Die Herstellung einer Dipole-unterstützte Festphasenextraktion Microchip für die Spurenanalyse in Wasserproben

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls besteht darin, einen innovativen Festphasen-Extraktions-Mikrochip zur Bestimmung von Spurenmetallionen in Wasserproben mithilfe von Dipol-Ionen-Wechselwirkungen herzustellen. Diese Methode bietet eine interaktive Arbeitsstrategie für Chip-basierte Festphasen-Extraktionsverfahren zur Analyse von Spurenmetallionen. Die entwickelten Chips binden Metallionen ausschließlich durch die elektrostatische Kraft der Dipolelektrode.

Diese Hauptverfahren werden im Allgemeinen auf Chips ausschließlich mit schnellen Anweisungsabläufen durchgeführt. Dabei handelt es sich um die Bedingung für die Aktivierung der stationären Phase und die Regenerierung zur Erhaltung einer strukturellen Matrix, die vermieden werden sollte. Yu-Chen Chuang und Pei-Chun Chao, Doktorandinnen aus dem Labor von Dr. Soon, werden den Ablauf demonstrieren.

Beginnen Sie damit, ein CAD-Programm zu verwenden, um das Netzwerkdesign des Chips wie hier gezeigt zu zeichnen. Fokussieren Sie die Laserquelle und befestigen Sie dann eine 2 mm dicke PMMA-Platte auf dem Arbeitstisch des Lasermikrobearbeitungssystems. Wählen Sie im CAD-Programm „Drucken“ aus und verwenden Sie anschließend das Bedienfeld des Mikrobearbeitungssystems, um die Leistung auf 45 % oder 4,5 Watt, die Geschwindigkeit auf 13 % oder 99,06 mm pro Sekunde und den Stiftmodus auf VECT zu stellen.

Die PMMA-Platte mithilfe des Lasermikrobearbeitungssystems gemäß Herstellervorschrift bearbeiten. Hier ist ein Querschnitt der Maschine zur Platte dargestellt. Danach drei Löcher mit einem Durchmesser von einem Sechzehntel Zoll in die strukturierte Platte bohren, die als Zugänge für einen Probenzulauf, einen Pufferzulauf und einen LU-Zulauf auf der Unterseite der Platte dienen.

Bohren Sie anschließend ein Loch für einen konfluenten Auslass in die Abdeckplatte. Tauchen Sie die bearbeiteten Platten in einen Liter 0,1 %iger SDS-Lösung ein und setzen Sie die Teile zehn Minuten lang einer Ultraschallbehandlung mittels eines Oszillators aus. Ersetzen Sie danach die SDS-Lösung durch entionisiertes Wasser.

Versetzen Sie eine zehnminütige Behandlung mit Ultraschall. Ersetzen Sie das restliche deionisierte Wasser durch einen Liter frisches deionisiertes Wasser und tauchen Sie die bearbeiteten Platten dann zum dritten Mal unter Ultraschallbehandlung zehn Minuten lang ein. Anschließend trocknen Sie jede der gereinigten Platten mit einem sanften Strom von Stickstoffgas für zwei Minuten.

Nach dem Trocknen richten Sie die beiden bearbeiteten Platten mit bloßem Auge aus und bringen Sie die beiden Platten mithilfe von Büroklammern unter Druck zwischen zwei Glasplatten. Aufgrund der Modifizierung des Chipkanals durch die Photosynthesereaktion in der anschließenden Sitzung sollte das Substrat äußerst vorsichtig behandelt werden, um Beschädigungen der Oberfläche zu vermeiden. Dies könnte beeinträchtigt werden, wenn Strahlung eintrifft.

Als Nächstes die beiden Platten unter Druck bei 105 Grad Celsius für 30 Minuten verbinden. Danach das Sandwich auf Raumtemperatur abkühlen lassen und die Klemmbügel sowie die Glasplatten entfernen. Polyetheretherketon-Rohre mit einem Außendurchmesser von 1/16 Zoll in die Zugangsöffnungen einführen.

Danach zwei Komponenten von Epoxidharz-Klebstoffen gründlich mischen und die Leitungen mit einem zweikomponentigen, epoxidharzbasierten Klebstoff befestigen. Das Epoxidharz zwölf Stunden lang bei Raumtemperatur aushärten lassen. Den Schlauch durch eine peristaltische Pumpe führen und in eine Lösung aus gesättigter Natronlauge geben.

Geben Sie die Natronlauge mit einer Flussrate von 100 Mikrolitern pro Minute zwölf Stunden lang in den Kanal ein. Entfernen Sie die restliche Natronlauge und spülen Sie anschließend das Kanalinnere mit entionisiertem Wasser aus. Danach entfernen Sie das verbleibende entionisierte Wasser und leiten eine 0,5-Molar-Salpetersäurelösung in den Mikrochip ein.

