Summary
这项工作提出了液体处理和样品引入用于原位时间飞行二次离子质谱法的蛋白质的生物分子的水溶液中分析一个协议到一个微通道。
Abstract
使用分析系统在液体真空接口（SALVI）和时间飞行二次离子质谱法（TOF-SIMS）的水溶液中的蛋白质的生物分子的原位表征这项工作表明。纤连蛋白的蛋白质膜被固定在形成SALVI检测区域的氮化硅（SIN）膜。在TOF-SIMS分析中，进行了分析的三种模式包括高空间分辨率质谱，二维（2D）成像和深度剖析。质谱在积极和消极模式获得的。还分析去离子水作为参比样品。我们的结果表明，在水中的纤连蛋白膜具有单独与水相比更明显的和更强的水簇的峰。的氨基酸的片段的特征峰，可以在水合蛋白质TOF-SIMS光谱观察到。这些结果表明，在表面上的蛋白分子的吸附，可以研究动感中LLY使用SALVI和TOF-SIMS在首次的液体环境。
Introduction
水化是该结构，1构象，2和蛋白质的生物活性的3至关重要。他们周围的蛋白质没有水分子不会有可行的生物活性。具体地，水分子与表面和蛋白质的内部结构进行交互，和蛋白质的不同水合状态使这种相互作用是不同的。4蛋白与固体表面的相互作用是在纳米技术，生物材料和组织工程的过程影响的基本现象。研究早就表明，作为蛋白质遇到表面，可能会发生的构象变化。 TOF-SIMS已经设想作为具有研究蛋白质-固体界面的电位的技术。5-7理解在固体表面上，这可能提供了它们的结构的机构的基本理解蛋白的水合是重要的，构象和生物人的活动。
然而，主要的表面分析技术大多是基于真空和挥发性液体直接的研究应用，由于挥发性液体的真空环境下迅速蒸发是困难的。我们开发了一种真空兼容微流体接口，系统分析在液体真空接口（SALVI），以使液体表面，并使用时间飞行二次离子质谱法（TOF-SIMS）液-固相互作用的直接观察。8- 11独特的方面包括以下内容：1）的检测窗的直径为使液体表面的直接成像的2-3微米的孔，2）表面张力被用于保持所述孔中的液体，以及3）SALVI是在多个平台上的分析的便携式11,12
SALVI由氮化硅（SIN）膜作为检测区域，并提出聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微通道。这是FABRicated在洁净室，并在制造和关键设计因素已在先前的论文和专利被详细描述。8-12 TOF-SIMS的作为分析工具中的应用进行了使用各种水溶液和复杂液态混合物，其中一些的证明含有纳米颗粒。13-17具体地说，SALVI液体TOF-SIMS允许动态活生物系统 （即生物膜），单细胞，和固体电解质界面的液-固界面的探测，原位冷凝阶段打开新的机会研究包括使用TOF-SIMS液体。然而，目前的设计不允许气液相互作用爱好。这是未来发展的一个方向。 SALVI已被用于研究水合蛋白质膜在这项工作中，第一次。
纤连蛋白是一种常用的蛋白二聚体，由18由一对的二硫键连接的两个几乎相同的单体，的我旗下著名其结合细胞的能力。它19,20被选择作为模型系统来说明水合蛋白薄膜可以使用SALVI液体TOF-SIMS方法来探测动态。该蛋白质溶液引入到微通道。 12小时温育后，形成在SiN膜的背面侧水合蛋白质膜。去离子水是用来冲洗掉蛋白质出台后的通道。信息来自于使用动态TOF-SIMS的SALVI微纤连蛋白水合蛋白质分子收集。 DI水还研究了作为控制与水合纤维连接蛋白薄膜得到的结果进行比较。水合蛋白膜和DI水之间观察明显的差异。这项工作表明，关于在液体环境表面蛋白吸附可以使用该新型SALVI和液体TOF-SIMS方法进行研究。该视频协议的目的是人谁是感兴趣的人士提供技术指导在利用与TOF-SIMS SALVI的各种应用此新的分析工具，并减少在液体处理不必要的错误以及TOF-SIMS数据采集和分析。
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Protocol
1.清洁和消毒的SALVI微通道
- 微通道中SALVI消毒
