細(xì)胞中的痕量元素分析對于研究細(xì)胞信號傳導(dǎo)、生理病理學(xué)和疾病的早期診斷至關(guān)重要進一步。電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）是痕量元素分析的有力工具之一大部分，具有高靈敏度和多元素/同位素同時(shí)檢測的優(yōu)點(diǎn)強大的功能。然而，將ICP-MS直接用于細(xì)胞中的痕量元素分析時(shí)解決方案，通常會(huì)面臨細(xì)胞消耗量較大（通常為104-106個(gè)細(xì)胞）優勢、基質(zhì)干擾和細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)元素含量低于儀器檢出限等問題。在引入ICP-MS之前增產，采用微型化的樣品前處理手段便利性，可以在一定程度上去除復(fù)雜基質(zhì)、富集胞內(nèi)目標(biāo)元素行動力。微流控芯片具有多功能集成提供有力支撐、適合微量樣品處理的特點(diǎn)，在芯片上集成樣品引入單元和前處理模塊可以大大提高分析效率保供。

近期自行開發，武漢大學(xué)胡斌教授課題組報(bào)道了一種采用3D打印技術(shù)構(gòu)建的集細(xì)胞裂解、整體柱微萃取責任、微閥控制單元和微流全耗型高效霧化器多功能一體化的微流控芯片品質，并將其用于細(xì)胞中痕量稀土的分析，相關(guān)成果以“3D Printed All-in-One Sample Introduction System for ICP-MS: Integrating Chip-Based Array Monolithic Microextraction, Microvalve Control, and Microflow Nebulizer"為題發(fā)表在國際雜志《Analytical Chemistry》上深入各系統。

研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)制造的一體化樣品引入系統(tǒng)主要包含多功能陣列整體柱微萃取芯片和可拆卸微流全耗型高效霧化器（MTHEN）解決問題。該3D打印（3DP）陣列整體微萃取芯片由細(xì)胞裂解單元和陣列整體微萃取單元組成作用，并集成了微閥控制單元以實(shí)現(xiàn)上樣/解吸的自動(dòng)切換相互配合，通過具有定制結(jié)構(gòu)和接口的3DP-MTHEN將其與ICP-MS在線連接。結(jié)合ICP-MS檢測著力增加，系統(tǒng)評估了3DP整體柱對痕量稀土元素(REEs)的萃取性能以及3DP-MTHEN的霧化性能智能化，并將其用于少量MCF-7細(xì)胞中痕量REEs的分析。

由摩方精密microArch® S130 （精度：2 μm）3D打印系統(tǒng)制備的3DP陣列整體柱微萃取芯片包括兩個(gè)并聯(lián)的微萃取單元處理，通過微閥控制單元集成在一起建設；每個(gè)微萃取單元設(shè)計(jì)了三個(gè)入口（圖1A），分別用于將細(xì)胞溶液助力各行、裂解液和解吸溶液引入芯片前來體驗。芯片入口設(shè)計(jì)為與商品化軟管（外徑1.5 mm）相匹配的長3 mm、內(nèi)徑1.5 mm首要任務、外徑4 mm的管狀結(jié)構(gòu)綠色化，直接與商品化軟管相契合。裂解單元由5個(gè)內(nèi)徑為150 μm發展、長軸為4 mm保持穩定、短軸為1.5 mm的橢圓形通道組成（圖1B），液體在橢圓中間裂分為兩股面向，在流過半個(gè)橢圓通道后交匯支撐作用，從而加快液體混合研學體驗。微萃取單元的微觀結(jié)構(gòu)模擬金屬有機(jī)框架UiO-66的骨架，其中拓?fù)渲貜?fù)單元的結(jié)構(gòu)為：直徑20 μm最為突出、底部方形邊長80 μm落實落細，由這些拓?fù)渲貜?fù)單元組成了長度為1.2 cm、內(nèi)部為0.75 mm × 0.75 mm × 12 mm的方形整體柱（圖1C）發展目標奮鬥。設(shè)計(jì)并構(gòu)建了微閥控制單元實(shí)現(xiàn)流體控制：通過在溶液通道周圍設(shè)計(jì)三個(gè)氣體通道技術先進，氣體流向垂直于液體流向更多的合作機會，通過通/不通氣體控制溶液的阻斷和流通（圖1D）延伸。在一個(gè)3DP陣列整體柱微萃取芯片中，并行制造了兩個(gè)微閥服務好，分別用于控制廢液和解吸液的流出新趨勢。在出口單元中，將兩路解吸液合并為一路與3DP-MTHEN相連共謀發展，與后續(xù)ICP-MS檢測實(shí)現(xiàn)在線聯(lián)用（圖1E）學習。

根據(jù)N,N-雙（羧甲基）-L-賴氨酸（NTA）與REEs之間的強(qiáng)絡(luò)合能力（logβ1=10-12.5），將其用于3DP整體柱骨架的表面氨羧官能團(tuán)改性（圖1F）聽得懂。目標(biāo)REEs在未改性3DP整體柱上的吸附效率小于50%應用優勢。隨著改性次數(shù)的增加，目標(biāo)REEs的吸附效率逐漸增加全方位。經(jīng)過4次改性后高效節能，3DP整體柱對REEs的吸附效率達(dá)到95%以上（圖2）。

