikrofluidik 11. I de seneste år dråbe mikrofluidik har fået interesse for (bio-) kemiske reaktioner 12-15 og encellede undersøgelser 16,17. Desuden blev denne teknik anvendes til at indføre prøver i elektrosprayionisering massespektrometri 18,19 og til fremstilling af prøver i matrix-assisteret laser desorption / ionization massespektrometri 20,21.
For nylig har vi indført et mikrofluidsystem baseret system til introduktion prøve i ICPMS 22. Det centrale element i vores introduktion system er den væske, bistået udstødning af dråber (LADE) chip. Denne chip består fuldstændigt af poly (dimethylsiloxan) (PDMS). I den første kanal krydset flow fokusering anvendes til at generere monodisperse dråber af en vandig prøveopløsning (figur 1). Til dette formål meget flygtige (kogepunkt 58-60 ° C 23) og ikke-blandbar bærer fase perfluorhexan (PFH) anvendes (figur 1). Disse PFH egenskaber muliggør en stabil dråbe generation og hurtig fjernelse af bæreren fase. Ændringer i egenskaberne af prøvevæsken indflydelse denne generation metode mindre sammenlignet med andre dråbe generatorer. Dråbestørrelsen er indstillelig over et bredt område ved at ændre strømningshastighederne for den vandige fase og PFH. I en nedstrøms secondary junction er mere PFH tilsættes for at forøge strømningshastigheden til mindst 1 m sek -1. På denne hastighed kan udstødes væsken fra chippen i en stabil og lige stråle (figur 1) uden ødelæggelse dråbe (figur 1 indsat). Denne dobbelte-kryds design gør at styre jet stabilitet uafhængigt af dråber generation. Dråberne transporteres til ICPMS med en tilpasset transportsystem. Dette system omfatter en faldende rør og en membran desolvator at fjerne PFH. De tørrede rester af de vandige dråber efterfølgende ioniseret i plasmaet af ICPMS og en massedetektor foranstaltninger ionerne. Den forreste del af chippen er tøndeformet at sikre en tæt forbindelse med dråben transportsystem. Udstødning af den vandige prøve som dråber i PFH er gavnligt, fordi kontakt med dysen undgås. Dette mindsker risikoen for tilstopning af dyser, som kan være et problem, når man arbejder med cellesuspensioner eller co betydeligtncentrated saltopløsninger. De LADE chips, fremstillet af PDMS bløde litografi, er billige (materialeomkostninger ca $ 2 per chip), disponible og let at ændre. I kombination med fabrikation, som kun kræver en lille mængde af manuelt arbejde kan udføres hvert eksperiment med en ny chip. Derfor er en besværlig rensning ikke nødvendig og krydskontaminering minimeres.
Her bliver fremstillingen af LADE chip med blød litografi og sin ansøgning om ICPMS beskrevet. Eksempler på målinger med en vandig opløsning og en cellesuspension præsenteres.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. SU-8 Master Fabrication (figur 2)
BEMÆRK: Udfør fremstillingen af SU-8 master-forme i et rent rum for at forhindre fejl forårsaget af støvpartikler. Der er behov for to skiver til fremstilling, en wafer med mikrofluide funktioner og en uden.
- Forbered master forme til mikrofluid chip. Først anvendes en klæbelag til siliciumskiven.
- Dehydreres en siliciumskive i 10 minutter ved 200 ° C. Afkøl wafer ned til stuetemperatur og indlæse det videre til et spin coater og spin-coat det med SU-8 2002 med følgende protokol.
- Dispenser ca. 3 ml modstå på skiven.
- Spin skiven ved 500 rpm i 10 sek for at sprede modstå over hele wafer.
- Spin skiven ved 2.000 rpm i 30 sek for at opnå en resist højde på ca. 2 um.
- Fjern overskydende modstå fra kanten af waferen med en acetone serviet, for at forhindrestikning af skiven til den varme plade i det næste trin. Bag skiven i 60 sek ved 95 ° C på en varmeplade.
- Eksponere hele wafer med ultraviolet lys (80 mJ / cm2 ved 365 nm). Post-bage waferen for 120 sek til 95 ° C.
- Afkøl skiven ned og straks spinde belægge waferen igen ved hjælp af følgende protokol til SU-8 2050:
- Spin skiven ved 100 rpm i 20 sekunder (dispensere ca. 3 ml SU-8 modstå under dette trin).
- Spin skiven ved 500 rpm i 10 sek for at sprede modstå over hele wafer.
