ICPMSサンプル導入のためのマイクロ流体チップ

要約

我々は、誘導結合プラズマ質量分析（ICPMS）離散液滴試料導入システムを提示する。これは、90から7000 Hzまでの周波数で40〜60ミクロンのサイズ範囲で非常に単分散液滴を生成し、安価で使い捨てマイクロ流体チップに基づいています。

要約

このプロトコルは、誘導結合プラズマ質量分析（ICPMS）用の試料導入システムのような使い捨ての低コストのマイクロ流体チップの製造および使用方法を説明します。チップは、パーフルオロヘキサン（PFH）で単分散水性試料液滴を生成します。水性液滴の大きさと頻度は40〜60ミクロンの範囲で、それぞれ90〜7,000ヘルツから変化させることができる。液滴は、PFHの第二の流れとチップから排出され、排出時に無傷のままされている。特注の脱溶媒和システムはPFHを削除し、ICPMSに液滴を輸送する。ここで、狭い強度分布に非常に安定した信号は、液滴の単分散性を示し、測定することができる。我々は、導入システムは、定量的に、単一のウシ赤血球の鉄を決定するために使用できることを示している。将来的には、導入装置の機能を容易に追加のマイクロ流体モジュールを統合することによって拡張することができる。

概要

誘導結合プラズマ質量分析（ICPMS）による液体試料の元素分析は、一般に、導入装置¹のようにスプレーチャンバーとの組み合わせでネブライザーを用いて行われる。この試料導入システム内にサンプルが多分散エアロゾルを生成するために、噴霧器によって噴霧される。下流噴霧室は、大きな液滴を除去するために使用される。この方法は、高いサンプル消費量（> 0.3ミリリットル分^-1）2及び不完全なサンプル輸送と関連している。したがって、唯一のマイクロリットルの試料体積は、生物学、法医学、毒物学および臨床研究³のように、使用可能なアプリケーションには非実用的となる。サンプル消費量を減らすために、より小さなノズル寸法を有する噴霧器^3を開発した。しかし、縮小ノズルサイズは、未消化の生体液または濃縮塩溶液のサンプルが^3を分析しなければならないとき、目詰まりのリスクを増大させる。

試料導入のための別のアプローチがOlesik ら ⁴によって提案された。著者らは、ピエゾ電気駆動マイクロポンプにより製造された単分散離散微小液滴の形でICPMSに液体を注入した。この非常にシステムが広いアプリケーションを見つけられませんでしたにもかかわらず、それがICPMSで離散液滴導入の概念のさらなる発展を開始した。今日、30、50、70および100μmの大きさと100〜2,000ヘルツの周波数で液滴を生成することができるピエゾ電気的に駆動される分注システムは、購入することができる。液滴は、ほぼ100％の効率⁵でICPMSに輸送することができる。これらの微小液滴ディスペンサーを定量的に、単一のナノ粒子^5,6を測定するだけでなく、個々の生物細胞^7を特徴付けるため適用されている。サーマルインクジェット技術⁸に基づいて、同様のシステムは、生物学的試料⁹の分析のために試験した。 AvaIであるが可能な標識、単一の液滴を導入するシステムは、少量の試料に使用することができ、非常に効率的であり、ナノ粒子および細胞の分析のために期待され、それらはいくつかの制限を有する。 （カスタム設定^10を使用しない限り）は、固定ノズルサイズ、液滴サイズがわずかに変化させることができる。液（pH、塩含有量）の物理的特性の変化は、液滴の特性（サイズ、射出速度）を変更することができる。また、これらのデバイスは、目詰まりを起こしやすい、かなり高価であり、清掃が困難である。

液滴を生成するための別の方法は、液滴マイクロ流体¹¹の分野でよく知られている。近年、液滴マイクロ流体は、（バイオ）化学反応^12-15のための、単一細胞の研究^16,17のための関心を集めている。さらに、この技術は、エレクトロスプレーイオン化質量分析法^18,19でサンプルを導入するためのマトリックス支援レーザー脱離/ ionizatioにサンプルを調製するために適用したn個の質量分析^20,21。

