המצאה של Microchip הפקת דיפול בסיוע שלב מוצק עבור ניתוח מתכת עקבות בדגימות מים

המטרה הכללית של פרוטוקול זה היא לייצר מיקרוצ'יפ חדשני לסמיגה בשלב מוצק (solid phase extraction) לקביעת יוני מתכת בקריאות בדגימות מים באמצעות אינטראקציות של דיפול-יון. שיטה זו מספקת אסטרטגיית עבודה אינטראקטיבית לטכניקות של העשרה בשלב מוצק על גבי שבב לצורך ניתוח של יוני מתכת בקריאות. השבבים שפותחו סופחים יוני מתכת אך ורק באמצעות הכוח האלקטרוסטטי של הדיפול.

פעולות אלו הן בדרך כלל הליכי הדרכה מהירים המבוצעים על השבבים בלבד. אלו כוללות התנייה להפעלת הפאזה הנייחת והרטגנרציה לשם שמירה על המדיה המבנית. את הפרוצדורה ידגימו Yu-Chen Chuang ו-Pei-Chun Chao, סטודנטים לתארים מתקדמים מהמעבדה של Dr.Soon.

כדי להתחיל, השתמשו בתוכנת CAD כדי לצייר את תבנית הרשת של השבב כפי שמוצג כאן. מוקדו את מקור הלייזר ולאחר מכן התקינו דף PMMA בעובי 2 mm על שולחן העבודה של מערכת עיבוד הלייזר המיקרוסקופית. בחרו באפשרות הדפסה בתוכנת ה-CAD ולאחר מכן השתמשו בלוח הבקרה של מערכת העיבוד המיקרוסקופית כדי להגדיר את ההספק ל-45% או 4.5 watts, את המהירות ל-13% או 99.06 mm לשנייה ואת מצב העט ל-VECT.

יש לעבד את לוח ה-PMMA באמצעות מערכת עיבוד הלייזר המיקרוסקופי בהתאם לפרוטוקול היצרן. חתך רוחב של המכונה אל הלוח מוצג כאן. לאחר מכן, קדחו שלושה חורים בלוח המעובד בקוטר של one sixteenth inch, אשר ישמשו כפתחי גישה עבור כניסת דגימה, כניסת בופר וכניסת LU בלוח התחתון.

לאחר מכן, קדחו חור אחד עבור יציאה רציפה בלוחית הכיסוי. טבלו את הלוחיות המעובדות בליטר אחד של 0.1% SDS וחשפו את החלקים לרעידה אולטרסונית באמצעות אוסילטור למשך עשר דקות. לאחר מכן, החליפו את תמיסת ה-SDS במים דה-יוניים.

יש לערבב באמצעות תנודד אולטרסוני למשך עשר דקות. החליפו את המים הדה-יוניים שנותרו בליטר אחד של מים דה-יוניים טריים, ולאחר מכן השקיעו את הפלטות המעובדות עם ערבוב אולטרסוני למשך עשר דקות פעם שלישית. לאחר מכן, ייבשו כל אחת מהפלטות המנוקות באמצעות זרם עדין של חנקן למשך שתי דקות.

לאחר הייבוש, יישרו את שתי הפלטות המעובדות בעין חופשיה ולאחר מכן הניחו את שתי הפלטות במצב דחיס quotas בין שני לוחות זכוכית באמצעות תפסני משרד. בשל השינוי בתעלת השבב שייגרם כתוצאה מתגובת פוטוסינתזה במפגש הבא, יש לטפל במצע בזהירות רבה כדי למנוע נזקים לפני השטח. דבר זה עלול להפריע במידה והוא יחשוף את הקרינה.

בשלב הבא, הדביקו את שתי הפלטות תחת דחיסה בטמפרטורה של 105 °C למשך 30 דקות. לאחר מכן, קררו את ה"סנדוויץ'" לטמפרטורת החדר והסירו את תפסני המשרד ואת לוחות הזכוכית. הכניסו צינורות polyether ether ketone בעובי חיצוני של 1/16 inch לחורי הגישה.

לאחר מכן, ערבבו כראוי את שני רכיבי הדבקים מבוססי האפוקסי ואבטחו את הצינורות באמצעות דבק אפוקסי דו-רכיבי. הניחו לאפוקסי להתייצב בטמפרטורת החדר למשך שתים-עשרה שעות. העבירו את הפיתול דרך משאבה פריסטלטית אל תוך תמיסה של נתרן הידרוקסיד רווי.

הזרם את תמיסת נתרקסנאיד (sodium hydroxide) לתעלה בקצב זרימה של 100 µL לדקה למשך 12 שעות. הסר את שאריות תמיסת נתרקסנאיד ולאחר מכן שטוף את פנים התעלה במים דה-יוניים. לאחר מכן, הסר את שאריות המים הדה-יוניים והזרם תמיסת חומצה חנקית בריכוז 0.5 לתוך השבב המיקרוסקופי.