- Spin skiven ved 3.250 rpm i 30 sek resulterer i en resist tykkelse på ca. 40 um.
- Igen, fjerne overskydende modstå fra kanten af waferen med en acetone serviet og blød bage skiven på en varmeplade i 180 sekunder ved 65 ° C og 360 sek ved 95 ° C.
- Forbered fotomaske ved STICking det til en natronkalkglas. Se figur 3 for masken design. Brug en maske aligner at eksponere modstå med ultraviolet lys (160 mJ / cm2, målt ved 365 nm) gennem den forberedte maske. Bag den udsatte wafer igen på en varmeplade i 60 sekunder ved 65 ° C og 360 sek ved 95 ° C.
- Efter afkøling skiven til RT, fordybe det i et glas petriskål fyldt med bygherren i 5 minutter for at udvikle modstå. Agitere forsigtigt petriskål for at fjerne ikke-udsatte SU-8. Skyl wafer med isopropanol og blæse det tørt med en nitrogen pistol.
- Undersøg wafer under et mikroskop. I tilfælde uudviklet modstå forbliver på funktioner udvikle waferen igen for et par minutter, som beskrevet i trin 1.7.
- Fjern resterende opløsningsmiddel ved bagning vaflerne i 2 timer ved 200 ° C. Kontroller højden af funktioner med et trin profiler. I tilfælde den målte højde afviger fra den ønskede højde begynder med denne protocol igen og tilpasse centrifugeringshastighed i trin 1.1.4.
- For at forhindre klæbning af PDMS til skiven silanize det ved at placere det i ekssikkator sammen med 50 pi 1H, 1H, 2H, 2H -perfluorodecyltrichlorosilane i en lille porcelæn skål. Reducer trykket i ekssikkator til 100 mbar og inkuber waferen i 12 timer.
- For de tomme PDMS dele silanize anden siliciumskive ved anvendelse af fremgangsmåden i trin 1.10. For at spare tid silanize begge skiver samtidigt i en enkelt ekssikkator.
2. LADE Chip Fabrication
BEMÆRK: LADE chip er lavet af to PDMS stykker, der er bundet sammen ved limning 24. Den første del indeholder mikrofluide funktioner. Den anden del er flad og anvendes til at forsegle kanalerne. Bundet sammen, danner de den runde form er nødvendigt at interface chip med dråben transportsystem. Her fremstilling afde to dele og deres binding er beskrevet. Alle procestrin er vist i figur 4.
- Forbered 44 g PDMS ved at blande 40 g præpolymer med 4 g af PDMS hærder (dette vil resultere i op til 6 chips). Afgasses PDMS i en ekssikkator, indtil det er boblefri (dette vil tage omkring 20 min).
- Replica støbning af de strukturerede halvdele.
- Placer casting form på toppen af skiven og klik den på plads ved hjælp af de vejledende strukturer omkring design (se figur 5). Spring snapping på plads for den flade PDMS halve.
- Hæld ca. 3 til 4 g af afgasset PDMS i støbeformen og placere den i 6 minutter på en varmeplade ved 150 ° C. Afkøl de hærdede PDMS i støbning formen og løft forsigtigt støbning formular wafer med en spatel.
- For at undgå enhver forurening af mikrofluide kanaler dækker den side af chippen, der tidligere var i kontakt with wafer med tape. Skær forsigtigt tapen langs kanten af PDMS del for at fjerne overskud PDMS.
- For at fremstille de flade PDMS halvdele gentage ovennævnte trin 2.2.1 til 2.2.3 med den tomme silaniserede wafer.
- Skræl af båndet og punch fluidforbindelse huller i de strukturerede halvdele med en biopsi puncher. Beskyt strukturer med tape under opbevaring.
- Binde PDMS delene sammen ved limning hjælp af PDMS hærder 24.
- Tag en ubehandlet silicium wafer og spin pels det med PDMS hærder i 30 sekunder ved 6.000 rpm. Tag skiven ud af spin coater.
- Fjern tapen fra de strukturerede halvdele og placere dem med de strukturer nedad på skive. Skub forsigtigt på toppen af PDMS at fjerne luftbobler.
- Fjern tapen fra de tomme PDMS halvdele. Tag en struktureret halve fra skiven og manuelt justere den oven på den flade PDMS halve. Tryk forsigtigt pådel sammen for at fjerne luftbobler og lad den samlede chip kur i 24 timer ved stuetemperatur. Tryk ikke delene sammen med kraft, da dette kan medføre kanalerne til at kollapse.