最近、我々はICPMS ²²における試料導入のためのマイクロ流体ベースのシステムを導入しました。私たちの導入システムの重要な構成要素は、液体補助滴吐出（LADE）チップである。このチップは、完全にポリ（ジメチルシロキサン）（PDMS）からなる。焦点第チャネル接合流に試料水溶液（ 図1）の単分散液滴を生成するために使用される。この目的のために、揮発性の高い（58〜60°C ²³の沸点）と非混和性キャリア位相パーフルオロヘキサン（PFH）は（ 図1）が使用される。これらのPFHプロパティは、安定した液滴の生成とキャリア位相の高速な除去を可能にする。この生成方法は以下のサンプル液の影響の特性の変化は、他の液滴発生器と比較して。液滴サイズは水性相およびPFHの流量を変更することによって広い範囲にわたって調整可能である。下流secondarでyの接合は、よりPFHは少なくとも1m秒の流速を増加させるために添加されている^-1。この速度で液体が液滴破壊（ 図1の挿入図）することなく安定した直進ジェットチップ（ 図1）から排出することができる。このダブルジャンクショ​​ンの設計は、液滴発生の独立した吐出安定性を制御することができる。液滴は、カスタマイズされた輸送システムをICPMSに輸送される。このシステムは、落下管およびPFHを除去するための膜desolvatorを含む。水性液滴の乾燥した残渣は、その後ICPMSと質量検出器は、イオンのプラズマ中でイオン化される。チップの前部は、樽型の液滴搬送システムとの緊密な接続を確保することである。ノズルとの接触が回避されるためPFH液滴として水性試料の吐出が、有益である。これはかなりの細胞懸濁液または共で作業するとき問題になる可能性がノズルの目詰まりのリスクを、低下ncentrated塩溶液。 PDMSソフトリソグラフィーによって作製LADEチップは、、、（材料費チップあたり約2ドル）安い使い捨ておよび変更が容易です。手作業の少量のみを必要とする加工と組み合わせて、各実験は、新しいチップを用いて行うことができる。したがって、面倒な清掃が必要とされず、相互汚染が最小化される。

ここでは、ソフトリソグラフィによるLADEチップの製造とICPMSへの応用が記載されている。水溶液細胞懸濁液を用いた測定の例が提示されている。

プロトコル

1 SU-8マスター作製（図2）

注：ダスト粒子による欠陥を防ぐためにクリーンルームでSU-8マスターモールドの製造を行います。二枚のウエハは、製造、マイクロ流体機構とせずに1と1のウエハのために必要とされる。