- 抽2毫升70％的乙醇水溶液到注射器，与SALVI的入口端连接注射器，并在10分钟内慢慢地注射1毫升液体。在注射结束取下注射器。接下来，将使用聚醚醚酮（PEEK）工会SALVI的入口和出口。或者，使用注射泵以进行同样的程序。例如，以100微升/分钟设定的流速。
- 保持SALVI微通道在室温下填充有70％的乙醇溶液4小时。
- 介绍去离子水（DI）为SALVI
- 抽2毫升无菌DI水到注射器，与SALVI的入口连接注射器，并在10分钟内慢慢地注射1毫升液体。取下注射器，并用PEEK工会连接SALVI的入口和出口。或者，使用注射泵在提到1.1.1一步。
2. SALVI蛋白质膜的固定化
- 在固定的SALVI蛋白质电影
- 抽2毫升纤连蛋白（10微克/ ml，在磷酸盐缓冲盐水，PBS）的溶液到注射器，与SALVI的入口连接注射器，在10分钟内慢慢地注射1毫升的液体，取出注射器，以及连接所述入口并利用PEEK工会SALVI出口。
- 孵育在一个干净的培养皿中填充有纤连蛋白溶液的SALVI，在室温下保持盘在引擎盖12小时。
- 抽2毫升无菌DI水到注射器和带SALVI的入口连接注射器。缓缓注入1ml水在10分钟内，取出注射器，并连接SALVI的入口和出口。
注意：如果装备有光学显微镜，检查SALVI在显微镜下，以确保在SiN膜是前TOF-SIMS分析完好无损。现在SALVI设备已准备就绪TOF-SIMS的alysis。
3.安装SALVI到TOF-SIMS负荷闭锁室
注：手套应该在任何时候都处理SALVI设备并安装它到TOF-SIMS阶段，以避免表面分析过程中潜在的污染时佩戴。
- 摩SALVI到舞台
- 躺在平坦，干净的表面的TOF-SIMS阶段。把SALVI设备上的硅片和罪恶膜朝上的阶段。固定使用四个金属夹紧件SALVI并拧金属片由四个螺丝保持该装置的角落入金属板。
- 轻轻卷起连接到微流体通道的PFTE管。用四个金属片和四颗螺丝保持僵硬的一部分了。确保该装置被定位在上SIMS阶段的开放空间，以便它不会与分析过程中一次离子束干涉。额外的图像和SALVI fabricat的插图离子和安装在以前的出版物提供。8,9,11
- 安装法拉第杯的舞台上，
- 通过螺丝固定在舞台上的法拉第杯。
- 加载阶段进入TOF-SIMS负荷闭锁室
- 打开TOF-SIMS负荷闭锁，持有和水平搭建了舞台上装载平台，并关闭装载锁定门。
4. TOF-SIMS数据采集
- 开启真空泵，并确保适当的真空（例如，10 -6毫巴或乇的数量级）在装料锁气室达到。
- 移动SALVI到主腔室，一旦真空后约30分钟稳定化。
注：真空应该低于5×10 -6毫巴真空中在数据采集期间主腔。否则，较高的真空是表示在SALVI系统泄漏。 - 调整TOF-SIMS的与初级离子束和分析器根据制造商的建议的约400纳米的空间分辨率。初级束的电流是1200 pA的，而循环时间下DC模式30微秒。
注意：这个过程基本上遵循制造商的建议。 - 发现使用光学显微镜的微流体通道。使用光学图像中心为基准，并对齐以与次级离子图像中心一致。
- 每次测量前，用1千电子伏O 2 +束（〜40 NA）扫描的SiN窗口上用500×500微米2面积约15秒，以除去表面的污染。此外，使用电子流枪中所有的测量，以弥补地面充电。使用流枪的自动功能在此步骤的默认模式。
- 选择数据采集之前积极或消极的模式。使用25千电子伏的Bi 3+光束作为在所有测量的一次离子束。
注意：步骤类似˚F或正面和负面的数据采集。对空间的兴趣，正模式在细节描述。- 深度剖析
- 扫描上的圆形区域中的Bi 3+光束直径为〜2微米与32像素乘32像素的分辨率。
- 为了尽量减少对穿通在SiN膜所需要的时间，使用长脉冲宽度（即，180纳秒，束电流〜1.0 pA的以100微秒的周期时间）的Bi 3+光束。当达到从液面上升次级离子代表的强度穿通。的穿通时间变化从300秒至500秒，这取决于批量在SiN膜。
注意：此差异似乎与给批次根据我们的经验获得的SiN膜。但是，穿通时间并没有真正影响到的数据分析。 - 在SiN膜后穿通，保持相同的电流约200秒获得2D图像重建足够的数据。
- 减少脉冲宽度为80毫微秒的数据收集来获取光谱具有更好的质量分辨率。继续本次收购大约另外200秒。在图1所示的光谱数据从该区域获得的。