- Skær spidsen af chip langs indikatoren linje vinkelret på dysen kanal med en kniv til at åbne udløbsdysen. Brug en tilpasning enhed for at sikre et lige snit, som er nødvendig for en lige flydende udslyngning. Undersøg chip under et mikroskop for mangler ved mikrofluide kanaler og støvpartikler. Sæt tape over indgangshullerne at beskytte chips under opbevaring.
- Tilslut en Woulff flaske med slange til en tør nitrogen kilde og til alle indløb i LADE chip. Deposit 50 pi 1H, 1H, 2H, 2H -perfluorodecyltrichlorosilane på bunden af Woulff flasken og lukke den.
- Silanize mikrofluid kanaler ved at skylle alle kanaler for 20 min med nitrogenstrømmen bærer 1H, 1H 2H, 2H -perfluorodecyltrichlorosilane ved en strømningshastighed på ca. 1 ml / sek. Chips er klar til eksperimenter og kan opbevares i mindst adskillige uger ved stuetemperatur.
3. Forberedelse af måling / Droplet Transport System
BEMÆRK: Byg hele dråben transportsystem oven på en optisk tabel, idet det er nødvendigt at konstruere en stabil bærekonstruktion for opsætningen. En ordning af hele dråben transportsystem er afbildet i figur 6.
- Installer en brugerdefineret cyklon poly (methylmethacrylat) (PMMA) adapter med en 50 cm vedhæftede rustfrit stål lodret. Sæt adapteren til en helium kilde med en massestrøm controller. Vedhæft en (gratis) kamera og en lampe til adapteren på den modsatte steder for dråbe visualisering.
- Placer en varmepatron i midten af stålrør og anvende poly (vinylchlorid) (PVC) rør og et Legris rørstik til at forbinde enden af stålrør med indløbet af membranen desolvator.
- Slut udløb desolvator med en anden PVC-rør til en laminar flow-adapter, som er direkte forbundet til ICPMS fjord. Slut laminar strømning adapteren til en argon kilde med en massestrøm controller og senere bruge den til at blande Argon for at opnå en stabil drift tilstand.
- Juster adapteren samt stålrør lodret med et vaterpas. Hvis justeringen ikke er nøjagtig, kan det føre til betydelige tab af dråber. Sæt en prop i adapteren for at forhindre gasser siver ud under systemets varme op tid.
- Start alle ovennævnte gasstrømme og enheder ved hjælp af indstillingerne fra tabel 1. Lad systemet varme op i 15 min. Patronen varmer brug 2 timer for at stabilisere temperaturen, tænde den på forhånd.
- Placer sprøjtepumper på en rist på højden af cyklon helium adapter. Hold afstanden mellemsprøjtepumper og adapteren så kort som muligt.
4. Målinger
BEMÆRK: Følgende protokol er skrevet i generelle vendinger på grund af de forskellige opløsninger og suspensioner, der kan anvendes. Imidlertid bør cellesuspensioner fortyndes til en koncentration på <1 x 10 7 celler / ml, når enkelt celle analysen er udført, for at sikre, at størstedelen af dråberne bære kun en celle. For målinger med celler placere sprøjtepumper i en vinkel, således at udløbet af sprøjterne peger nedad og installere røret på en sådan måde, at de peger nedad.
- Fastgør slangen til sprøjterne. Load to 5 ml sprøjter med perfluorhexan og en 1 ml sprøjte med en prøve opløsning eller suspension. Fjern alle bobler fanget i sprøjter og slanger.
- Installer sprøjter i en sprøjte pumpe og forbinde dem til indløbene af chippen. Start sprøjtepumper med indstillingerne Start fraTabel 1 (eller højere strømningshastigheder). Giv strømmene 3 til 5 minutter for at stabilisere.
- Fjern overskydende væske fra spidsen af chippen med en serviet. Væskerne bør nu skubbe fra chippen i en lige stråle. Hvis en lige udslyngning ikke kan opnås ved aftørring med et væv erstatte chip og starte forfra med dette trin.
- Tag stikket ud af adapteren og omhyggeligt indsætte chippen i adapteren. Smør chip med FC-40 om nødvendigt. En chip kan anvendes i mindst 2 timer eksperimenter.
- Skift strømningshastigheden at være inden for de anbefalede indstillinger måling fra tabel 1. Lavere strømningshastigheden af PFH ikke kun sparer PFH men også reducerer signal baggrund, forårsaget af isobare interferens.