1. マイクロ流体チップのマスター金型を準備します。最初のシリコンウエハに接着層を適用する。
   1. 200℃で10分間、シリコンウェーハを脱水する。 RTまでウエハを冷却し、以下のプロトコルでSU-8 2002をスピンコーター、スピンコートにそれをそれをロードします。
   2. 分配約3mlのウェハ上のレジスト。
   3. 全体ウエハ上にレジストを広めるために10秒間500rpmでウエハをスピン。
   4. 約2μmのレジストの高さを達成するために30秒間2000rpmでウェハをスピン。
2. 過剰取り除く防ぐために、アセトンに浸した綿棒で、ウェハの縁部からレジスト次のステップでホットプレートにウェハのこだわり。ホットプレート上で95℃で60秒間ウェハを焼く。
3. 紫外線（365nmにおけるを80mJ / cm ^2）を用いて、ウェハ全体を露光する。ポストベークウェハ95℃〜120秒間。
4. ダウンウエハを冷却し、すぐにコートに再びSU-8 2050年のための以下のプロトコルを用いてウェハをスピン：
   1. （このステップの間に約3ml SU-8レジストを分配する）20秒間100rpmでウエハを回転。
   2. 全体ウエハ上にレジストを広めるために10秒間500rpmでウエハをスピン。
   3. 約40μmのレジストの厚さが、結果30秒間3,250 rpmでウェーハをスピン。
5. 再び、過剰の65℃でのアセトンに浸した綿棒およびソフトベーク180秒間ホットプレート上のウエハとウエハのエッジから、および95℃で360秒間、レジストを除去する。
6. STIによるフォトマスクを準備ソーダ石灰ガラスに弄ぶ。マスク設計については、図3を参照してください。準備されたマスクを介して紫外光（365 nmで測定された160 MJ / cm ²の）でレジストを露光するためにマスクアライナーを使用してください。 65℃で60秒間及び95℃で360秒間ホットプレート上で再び露光されたウエハ焼く。
7. RTにウェハを冷却した後、レジストを現像するために5分間現像剤を充填したガラスペトリ皿にそれを浸す。静かに未露光SU-8を除去するためのペトリ皿を攪拌する。イソプロパノールでウェハをすすぎ、窒素銃で乾燥したそれを吹く。
8. 顕微鏡下でウェハを調べます。場合はステップ1.7で説明したように、数分間、再びウェハを開発、機能にレジストが残存している未開発。
9. 200℃で2時間、ウェーハを焼成することにより、残留溶剤を除去します。ステッププロファイラでの機能の高さを確認してください。測定された高さが所望の高さとは異なる場合がprotoで始まる再び欄第ステップ1.1.4でスピン速度を適応させる。
10. ウェハのPDMSの付着を防止するために、小さい磁製皿に1 H、1 H、2 H、2 Hの -perfluorodecyltrichlorosilane50μlと一緒にデシケーター内に配置することによって、それをsilanize。 100ミリバールにデシケーター内の圧力を低下させ、12時間ウェハをインキュベート。
    1. ブランクPDMSのための部品、ステップ1.10の方法を使用して別のシリコンウエハをsilanize。時間を節約するためには、単一のデシケーター中で同時に両方のウェーハをsilanize。

2. LADEチップ製造

NOTE：LADEチップを接着²⁴により接合二つPDMS片から作られる。最初の部分は、マイクロ流体機能が含まれています。他の部分は平坦でチャネルをシールするために使用される。貼り合わせ、それらは液滴輸送システムを有するチップをインタフェースするのに必要な円形の形状を形成する。ここでは、の製造二つの部分、それらの結合が記載されている。全ての工程は、 図4に示されている。

1. 硬化剤PDMS 4gをプレポリマー40gとを混合することにより、PDMSの44グラムを調製し（これは、最大6チップで生じる）。それは気泡のない（これは約20分かかります）になるまで、デシケーター中にPDMSを脱気。
2. 構造化された半分のレプリカ成形。
   1. ウェハの上にキャスティングフォームを配置し、デザインを中心に、案内構造体を使用して所定の位置にはめ込みます（ 図5を参照）。フラットPDMS半体のための場所にスナップをスキップします。
   2. 鋳造形で脱気PDMSの約3〜4グラムを注ぎ、150℃のホットプレート上で6分間に置きます。鋳造形で硬化したPDMSを冷却し、慎重にスパチュラを用いて鋳造フォームウエハを持ち上げる。
   3. マイクロ流体チャネルの汚染を防止するために、コンタクトのWiに以前にあったチップの側面をカバーテープでウェハを番目。慎重に過剰PDMSを除去するために、PDMS部分の縁に沿ってテープを切った。
3. フラットPDMSの半分が空白シラン化ウェハで2.2.3に上記のステップ2.2.1を繰り返して作製した。
4. テープのピールと生検パンチャーとの構造化された半分に流体接続穴をパンチ。貯蔵中にテープを有する構造を保護します。
5. 剤^24を硬化PDMSを用いた接着によって一緒にPDMS部分を接着。
   1. 未処理のシリコンウェハを取り、PDMSは、6000 rpmで30秒間硬化剤でコーティングしてスピン。スピンコーターからウェハを取る。
   2. 構造化された半分からテープを取り出し、ウェハ上に下に向けた構造でそれらを配置します。穏やかに気泡を除去するためにPDMSの上に押し出す。
   3. 空白のPDMSの半分からテープを外します。ウェハから構造化された半体を取り、手動でフラットPDMSの半体の上に合わせます。静かに絞る気泡を除去し、室温で24時間、組み立てられたチップ硬化させるために一緒に別れる。チャンネルが崩壊する可能性があります。このような力で部品を一緒に押さないでください。
6. 出口ノズルを開くには、カッターナイフでノズルチャネルに直交するインジケータ線に沿ったチップの先端をカットします。ストレート液体吐出するために必要なストレートカットを、確実にするために整列装置を使用してください。マイクロ流体チャネルとダスト粒子の欠陥のために、顕微鏡下でチップを点検。貯蔵中にチップを保護するために、入口穴の上にテープを入れてください。
7. 乾燥窒素源にとLADEチップのすべての注入口にチューブをWoulffボトルを接続します。預金50 Woulff瓶の底の1 H、1 H、2 H、2 Hの -perfluorodecyltrichlorosilaneのμLして閉じます。
8. 1 H、1 Hを担持する窒素流で20分間、すべてのチャネルをフラッシュすることによってマイクロ流体チャネルをSilanize 、2 H、約1ml /秒の流速で2 Hの -perfluorodecyltrichlorosilane。チップは、実験のための準備ができて、室温で少なくとも数週間保存することができる。