- 2D成像和质谱
- 测量深度剖析数据时收集在同一时间的二维成像和质谱数据。在TOF-SIMS仪器保存所有在实验过程中每个点的信息。该数据显示在不同的窗口的数字控制软件（FPanel - 单独图像光谱，FPanel - - 概况和FPanel）。明智期间数据采集检查每个面板数据。
- 深度剖析
5. TOF-SIMS数据分析
注意：最初使用IonToF TOF-SIMS仪器软件进行数据分析。
- 打开一个SIMS（测量资源管理器），然后的alysis软件点击“配置文件”，“光谱”和“图像”按钮，分别用于处理深度剖析，M / Z频谱和图像数据。
- 打开具有扩展名“.ita”的数据文件。
- 选择感兴趣的峰，请在“离子”框物种的名称，并在图谱中具有不同的颜色标记它们。使用鼠标滚轮沿x轴拖动。使用Ctrl和滚轮调节峰值的高度和宽度。沿y轴的线性和登录模式之间字母“L”的开关。
- 质量校准之前进行数据重建。否则，就很难选择在质量校准步骤的峰之间的间隔。
- 选择感兴趣的深度分析数据，并根据深度分布时间序列重构的光谱。
- 点击按钮重建。在“开始重建”窗口中，键入int的扫描范围erest。点击“确定”重建深度分布数据。
- 执行质量校正。按“F3”，打开“质量校正”窗口。请根据具体的样品进行校准峰。21在这项工作中，请使用以下的山峰CH 3 +（M / Z 15），H 3 O +（M / Z 19），C 2 H 5 +（M / Z 29 ），H 5 O 2 +（M / Z 37），C 3 H 7 +（M / Z 43），H 7 O 3 +（M / Z 55），H 9 O 4 +（M / Z 71） H 11 O 5 +（M / Z 99）和H 13 O 6 +（M / Z 109）为正模式。使用下列峰CH 2 - （M / Z 13），O - （M / Z 16）中，OH - （M / Z 17），C 2 H - （M / Z 25），C 3 H - （M / Z 37），和C 4 H - （M / Z 49）为负模式。
- 选择一个高峰，确保向下箭头指着窗口左下角的高峰期。点击峰值，并在“质量校准”窗口中键入高峰名称，单击“添加”，和感兴趣的离子包括在质量校正。
- 最后，点击“重新校准”按钮。检查峰面积是在正确的地方根据自己的质荷比。在“光谱”菜单，选择并点击“应用质量校准”，“所有谱”或“选中的光谱”，这取决于具体的分析正在进行。
- 峰值选择是必要的试样分析，根据文献或其它以前的研究结果确定样品的特征峰。比较在M / Z谱感兴趣的峰的强度。如有必要，在峰列表中添加新的高峰或删除无用的峰值。
- 添加峰。点击一个高峰，发现在左侧窗口底部的红线。霍尔D中的“Ctrl”键，滚动鼠标水平来定义峰宽，它会自动添加一个峰值到峰值列表。添加一个峰的另一种方法是选择在主光谱窗口的峰，然后点击窗口上方的“加峰”按钮。如果有许多山峰添加，在“光谱”菜单，选择“搜索峰值”，检查相关的规范在新打开的窗口中，然后根据需要添加峰。
- 要导出峰值列表，在“峰列表”菜单，选择“保存...”中的“itmil”格式的峰值列表。使用Ctrl和左按钮沿频谱拖动。在光谱窗口中，选择感兴趣的峰和两条虚线拖动到理想的位置。
- 要导入一个峰值列表，在“大众间隔列表”菜单，选择“导入”，找到文件扩展名为“.ITPL”现有的峰值列表文件。点击“打开”。
- 要使用“itmil”高峰期名单中，在“大众间隔列表”菜单上，单击“打开...”，找到该文件，然后单击“打开”。
- 应用峰值列表来进一步分析数据。在“光谱”窗口的左下方，有一个名为“大众间隔列表”窗口中。导入的峰列表如下所示的。
- 右击峰列表文件被使用，其应用到“活性谱”或“所有光谱”。
- 查看资料文件。在“配置文件”窗口中，用字母“M”，以适合窗口（全系列）和字母“N”以适应y轴。使用Ctrl并滚动滚轮来调整轮廓宽度。或者使用“/”和“*”的键板来改变y轴范围和高度。
- 使用其他图形软件的初步分析后进一步绘制导出数据。
- 要导出深度剖面，在“配置文件”窗口中，单击“文件”菜单，然后选择“导出＆＃34 ;,然后选择“另存为”一个名为“.txt”文件。