- Giv systemet 2-5 min at stabilisere (afhængigt af de valgte strømningshastigheder). Optimer ICPMS for højeste signal intensitet analysandens.
- Successivt justere strømmen af alle gases på masse flow controllere (se de anbefalede intervaller i tabel 1), indtil den maksimale signal intensitet analysandens er opnået. Tune plasma magt og fokuseringslinsen spændinger (ifølge producentens anbefalede intervaller) på ICPMS på samme måde.
- Indstil ICPMS til en opholdstid på 10 ms (ansøgt de absolut ICPMS brugt, men kan justeres med andre instrumenter for at sikre en tidsopløst erhvervelse). Start optagelse af signalet af en bestemt m / z hjælp producentens protokol.
- Efter målingen, overføre de rå data til dataanalyse for evaluering. Bin data, givet i tællinger per 10 msek, med en indbygget-funktion, og plot resulterer bin center værdier mod tæller. Monter hver top i plottet frekvensfordeling histogram med en Gauss-funktion. Middelværdien og sigma af pasformen repræsenterer middelværdien signalintensitet og standardafvigelsen hhv.
- Mål en enkelt eller multi-element standard opløsning, der indeholder elementet eller elementerne af interesse på samme strømningshastigheder som prøven.
- Placer en LADE chip i en petriskål på et mikroskop. For en bedre billedkvalitet bruge et ikke-rund chip. Fabricate denne chip som beskrevet i trin 2, men ved hjælp af en enkel rektangulær støbning formular i stedet for det delvist rund én.
- Følg trinene 4.1 til 4.2.1 til at starte dråben generation. Indstil strømningshastigheder til de strømningshastigheder, der anvendes i trin 5.1.
- Optag billeder af vandige dråber med en højhastigheds-kamera fastgjort til et mikroskop (20X objektiv). Brug en billedanalyse software som dråben morfometri og Velocimetri software ved Basu 25 at få den gennemsnitlige dråbediameter fra optagelserne.
- Brug gennemsnitlig dråbediameter at beregne dråbens rumfang, forudsat at dråben er et sfærisk objekt.
- Fra denne mængde og knegen koncentrationen af en analyt i dråben beregne det tilsvarende antal atomer. Opdel antal målte ioner pr dråbe med antallet af atomer for at opnå detektion effektivitet. Brug denne afsløring effektivitet til at beregne antallet af atomer i en ukendt prøve.
BEMÆRK: Da variationer mellem de enkelte chips er små 22, er det ikke nødvendigt at gentage målingen af dråbestørrelse for hver chip eller løsning, hvis strømningshastighederne forbliver de samme. En liste over de dråbestørrelser og frekvenser i henhold til de specifikke strømningshastigheder udgives af Verboket et al. 22.
- Fra denne mængde og knegen koncentrationen af en analyt i dråben beregne det tilsvarende antal atomer. Opdel antal målte ioner pr dråbe med antallet af atomer for at opnå detektion effektivitet. Brug denne afsløring effektivitet til at beregne antallet af atomer i en ukendt prøve.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De præsenterede system kan anvendes til at måle små volumener af opløsninger eller suspensioner indeholdende celler eller nanopartikler. Eksempler på en måling af en standardopløsning og karakterisering af enkelte celler er vist her. Kan findes flere eksempler i Verboket et al. 22.
Typisk signalet af en enkelt dråbe af en opløsning er en meget kort begivenhed. Det varer normalt for et par 100 psek 26. Med ICPMS her anvendte (dvæle tid 10 ms) korte signaler som disse kan ikke tidsmæssigt løses. Figur 7a og 7b viser signaler og frekvensfordelingen histogram af en Na standard løsning. Dråberne ankommer til plasma med en tidsmæssig jitter> 10 msek. Påvisningen er synkroniserede. Signaler fra en (201 ± 24), to (381 ± 34) eller tre (560 ± 45) dråber opdages inden for en opholdstid. Lav variation i signalintensitet tyder høj droPlet monodispersitet. Den første hale top er sandsynligvis et resultat af dråber fragmenter; årsagen til denne opsplitning er stadig under efterforskning.