הסיר את תמיסת חומצה החנקתית הנותרת ולאחר מכן הגדר את המערכת להזרקת תמיסת אקרילמיד בריכוז 50% אל תוך השבב המיקרוסקופי בחשיכה. זרימה של תמיסת האקרילמיד אל תוך השבב המיקרוסקופי תתבצע בקצב זרימה של 100 microliters לדקה למשך שמונה שעות. לאחר מכן, הסר את תמיסת האקרילמיד הנותרת ושטוף את פנים התעלה במים דאיוניים.

עם סיום השטיפה, נשב אוויר דרך המיקרוצ'יפ כדי להסיר את המים הדאיוניים שנותרו, ולאחר מכן נכסה את המיקרוצ'יפ במסכת צילום שהוכנה במעבדה, המאפשרת חשיפה של האזור הרצוי בערוץ המיצוי לאור. בשלב הבא, ניקח מחשבה (cartridge) למיצוי מוצק להסרת מעכבים ונשתמש במשאבה כדי לשטוף את המחשבה בלפחות שלושה נפחי מחשבה של ethanol. לאחר מכן, נשטוף את המחשבה בשלושה נפחי מחשבה של dichloroethene ביחס של 1:1.

מכיוון ש-1:1 dichloroethene הופך לבלתי יציב לאחר הסרת המעכב. יש להשתמש בתצורת סמי-מוצבת של מיצוי פאזה מוצקה המכילה כלור בהקדם האפשרי. לאחר מכן, העבירו 1 mL של 1:1 dichlorethene דרך העמודה המטופלת ואספו את הפракציה למבחנה לדגימה של 20 mL העטופה בנייר אלומיניום.

לאחר מכן, העבירו 491 microliters של דגימת ה-1:1 dichloroethene לתוך תמיסה המכילה 12 mg של AIBN, 3.18 mL של ethanol ו-1.65 mL של hexanes בבקבוק זכוכית של 100 mL. השתמשו במזרק כדי להזריק לערוץ של השבב כ-200 microliters של תמיסת היצירה של ה-SPE המכילה כלור. לאחר מכן, חשפו את המיקרושבב לקרינת ultraviolet באורך גל פליטה מקסימלי של 365 nm למשך 10 דקות.

החליפו את התמיסה השארית על ידי הזרקת 200 µL של תמיסת יצירת SPE רעננה המכילה כלור אל תוך הערוץ, וחשפו שוב את השבב ל photocurrent קרינת UV למשך 10 דקות. חזרו על תהליך זה 18 פעמים בסך הכל. לבסוף, השתמשו במשאבה פריסטלטית כדי לשטוף את פנים הערוץ באתנול בקצב זרימה של 100 µL לדקה למשך 30 דקות.

בסיום השטיפה, הזרם אוויר דרך המיקרוצ'יפ כדי להסיר את האתנול שנותר. לאחר הסרת התמיסה השיורית באמצעות משאבה פריסטאלטית, אחסן את המיקרוצ'יפ המיוצר בתוך שקית עם סגירת רוכסן לשימוש עתידי. במהלך הצמיחה השלבית, נעשה שימוש במדידות זווית מגע כדי לנטר את השינויים בפני השטח.

השינויים בזווית המגע העידו בבירור על כך שחלו שינויים פנישאיים במהלך הלימודי המודפיקציה. נמדדה זווית מגע של 80.3 מעלות עבור המוצר הסופי. קיומם של קשרי פחמן-כלור ב-PMMA המודףק אושש באמצעות אנליזה של ספקטרומטריית מסות עם פלזמה מצומדת השראית באמצעות אבלציית לייזר.

בהשוואה לתוצאות שהתקבלו מהסרה (ablation) של PMMA טבעי, נצפו כצפוי אותים מובחנים לכלור בעקבות הסרה של PMMA ששונה עם קבוצות פחמן-כלור. ספקטראי Raman נאספו כדי לתקף באופן נוסף את הצמידות של קבוצות הפחמן-כלור ל-PMMA. להוכחת הצמידות המוצלחת, נצפו שני שיאים מאפיינים הקשורים לרטט מתיחה אסימטרי של הפחמן-כלור ב-682 inverse cm וב-718 inverse cm בספקטרום של ה-PMMA השונה.

אינטראקציות אלקטרוסטטיות של דיפול החשובות להפקה על שבב עבור אנליזות של מתכות בעקבות נמדדו כאן באמצעות מבני ספיגה של קרני רנטגן סביב סף הספיגה (XANES). התוצאות מראות כי למשטח המשופר יש אינטראקציות חזקות עם 망ניז 2+. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיו בעלי הבנה טובה לגבי האופן שבו מייצרים מיקרו-שבב SPE המסייע בדיפול. טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים במדעי הסביבה לקבוע את נוכחותם של יוני מתכת הגורמים לזיהום חמור ולרכיב רעיל במים בטבע.

לאחר השליטה בטכניקה זו, ניתן ליישמה לניהול סביבתי ולמניעת זיהום.