- 要导出为m / z频谱文件，在“光谱”窗口中，单击“文件”菜单，然后选择“导出”，然后选择“另存为”一个名为“.txt”文件。
- 要导出图像文件，在“图像”窗口，打印屏幕并保存为图像文件。
6. TOF-SIMS数据绘图和演示
注意：使用一个图形工具的SIMS数据使用的工具软件处理后绘制数据。
- 使用图形工具来导入数据。
- 使使用M / Z作为x轴和峰强度作为y轴，以显示所述重构的频谱的曲线图。一个例子在图1中给出。
- 使用溅射时间作为x轴和峰强度作为y轴，以显示所述重构深度分布时间序列的图。一个例子在Figu给出再2。
- 结合不同的M / Z的重构的二维图像，并形成一个矩阵显示离子映射。一个例子在图2中给出。
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Representative Results
一对夫妇的代表性结果提交给验证了该协议的优点。通过使用SALVI微流体接口，初级离子束（铋3 +）可以直接轰击在DI水中水合纤连蛋白膜。因此，液体表面的分子化学映射可以成功地获取。
图1a 和 1b分别示出了水合纤连蛋白膜和DI水的正TOF-SIMS质谱，。感兴趣的峰值包括水簇（ 即 M / Z 19，37，55，73，91和109）和氨基酸片段（ 即 M / Z 30，44，61，74，81，83和98）由红色箭头表示。除了氨基酸片段的特征峰，其中已使用干蛋白质样品被广泛报道，水簇的峰中观察到的在去离子水中水合纤连蛋白薄膜的质谱。而且，这些水簇的峰的强度是从那些在DI水中的质谱大不相同。这个结果提供了周围的水分子的性质的，并且在表面上在它们的吸附发挥作用水合蛋白质分子内的直接证据。
图2a示出的深度轮廓的时间序列水合纤连蛋白膜和DI水。作为样品是在SiN膜下，在SiN膜通过冲压之前选择的第二离子的强度是可以忽略的（即 ，280秒，纤连蛋白和340秒为DI水）。一旦在SiN膜被冲压通过，这些二次离子的强度显著增加。当使用长脉冲宽度，质量分辨率相对较低。因此，短脉冲宽度的过程使用具有更好的质量分辨率，以获得数据图像和光谱重建所强调如图 2a。经过一段时间后（即 ，60秒为纤连蛋白和220秒为DI水），减小的脉冲宽度是用来获得具有更好的质量分辨率M / Z光谱。最后M / Z谱从200秒测量重构突出绿色阴影区域中的深度分布时间序列。 图2b示出了从水合纤连蛋白膜和DI水，其对应于在图2a中的绿色的阴影区域的二维图像。这些2D图像代表选择的次级离子的计数从样品：图像越亮，二次离子计数越高。这种直观的图像给出不同的样品之间选择的次级离子的清晰的比较，这是在数据分析有帮助的。根据我们的经验，在在SiN穿通时间的不同而变化批次在SiN膜。然而，它不影响重动态TOF-SIMS分析sults。
图1：在SALVI微通道水合纤连蛋白膜和DI水的TOF-SIMS阳性光谱的比较 （ 一 ）纤连蛋白的重构M / Z频谱。 （二）DI水光谱。
图 2： 深度剖面和水合纤连蛋白和去离子水的2D图像 （a）在该正模式的深度剖析时间序列纤连蛋白和DI水。 （二）的2D图像重构对应于绿色阴影200秒的时间段沿深度分布的时间序列（a）中。几个特征质量，以相关的比例收取，以水分子团簇（例如，M / Z 1，19，37，55）显示，除了已知的氨基酸片段（ 例如 ，M / Z 30，83，98）。 请点击此处查看该图的放大版本。
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Discussion
SALVI是微流体接口，允许动态液面与液 - 固界面的分析通过基于真空手段，如TOF-SIMS和扫描电子显微镜（SEM）。由于小孔的使用情况，以直接在真空暴露液体，SALVI是适用于许多精密聚焦光谱和成像技术没有任何修改; 22可移植性和微流体的多功能性使之成为真正的多模成像平台。不同的特性和相对于其他现有技术SALVI的意义归纳在最近几个评价22-25作为SALVI技术的开发者，我们小组已经积极地将其应用到各种涉及动态液体表面和液-固界面的研究。的新的应用程序的一些例子包括哺乳动物细胞膜，细菌生物膜附着，15,16或纳米颗粒形成作为水性表面氧化的结果。在这种PA每次，我们目前的水合蛋白薄膜吸附在SiN表面上的初始液体TOF-SIMS结果。