Kalibreringen beskrevne fremgangsmåde i 5 (ved hjælp af Fe standard opløsning) blev testet til bestemmelse af Fe-indhold enkelt bovin / kalv røde blodlegemer (6-7 um i diameter) suspenderet i phosphatbufret saltvand (PBS). Den suspension af 1 x 10 7 celler ml -1 blev anvendt til at sikre, at hovedparten af dråber bære kun en celle. Figur 8 viser signalerne fra celler som frekvensfordeling histogram. I gennemsnit hver celle indeholdt 5,3 ± 1,2 x 10 8 Fe-atomer (se Verboket et al. 22).
Figur 1. Micrograph of dråbe generation, acceleration og udstødning. I en strøm fokus junction, er monodisperse vandige dråber genereres i strømmen af PFH. Yderligere PFH tilsættes ved et andet knudepunkt. Efterfølgende væskestrømmen udstødes fra LADE chip gennem en dyse. Pile angiver retningen af strømmen. Scale bar er 500 pm. Indsat: Micrograph af en vandig dråbe i en PFH shell efter udstødning fra LADE chip. Scale bar 100 pm. Tilpasset med tilladelse fra den 22. Copyright 2014 American Chemical Society. Dette tal er blevet ændret med data fra forskning udført siden offentliggørelsen i laboratoriet af PS Dittrich. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 2. Skematisk af SU-8 forarbejdning. Først et klæbelag er belagt. En siliciumskive er spin-overtrukket med SU-8 2002 blød bagt, oversvømmelse eksponeret med ultraviolet lys og post bagt. Oven på dette lag de mikrofluide strukturer produceres. Skiven er spin-belagt med SU-8 2050, og blød bages. Udformningen af mikrofluide strukturer overføres til skiven ved at udsætte det med ultraviolet lys gennem en fotomaske. Efter en post-bage, er fotoresisten udviklet og et hardbake udføres. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 3. Design af fotomaske for LADE chip, der indeholder følgende kendetegn: a) vejledende strukturer til støbeformen, b) et indløb til PFH for dråbe acceleration, c) et indløb for PFH for dråbe generation og d) et indløb for den vandige prøve.e) Indikator linje til afskæring spidsen af chippen. Kanalbredder f) = 40 um, g) = 20 um og h) = 25 um. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 4. Proces diagram af LADE chip fabrikation. Først den strukturerede og de flade PDMS dele er fremstillet af replika støbning. De to stykker er bundet sammen ved limning. Endelig er spidsen af chip afbrød og mikrofluidkanaler er silaniseret. Tilpasset med tilladelse fra den 22. Copyright 2014 American Chemical Society. Dette tal er blevet ændret siden offentliggørelsen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Teknisk tegning af aluminium støbning formular til LADE chip. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 6. Skematisk tegning af opsætningen (ikke målfast). Systemet består af LADE chip, en cyklon adapter, en opvarmet stålrør, en membran desolvator, og en ICPMS. Klik her for at se en større udgave af dette tal .
pload / 52525 / 52525fig7highres.jpg "/>
Figur 7. (A) -signaler af dråber fremstillet af en 1 mg kg -1 Na standardopløsning. (B) Frekvensfordeling histogram af disse signaler. I de 10 msek opholdstid signaler af en (gul), to (rød) eller tre (blå) dråber blev registreret. Middelværdi og standardafvigelse af signalerne blev bestemt ved at montere Gauss funktioner. Strømningshastighederne blev anvendt, var 0,5, 50, og 60 pi min - 1 af vandige prøve, PFH for dråbe generation, og PFH for dråber acceleration henholdsvis. Klik her for at se en større udgave af dette tal.
Figur 8. Frekvens fordeling histogram af 56 Fe + signalerer GEMean er skabt i af røde blodlegemer. og standardafvigelse af signalerne blev bestemt ved at tilpasse en Gauss-funktion. Strømningshastighederne blev anvendt, var 2, 80, og 80 pi min - 1 cellesuspension, PFH for dråbe generation, og PFH for dråber acceleration hhv.