測定/液滴交通システム3.準備

注記：セットアップ安定支持構造を構築する必要があるため、光学テーブルの上に全体の液滴輸送システムを構築する。全液滴輸送システムのスキームを図6に示されている。

1. 垂直にステンレス鋼管を添付50センチメートルでカスタムサイクロンポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）アダプタをインストールします。マスフローコントローラとヘリウム源にアダプタを接続します。液滴可視化のための反対のサイトでアダプターに（高速）カメラとランプを取り付けます。
2. 鋼管の中央にカートリッジヒータを配置し、ポリ（塩化ビニル）（PVC）チューブおよびルグリチューブを使用膜desolvatorの入口と鋼管の端部を接続するためのコネクタ。
3. 直接ICPMS入口に接続されている層流アダプタの別のPVCチューブをdesolvatorの出口を接続する。マスフローコントローラアルゴン源に層流アダプタを接続し、後に安定した動作条件を達成するために、アルゴンを混合するために使用する。
4. アダプターだけでなく、精神レベルの垂直鋼管を合わせます。位置合わせが正確でない場合には、液滴の大きな損失につながる可能性がある。ガスがシステムのウォームアップ時間中に漏れ出し防止するために、アダプタにプラグを差し込みます。
5. 表1の設定を使用して、すべての上記ガス流およびデバイスが起動し、システムが15分間のウォームアップを許可する。カートリッジヒータは、事前にスイッチを入れ、温度を安定化させるために2時間を必要とする。
6. サイクロンヘリウムアダプタの高さでラックにシリンジポンプを配置します。間の距離を保つシリンジポンプできるだけ短くアダプタ。

4.測定

注：以下のプロトコルが原因で使用することができ溶液および懸濁液の様々な一般的な用語で書かれている。しかしながら、細胞懸濁液は、単一細胞分析は、液滴の大部分が1つだけのセルを運ぶことを保証するために、実行され、<1×10 ⁷細胞/ mlの濃度に希釈されるべきである。注射器の出口が下向き指し、それらが下向きに指すようにチューブを取り付けるように細胞を用いた測定では角度でシリンジポンプを配置します。