这是相当关键小心处理在协议中突出显示的步骤。例如，绘制成的液体在步骤1和2中的注射器时，确保不会有注射器内的任何气泡。因为一旦气泡注入SALVI，他们可能会在真空中引起泄漏。9因此，如果观察到任何气泡，为谨慎起见，由直立设置注射器，轻轻推泡出摆脱他们。此外，这是非常重要的，以使在SALVI在SiN窗口平面优化TOF-SIMS分析中，如在步骤3中所描述的检测区域的这水平度根据TOF-SIMS的设计直接影响到数据的品质。26它要确保一切到SIMS阶段之后目视检查设备。如果在SiN窗口不是水平的，调整螺丝，改变高度所述SALVI装置，以确保一切是在尽可能多的同一平面上。这些微妙的点需要经验和细心，它决定了整个实验的成功和可靠性。
如图1b中，与M / Z 19，37，55，73，91和109具有高的计数的峰值。这表明，有水簇的一个好数字（H 3 O +，H 5 O 2 +，H 7 O 3 +，H 9 O 4 + H 11 O 5 +和H 13 O 6 +）在正二次离子。其他水簇（数据未示出）具有较高的m / z值也有比较强的峰与它们相邻的峰进行比较。这些大量水簇的是从在SiN穿通之后的去离子水的表面射出。在正模式水簇的信号没有在以前的瓦特被观测到的ORK;这是由于二次离子和低计数TOF-SIMS在过去条件非优化8随着优化SALVI和TOF-SIMS采集条件的不断努力，如一次离子束（即，铋+ VS毕3 +），脉冲宽度和深度剖析期间当前的条件下，它现在可以观察到高达44水簇在使用本文提出的条件，正模式。这里显示的结果是令人鼓舞的进一步研究水在各种生物分子和生物系统动力学的作用。
这里作为一个例子来说明在研究生物分子动力学SALVI和TOF-SIMS的优点，纤连蛋白的水合提出。的M / Z 30，44，61，74，81，83，和98的峰，根据前述报告，27,28这比DI笏的强得多属于氨基酸片段呃如图 1b所示。在纤连蛋白样品中的氨基酸片段的强度增加这种差异表明，这些二次离子确实从蛋白质本身。此外，水簇的图 1a中的峰值比在图1b中，这意味着在该蛋白质的吸附表面和界面溶液的水分子的性质可以从那些在纯水中非常不同的那些DI水强得多。
图2a代表深度剖析时间序列两个不同样本：纤维连接蛋白和去离子水在微SALVI。作为在SiN窗口正在通过与长脉冲宽度铋3 +一次离子束轰击收集深度剖析的数据。 如图 2a所示，在SiN窗口是通过在约300秒打孔。前SALVI在SiN窗口砸出通过量小时，选择的次级离子的强度是相当低的。一旦在SiN窗口被冲压穿过的二次离子的强度立即增加，因为液体表面开始被由初级离子束轰击。例如，H +的强度和H 3 O +显示一个大的增加，表明所述水表面的观察。-8,9-虽然强度是穿通或界面处，它们可达到相对稳定后不稳定右经过一段时间后的值（例如，60秒为纤连蛋白和220秒为DI水，分别在图2a）。在长脉冲宽度钻孔的差异并没有真正影响重建M / Z谱（例如，图1）当在这里示出的分析结果中，因为有效M / Z光谱在SiN穿通后获得的。然而，研究人员可以选择使用同样的条件对所有样品FO- [R一致性和简化数据分析过程中选择数据段。为了获得更好的质量分辨率，脉冲宽度随后减少，强度分别在深度剖析实验的后期部分相应地减少。深度轮廓的时间序列中连续收集另一200秒为M / Z频谱分析提供足够的数据。时间的M / Z光谱重建的部分突出显示为绿色的阴影区域。
纤连蛋白已被广泛地用于前细胞培养表面吸附;许多研究已经表明纤连蛋白是负责细胞粘附和细胞的生物材料的相互作用。使用椭圆光度法（羟乙基甲基丙烯酸酯）的刷子19,20,29最近的一项研究，其特征纤连蛋白吸附在聚的厚度。纤连蛋白薄膜被确定为3-12纳米厚。30这种厚度是合理用于在水性SOLU的深度剖面分析灰。-8,9-随着SALVI的发展，吸附在固体表面上的水合蛋白质的直接分析现在是可能的。这种方法潜在地可具有学习与动态固体表面蛋白质的相互作用广泛的应用。