| Han gasstrømningshastighed | 0,6-0,8 L min -1 | |
| Varmepatron | 30 W | |
| Desolvator membran temperatur | 160 ° C | |
| Desolvator skyllegas strømningshastighed | 3-4 L min -1 | |
| Ar gasstrømningshastighed | 0,1 L min -1 | |
| ICP plasma power | 1.300 W | |
| Strømningshastighed | opstart | 1 pi min -1 |
| måling | 0,3-15 pi min -1 | |
| Flow på PFH dråbe generation | opstart | 60 pi min -1 |
| måling | 35-80 pi min -1 | |
| Flow på PFH dråbe acceleration | opstart | 60 pi min -1 |
| måling | 35-80 pi min -1 |
Tabel 1. Start Indstillinger og anbefalede måleindstillinger for ICPMS og sprøjten pumper.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Selv om fremstillingen af chips er meget pålidelig der er nogle kritiske punkter i løbet af fabrikation, der kræver særlig opmærksomhed. Først renlighed under samlingen er meget vigtigt at forhindre forurening af chippen ved støv. Støvet kan blokere kanalerne og forhindre en stabil dråbe generation. For det andet, er det særligt vigtigt, at spidsen er skåret vinkelret på dysen kanal. Vinklen af snittet stærk indflydelse på udstødning vinkel. Hvis væsken udstødes i en vinkel, kan medføre et tab af de udslyngede dråber.
Når man bygger setup sikre, at det er stabilt. Den lodrette justering af metalrøret og adapteren er vigtige. Også under målingerne der er nogle punkter, der kræver særlig opmærksomhed. Indsættelsen af chippen i adapteren skal udføres omhyggeligt. Det kan ske, at der under indføringen strålen er afbrudt, og stopper. For målinger med celler positionen og orientation af sprøjtepumper og slanger er vigtige. Deres korrekt placering kan reducere bundfældning af cellerne i sprøjten og slangen.
Den LADE chip præsenteres her har flere fordele i forhold til eksisterende kommercielle dråbe generatorer. Systemet er mere robust, giver en bredere dråbestørrelse interval, der kan udvides yderligere ved modifikation af kanalen geometri, og er til engangsbrug. En enkelt brug enhed er af en særlig interesse for analyse af prøver med et højt indhold af salte eller faste restprodukter, som f.eks nanopartikler eller celle suspensioner, der kan tilstoppe bittesmå kanaler, og kan ikke altid let at vaske ud. Transporten af enkelte mikrodråber genereret af LADE til MS er stadig en begrænsende trin i vores system og skal optimeres yderligere. Den aktuelle dråbe transport samling, selv fjerner PFH damp, som ellers ville skabe yderligere spektrale og ikke-spektral interferens og forårsage plasma ustabilitet, men still resulterer i en høj tidsmæssig jitter af dråber ankomst til MS og en ufuldstændig dråber transport. I forhold til de kommercielle tilgængelige dråbe introduktion systemer transportsystemet for denne opsætning kræver mere udstyr. Den nuværende chip er udformet til indføring kun prøve. Men med små ændringer i designet avanceret introduktion og prøveforberedelse skridt sky gennemføres on-chip, fx fortynding 27-29, ultra hurtig blanding 30, kemiske reaktioner 31, separation 32-34, eller celle sortering 35,36. Under avancerede introduktion enheder, vi forstår for eksempel indførelse af prøve og standard dråber sekventielt eller parallelt med en enkelt chip. Dette ville øge throughput og forbedre nøjagtigheden af kvantitativ analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silicon wafer 100 mm | Si-Mat (Kaufering, Germany) | ||
| SU-8 2002 | Microchem Corp. (Massachusetts, U.S.A.) | ||
| SU-8 2050 | Microchem Corp. (Massachusetts, U.S.A.) | ||
| Acetone | Merk VWR (Darmstadt, Germany) | 100014 | |
| MR-developer 600 | Microresist Technology GmbH (Berlin, Germany) | ||
| Isopropanol | Merk VWR (Darmstadt, Germany) | 109634 | |
| 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltrichlorosilane | ABCR-Chemicals (Karlsruhe, Germany) | AB111155 | |
| Sylgard 184 silicone elastomer kit (PDMS) | Dow Corning (Michigan, U.S.A.) | 39100000 | |
| Perfluorohexane 99% | Sigma-Aldrich (Missouri, U.S.A.) | 281042 | |
| FC-40 | ABCR-Chemicals (Karlsruhe, Germany) | AB103511 | |
| Phosphate-buffered saline | Life Technologies (Paisley, U.K.) | 10010-015 | |