1. 注射器にチューブを取り付けます。負荷フルオロヘキサン二つ5ミリリットルの注射器と試料溶液または懸濁液で1 1mlシリンジ。注射器とチューブの中に閉じ込めすべての気泡を除去。
2. シリンジポンプに注射器を取り付け、チップの入口に接続します。からスタート設定を使用してシリンジポンプを起動します。表1（またはそれ以上の流量）。フローを安定させるために3から5分を与える。
   1. 組織とチップの先端から余分な液体を除去します。液体は今ストレートジェットでチップから排出する必要があります。ストレート吐出をティッシュで拭くことによって達成することができない場合はチップを交換し、このステップでやり直す。
3. アダプタからプラグを外し、慎重にアダプタにチップを挿入します。必要に応じて、FC-40でチップに注油。チップは、実験の少なくとも2時間のために使用することができる。
4. 表1の推奨測定設定範囲内であると流量を変更する。PFHの下部流量がPFH節約するだけでなく、同重体干渉による信号のバックグラウンドを減少させるだけでなく。
5. （選ばれた流速に応じて）安定させるためにシステムを2-5分を与えます。目的の分析物の最も高い信号強度をICPMSを最適化します。
   1. 続いて、すべてのGの流れを調節するマスフローコントローラでアーゼ（ 表1の推奨される範囲を参照）、目的の分析物の最大信号強度が達成されるまで。プラズマパワーと同じようにICPMSに（製造者が推奨する範囲に応じて）フォーカスレンズ電圧チューン。
6. 10ミリ秒の滞留時間にICPMSを設定します（使用される非常にICPMSを申請したが、時間分解買収を確実にするために他の楽器と調整することができます）。製造業者のプロトコルを使用して、特定のm / zの信号の記録を開始。
7. 測定後、評価のためにデータ解析プログラムに生データを転送する。カウントに対するビンの中心値を生じたビン内蔵の機能を持つ10ミリ秒あたりのカウントに与えられたデータ、およびプロット。ガウス関数でプロット頻度分布ヒストグラムの各ピークを取り付け。フィットの平均およびσは、それぞれ、平均信号強度とその標準偏差を表す。

5。キャリブレーションコンセプト

1. サンプルと同じ流量で要素または目的のエレメントを含む単一または多元素標準溶液を測定する。
2. 顕微鏡上のペトリ皿にLADEチップを置きます。より良い画質のための非円形のチップを使用しています。ステップ2で説明したように、このチップを製造するが、単純な長方形の鋳造フォームの代わりに、部分的に丸い形のいずれかを使用。
3. 液滴の生成を開始するには、手順4.2.1に4.1に従ってください。ステップ5.1で使用される流量と流量を設定します。
4. 顕微鏡（20倍対物レンズ）に取り付けられた高速カメラで水性液滴の画像を記録する。記録から平均液滴直径を得るために、Basuの²⁵による液滴形態計測と速度測定ソフトウェアと同様に画像解析ソフトウェアを使用してください。
5. 液滴が球体であると仮定して、液滴の体積を計算するために平均液滴直径を使用する。
   1. このボリュームとknから液滴中の分析物の独自の濃度は、対応する原子の数を計算する。検出効率を得るために原子の数によって測定された滴あたりのイオン数を分割する。未知試料中の原子の数を計算し、この検出効率を使用する。
      注：個々のチップ間の変動は²²小さいので、その流量が同じままであれば、すべてのチップまたは溶液のための液滴サイズの測定を繰り返す必要はない。特定の流量に応じて、液滴サイズおよび周波数のリストはVerboket らによって公開されている^。22。

結果

提示システムは、細胞又はナノ粒子を含む溶液または懸濁液の小体積を測定するために用いることができる。単一細胞の標準溶液および特性の測定の例は、ここに示されている。以上の例はVerboket ら ²²に見出すことができる。

典型的には溶液の単一の液滴の信号が非常に短いイベントがある。これは、通常、数百マイクロ秒²⁶のために持続する。?...

ディスカッション

チップの製造は、非常に信頼性が高いですが、特別な注意が必要な製造中のいくつかの重要なポイントがあります。まず、組み立て時の清浄度は、ほこり、チップの汚染を防ぐために非常に重要である。ダストはチャンネルをブロックし、安定した液滴の生成を防止することができる。第二に、先端がノズル流路と直交する切断されることが特に重要である。カットの角度が強く、吐出角度?...

資料

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