Entfernen Sie die restliche Salpetersäurelösung und richten Sie anschließend das System so ein, dass eine 50%ige Acrylamidlösung im Dunkeln in den Mikrochip geleitet wird. Leiten Sie die Acrylamidlösung acht Stunden lang mit einer Flussrate von 100 Mikrolitern pro Minute in den Mikrochip. Entfernen Sie danach die restliche Acrylamidlösung und spülen Sie das Kanalinnere mit entionisiertem Wasser aus.

Wenn die Spülung abgeschlossen ist, pumpen Sie Luft durch den Mikrochip, um das verbleibende entionisierte Wasser zu entfernen, und bedecken Sie anschließend den Mikrochip mit einer selbstgebauten Fotomaske, die es ermöglicht, den gewünschten Bereich des Extraktionskanals dem Licht auszusetzen. Danach nehmen Sie eine Festphasen-Extraktionskartusche zur Inhibitorenentfernung und spülen die Kartusche mithilfe einer Pumpe mit mindestens drei Kartuschenvolumina Ethanol durch. Anschließend spülen Sie die Kartusche mit drei Kartuschenvolumina 1:1-Dichlorethen durch.

Da 1:1-Dichlorethen instabil wird, sobald das Inhibitor entfernt ist, sollte die chlorhaltige Festphasen-Extraktions-Säule so bald wie möglich verwendet werden. Danach 1 mL 1:1-Dichlorethen durch die behandelte Säule leiten und anschließend die Fraktion in einem 20-mL-Probenfläschchen, das mit Aluminiumfolie umwickelt ist, auffangen.

Überführen Sie dann 491 Mikroliter der 1:1-Dichlorethen-Probe in eine Lösung, die 12 mg AIBN, 3,18 mL Ethanol und 1,65 mL Hexane in einer 100-mL-Glasflasche enthält. Injizieren Sie mithilfe einer Spritze etwa 200 Mikroliter der chlorhaltigen SPE-Bildungslösung in den Kanal des Chips. Belichten Sie anschließend den Mikrochip zehn Minuten lang mit ultraviolettem Licht, das eine maximale Emissionswellenlänge von 365 nm aufweist.

Ersetzen Sie die Restlösung, indem Sie 200 Mikroliter frische, Chlor enthaltende SPE-Formationssolution in den Kanal injizieren, und setzen Sie den Mikrochip erneut 10 Minuten lang UV-Strahlung aus. Wiederholen Sie diesen Vorgang insgesamt 18-mal. Spülen Sie zum Schluss das Kanalinnere mit einem peristaltischen Pumpen mit Ethanol bei einer Flussrate von 100 Mikrolitern pro Minute 30 Minuten lang.

Wenn die Spülung abgeschlossen ist, pumpen Sie Luft durch den Mikrochip, um das verbleibende Ethanol zu entfernen. Nach dem Entfernen der Restlösung mit der peristaltischen Pumpe sollte der hergestellte Mikrochip zur späteren Verwendung in einer Druckverschluss-Tüte aufbewahrt werden. Während des schrittweisen Wachstums wurden Kontaktwinkelmessungen verwendet, um die Oberflächenveränderungen zu überwachen.

Die Unterschiede im Kontaktwinkel zeigten eindeutig an, dass Oberflächenveränderungen während der Modifizierungsverfahren stattfanden. Für das Endprodukt wurde ein Kontaktwinkel von 80,3 Grad gemessen. Das Vorhandensein von Kohlenstoff-Chlor-Moietäten auf dem modifizierten PMMA wurde mittels Laserablation mit gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie bestätigt.

Im Vergleich zu den Ergebnissen, die durch die Ablation des nativen PMMA erhalten wurden, wurden erwartungsgemäß deutliche Signale für Chlor beobachtet, nachdem das mit Kohlenstoff-Chlor-Gruppen modifizierte PMMA ablatiert wurde. Die Raman-Spektren wurden aufgenommen, um die Anbindung der Kohlenstoff-Chlor-Gruppen an das PMMA weiter zu bestätigen. Zwei charakteristische Peaks, die mit der asymmetrischen Streckschwingung der Kohlenstoff-Chlor-Bindung assoziiert sind, wurden im Spektrum des modifizierten PMMA bei 682 cm⁻¹ und 718 cm⁻¹ beobachtet, was eine erfolgreiche Anbindung belegt.

Die hier mithilfe der Röntgenabsorptionsfeinstruktur gemessenen dipolaren elektrostatischen Wechselwirkungen sind wichtig für die Extraktion von Spurenmetallen auf einem Chip. Es zeigt sich, dass die modifizierte Oberfläche starke Wechselwirkungen mit Mangan 2+ aufweist. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man einen dipolunterstützten SPE-Mikrochip herstellt. Diese Technik ebnete den Weg für Forscher in der Umweltwissenschaft, das Vorkommen von Metallionen zu bestimmen, die schwere Umweltverschmutzung verursachen, sowie deren Toxikologie in natürlichen Gewässern.

Nach Beherrschung dieser Technik kann sie auf das Umweltmanagement und die Verhütung von Kontaminationen angewendet werden.