| Red blood cells in phosphate-buffered saline | Rockland Immunochemicals Inc. (Pennsylvania, U.S.A.) | R400-0100 | |
| Single-element standard solutions Na, Fe | Inorganic Ventures (Virginia, U.S.A.) | ||
| Multielement standard solution | Merck Millipore (Massachusetts, U.S.A.) | IV | |
| Nitric acid | Sub-boiled | ||
| Ultrahigh-purity water | Merck Millipore (Massachusetts, U.S.A.) | ||
| Hot plate HP 160 III BM | Sawatec (Sax, Switzerland) | used for wafer preparation | |
| Spin modules SM 180 BM | Sawatec (Sax, Switzerland) | used for wafer preparation | |
| High resolution film photomask | Microlitho (Essex, U.K.) | ||
| Step profiler Dektak XT advanced | Bruker (Massachusetts, U.S.A.) | ||
| Hot plate MR 3002 | Heidolph (Schwabach, Germany) | used for replica molding | |
| 1.5 mm biopsy puncher | Miltex (Pennsylvania, U.S.A.) | 33-31AA/33-31A | |
| Spin coater WS-400 BZ-6NPP/LITE | Laurell (Pennsylvania, U.S.A.) | used for adhesive bonding | |
| Syringe pump neMESYS | Cetoni (Korbussen, Germany) | ||
| 1 ml syringe | Codan (Lensahn, Germany) | 62.1002 | |
| 5 ml syringe | B. Braun (Melsungen, Germany) | 4606051V | |
| PTFE tubing | PKM SA (Lyss, Switzerland) | PTFE-AWG-TFT20.N | |
| Quadrupole-based ICPMS ELAN6000 | PerkinElmer (Massachusetts, U.S.A.) | ||
| Membrane desolvator CETAC6000AT+ | CETAC Technologies (Nebraska, U.S.A.) | only the desolvator unit is used | |
| High speed camera Miro M110 | Vision Research (New Jersey, U.S.A.) | ||
| Data analysis program Origin pro | OriginLab Corp. (Massachusetts, U.S.A.) | version 8.6 | |
| Microscope | Olympus (Tokyo, Japan) | IX71 |
References
- 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 and inductively coupled plasma mass spectrometric detection for capillary electrophoresis - A comparison of detection modes and interface designs. J. Anal. At. Spectrom. 13 (9), 885-891 (1998).
- Todoli, J. -L., Mermet, J. -M. Sample introduction systems for the analysis of liquid microsamples by ICP-AES and ICP-MS. Spectrochim. Acta, Part B. 61 (3), 239-283 (2006).
- Olesik, J. W., Hobbs, S. E. Monodisperse dried microparticulate injector - A new tool for studying fundamental processes in inductively-coupled plasma. Anal. Chem. 66 (20), 3371-3378 (1994).
- Gschwind, S., Hagendorfer, H., Frick, D. A., Günther, D. Mass quantification of nanoparticles by single droplet calibration using inductively coupled plasma mass spectrometry. Anal. Chem. 85 (12), 5875-5883 (2013).
- Garcia, C. C., Murtazin, A., Groh, S., Horvatic, V., Niemax, K. Characterization of single Au and SiO2 nano- and microparticles by ICP-OES using monodisperse droplets of standard solutions for calibration. J. Anal. At. Spectrom. 25 (5), 645-653 (2010).
- Shigeta, K., et al. Sample introduction of single selenized yeast cells (Saccharomyces cerevisiae) by micro droplet generation into an ICP-sector field mass spectrometer for label-free detection of trace elements. J. Anal. At. Spectrom. 28 (5), 637-645 (2013).
- Orlandini v. Niessen, J. O., Schaper, J. N., Petersen, J. H., Bings, N. H. Development and characterization of a thermal inkjet-based aerosol generator for micro-volume sample introduction in analytical atomic spectrometry. J. Anal. At. Spectrom. 26 (9), 1781-1789 (2011).
- Orlandini v. Niessen, J. O., Petersen, J. H., Schaper, J. N., Bings, N. H. Comparison of novel and conventional calibration techniques for the analysis of urine samples using plasma source mass spectrometry combined with a new dual-drop-on-demand aerosol generator. J. Anal. At. Spectrom. 27 (8), 1234-1244 (2012).
- Shigeta, K., et al. Application of a micro-droplet generator for an ICP-sector field mass spectrometer - optimization and analytical characterization. J. Anal. At. Spectrom. 28 (5), 646-656 (2013).
- Teh, S. -Y., Lin, R., Hung, L. -H., Lee, A. P.
- Zheng, B., Tice, J. D., Ismagilov, R. F. Formation of arrayed droplets by soft lithography and two-phase fluid flow, and application in protein crystallization. Adv. Mater. 16 (15), 1365-1368 (2004).
- Theberge, A. B., et al. Microfluidic platform for combinatorial synthesis in picolitre droplets. Lab Chip. 12 (7), 1320-1326 (2012).