图2b分别显示了从纤连蛋白和DI水样不同的次级离子的选择的2D图像。二维图像从图 2a中绿色阴影区域的深度剖面时间数据，对应于液体表面的SiN之后获得穿通如前所述。选择的氨基酸片段二次离子的图像CH 4 N +，C 5 H 7 O +和 C 4 H 4 NO 2 +（即，M / Z 30，83和98），用于将纤连蛋白薄膜均较亮得多为去离子水。这表明氨基酸片段次级离子观察˚FROM中的2微米直径的光圈内的纤维连接蛋白分子。此外，选择的峰的图像 （例如，M / Z 1，19，37，和55）对应于纤连蛋白的几个水簇比去离子水的显着更亮。这个结果表明，纤维粘连蛋白的水合使得周围的生物分子从在DI水中的水分子不同的水分子。
总之，这项工作提供了关于蛋白质水合诱导的水分子属性改变引人注目的证据。这样的结果可以提供在结构上，构象和生物在液体微吸附在固体表面上的蛋白质的活性的改进的基本理解。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ToF-SIMS | IONTOF | TOF.SIMS 5 | Resolution: >10,000 m/Δm for mass resolution; >4,000 m/Δm for high spatial resolution |
| System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface (SALVI) | Pacific Northwest National Laboratory | N/A | SALVI is a unique, self-contained, portable analytical tool that, for the first time, enables vacuum-based scientific instruments such as time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) to analyze liquid surfaces in their natural state at the molecular level. |
| PEEK Union | Valco | ZU1TPK | for connecting the inlet and outlet of SALVI |
| 5 Axes Sample Stage | IONTOF | N/A | Stage is self-made for mounting SALVI in ToF-SIMS |
| Barnstead Nanopure Water Purification System | Thermo Fisher Scientific | D11921 | ROpure LP Reverse Osmosis filtration module (D2716) |
| Syringe | BD | 309659 | 1 ml |
| Pipette | Thermo Fisher Scientific | 21-377-821 | Range: 100 to 1,000 ml |
| Pipette Tip | Neptune | 2112.96.BS | 1,000 µl |
| Centrifuge Tube | Corning | 430791 | 15 ml |
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F1141 | 1 mg/ml |
| Ethanol | Thermo Fisher Scientific | S25310A | 95% Denatured |
| Gibco PBS | Thermo Fisher Scientific | 10010-023 | pH 7.4 |
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