改性前后芯片整體柱橫截面的表面形貌如圖3所示：該3DP芯片整體柱結(jié)構(gòu)均勻，與設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)一致有序推進。改性后的芯片整體柱上可以觀察到明顯的涂層結(jié)構(gòu)設施，說明聚多巴胺介導(dǎo)的功能化涂層在芯片整體柱表面的成功制備。利用壓汞法考察了NTA改性的3DP芯片整體柱的孔徑分布（圖3E）：該芯片整體柱的孔徑主要分布在20-60 μm處配套設備，與模型設(shè)計(jì)的拓?fù)淇捉Y(jié)構(gòu)尺寸吻合良好更優質。利用XPS對NTA改性前后的芯片整體柱表面進(jìn)行表征，結(jié)果顯示：改性后的芯片整體柱在402 eV處出現(xiàn)了新的特征峰推進高水平，對應(yīng)為NTA上叔胺的特征峰技術創新，說明芯片整體柱表面NTA的成功改性（圖3F）。

3DP-MTHEN的設(shè)計(jì)和實(shí)物照片分別如圖4A和4B所示橫向協同，MTHEN的長度及碗狀接口的設(shè)計(jì)是為了匹配本研究所使用的ICP-MS儀器的炬管哪些領域。為了在霧化過程中保持穩(wěn)定敢於挑戰，在圓柱形MTHEN中設(shè)計(jì)了一個(gè)中心有圓形通道的三棱柱結(jié)構(gòu)。使用商品化毛細(xì)管作為MTHEN中用于液體引入的內(nèi)管建立和完善，通過將圓形通道的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為內(nèi)管的外徑來固定內(nèi)管的位置提供了遵循。將ICP載氣均分為三路，分別從三棱柱與進(jìn)樣管空隙處引入大型，在MTHEN的尖部噴嘴處形成高壓服務效率，將內(nèi)管引入的液體霧化成氣溶膠。

以Li、Co體系、In和U為代表元素生產製造，以靈敏度和穩(wěn)定性為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化了影響3DP-MTHEN分析性能的諸多因素攜手共進。在0.96-1.12 L min-1的流速范圍內(nèi)共同，隨著載氣流速的增大，Li經過、In簡單化、Co和U的信號強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)流速低于1.10 L min-1 時(shí)明確了方向，其信號強(qiáng)度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）沒有明顯變化系統性；隨著載氣流速繼續(xù)增大，其RSD逐漸增大增產。在本研究中提供堅實支撐，選擇載氣流速為1.04 L min-1，此時(shí)信號靈敏度最高高產，穩(wěn)定性較好（RSD<10%）信息化技術。在1-8 μL min-1的范圍內(nèi)，考察了樣品流速對Li良好、Co逐步顯現、In和U的信號強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響，隨著樣品流速的增大引領，四種元素的信號強(qiáng)度逐漸增大自動化裝置；當(dāng)流速大于6 μL min-1時(shí)，其信號強(qiáng)度達(dá)到平臺應用前景；當(dāng)流速達(dá)到8 μL min-1時(shí)有很大提升空間，在炬管壁上觀察到霧滴，說明此時(shí)霧化器產(chǎn)生的氣溶膠粒徑較大首次，未被全部引入ICP中可能性更大。在1-7 μL min-1的流速范圍內(nèi)部署安排，RSD均小于10%，說明霧化效果較為穩(wěn)定技術。在本研究中推廣開來，選擇樣品流速為6 μL min-1。

利用噴霧激光粒度分布儀對距離霧化器噴嘴平面15 mm處的氣溶膠粒徑分布進(jìn)行了考察相對較高，結(jié)果如圖5所示資源配置。可以看出相關，3DP-MTHEN產(chǎn)生的氣溶膠Sauter平均粒徑D3,2（定義為氣溶膠體積-表面積比）為5.4 μm大力發展，粒徑小于8 μm的氣溶膠個(gè)數(shù)占?xì)馊苣z總個(gè)數(shù)的82.0%。通過計(jì)算得到3DP-MTHEN的霧化效率和傳輸效率分別100%和81.1%綠色化，傳輸效率與霧化器產(chǎn)生的粒徑小于8 μm的氣溶膠個(gè)數(shù)占?xì)馊苣z總個(gè)數(shù)的百分比（82.0%）吻合良好不同需求。

圖6為用于ICP-MS的3DP一體化樣品引入系統(tǒng)的照片保持穩定，其中3DP陣列整體柱微萃取芯片通過3DP-MTHEN與ICP-MS在線聯(lián)用，用于MCF-7細(xì)胞中超痕量REEs的測定面向。所建立的分析方法操作簡單支撐作用，細(xì)胞消耗量少（500個(gè)細(xì)胞），方法的精密度和檢出限分別為2.2-11.9%和1.3-8.6 ng L-1建設項目，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞基質(zhì)中超痕量REEs的定量效高性。

總結(jié)：

本研究通過3DP技術(shù)構(gòu)建了由陣列整體柱微萃取芯片自動化、微閥和微流霧化器組成的多功能一體化樣品引入系統(tǒng)提升，將其與ICP-MS在線聯(lián)用，用于細(xì)胞中超痕量REEs的分析不折不扣。多功能陣列整體柱微萃取芯片集成了細(xì)胞裂解單元支撐能力、整體柱微萃取和微閥控制單元，具有結(jié)構(gòu)簡單高效利用、使用壽命長特征更加明顯、死體積小、成本低講理論、易于與ICP-MS檢測相匹配等優(yōu)點(diǎn)的可能性。將高度集成的3DP一體化樣品引入系統(tǒng)作為ICP-MS的樣品引入單元，基于此所構(gòu)建的在線分析方法細(xì)胞消耗量低服務為一體，適用于分析小體積復(fù)雜樣品問題，為后續(xù)REEs的細(xì)胞毒性研究提供了有力的技術(shù)支持。