- Li, L., et al. Nanoliter microfluidic hybrid method for simultaneous screening and optimization validated with crystallization of membrane proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103 (51), 19243-19248 (2006).
- Zhang, Q., Liu, X., Liu, D., Gai, H. Ultra-small droplet generation via volatile component evaporation. Lab Chip. 14 (8), 1395-1400 (2014).
- Baret, J. C., Beck, Y., Billas-Massobrio, I., Moras, D., Griffiths, A. D. Quantitative cell-based reporter gene assays using droplet-based microfluidics. Chem. Biol. 17 (5), 528-536 (2010).
- Brouzes, E., et al. Droplet microfluidic technology for single-cell high-throughput screening. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106 (34), 14195-14200 (2009).
- Pei, J., Li, Q., Lee, M. S., Valaskovic, G. A., Kennedy, R. T. Analysis of samples stored as individual plugs in a capillary by electrospray ionization mass spectrometry. Anal. Chem. 81 (15), 6558-6561 (2009).
- Kelly, R. T., Page, J. S., Marginean, I., Tang, K., Smith, R. D. Dilution-free analysis from picoliter droplets by nano-electrospray ionization mass spectrometry. Angew. Chem., Int. Ed. 48 (37), 6832-6835 (2009).
- Küster, S. K., et al. Interfacing droplet microfluidics with matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry: label-free content analysis of single droplets. Anal. Chem. 85 (3), 1285-1289 (2013).
- Pabst, M., Jefimovs, K., Zenobi, R., Dittrich, P. S. High-Resolution Droplet-Based Fractionation of Nano-LC Separations onto Microarrays for MALDI-MS Analysis. Analytical Chemistry. 86 (10), 4848-4855 (2014).
- Verboket, P. E., Borovinskaya, O., Meyer, N., Günther, D., Dittrich, P. S. A New Microfluidics-Based Droplet Dispenser for ICPMS. Analytical Chemistry. 86 (12), 6012-6018 (2014).
- Ammerman, C. N., You, S. M. Determination of the boiling enhancement mechanism caused by surfactant addition to water. J. Heat Transfer. 118 (2), 429-435 (1996).
- Samel, B., Chowdhury, M. K., Stemme, G. The fabrication of microfluidic structures by means of full-wafer adhesive bonding using a poly(dimethylsiloxane) catalyst. J Micromech Microeng. 17 (8), 1710-1714 (2007).
- Basu, A. S. Droplet morphometry and velocimetry (DMV): a video processing software for time-resolved, label-free tracking of droplet parameters. Lab Chip. 13 (10), 1892-1901 (2013).
- Dziewatkoski, M. P., Daniels, L. B., Olesik, J. W. Time-resolved inductively coupled plasma mass spectrometry measurements with individual, monodisperse drop sample introduction. Anal. Chem. 68 (7), 1101-1109 (1996).
- Abate, A. R., Hung, T., Mary, P., Agresti, J. J., Weitz, D. A. High-throughput injection with microfluidics using picoinjectors. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107 (45), 19163-19166 (2010).
- Bremond, N., Thiam, A. R., Bibette, J. Decompressing emulsion droplets favors coalescence. Phys. Rev. Lett. 100 (2), 024501 (2008).
- Niu, X., Gulati, S., Edel, J. B., deMello, A. J. Pillar-induced droplet merging in microfluidic circuits. Lab Chip. 8 (11), 1837-1841 (2008).
- Song, H., Ismagilov, R. F. Millisecond kinetics on a microfluidic chip using nanoliters of reagents. J. Am. Chem. Soc. 125 (47), 14613-14619 (2003).
- Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F.
- Lombardi, D., Dittrich, P. S. Droplet microfluidics with magnetic beads: a new tool to investigate drug-protein interactions. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 347-352 (2011).
- Edgar, J. S., et al. Compartmentalization of chemically separated components into droplets. Angew. Chem., Int. Ed. 48 (15), 2719-2722 (2009).
- Edgar, J. S., et al. Capillary electrophoresis separation in the presence of an immiscible boundary for droplet analysis. Anal. Chem. 78 (19), 6948-6954 (2006).
- Baret, J. C., et al. Fluorescence-activated droplet sorting (FADS): efficient microfluidic cell sorting based on enzymatic activity. Lab Chip. 9 (13), 1850-1858 (2009).
- Agresti, J. J., et al. Ultrahigh-throughput screening in drop-based microfluidics for directed evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107 (9), 4004-4009 (2010).
