Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

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

Published: August 7, 2016 doi: 10.3791/53500
Automatic Translation
*1, *2, 1, 1, 1, 3, 4, 1
1Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences, National Tsing Hua University, 2Center for Measurement Standards, Industrial Technology Research Institute, 3National Synchrotron Radiation Research Center, 4Department of Chemistry, National Changhua University of Education
* These authors contributed equally

Abstract

מאמר זה מתאר פרוטוקול ייצור עבור מיצוי שלב מוצק בסיוע דיפול (SPE) שבב המנותחת מתכת עקבות בדגימות מים. סקירה קצרה של התפתחות טכניקות SPE מבוסס שבב מסופקת. זה ואחריו מבוא לחומרים פולימריים ספציפיים ותפקידם SPE. כדי לפתח טכניקת SPE דיפול בסיוע חדשנית, כלור (Cl) המכיל פונקציונלי SPE הושתל לתוך פולי (methacrylate מתיל) שבב אלקטרוני (PMMA). בזאת, שיטות אנליטיות מגוונות כולל ניתוח זווית מגע, ניתוח ספקטרוסקופיות ראמאן, אבלציה-אינדוקטיבי ליזר בשילוב ספקטרומטריית פלזמה המונית (LA-ICP-MS) ניתוח הועסק כדי לאמת את התועלת של פרוטוקול ההשתלה של moieties C-Cl על PMMA. התוצאות האנליטית של קליטת רנטגן המבנה ליד הקצה (XANES) ניתוח גם הדגימו את ההיתכנות של PMMA Cl המכיל המשמש כמדיום חילוץ מכוח dipole-אינטראקציות יון בין moieties אלקטרו-C-Cl ביותר ואת יוני מתכת בעלי מטען חשמלי חיובי.

Introduction

מתוך נקודות מבט של ניהול איכות הסביבה ומניעת זיהום, להתחקות מתכות הגורמות לזיהום רציני או בעיות טוקסיקולוגית הם דאגה ברחבי העולם. מתאים על-שבב מדגם טכניקה מקדימה כבר מקובלת כמפתח להצלחה בעיבוד וניתוח דוגמאות בפועל באמצעות פלטפורמות מבוססות שבב, כי מיני שיתוף קיים לא צפויים כימיים בדגימות גלם לעתים קרובות לעכב את הקביעה המדויקת של analytes נוכח כמויות עקבות . 1 בין הטכניקות הזמינות, על-שבב מיצוי שלב מוצק (SPE) פופולרי במיוחד עבור מתכת עקבות מנתח, כי טכניקה זו המתירה ניקוי מדגם אנליטי preconcentration להתבצע בו זמנית היא מאוד שימושית עבור בידוד של יונים של מתכות מ מטריצות מלח מסובכות. 2,3

קידומם של טכניקות SPE על-שבב המשמש לקביעת עקבות מתכות החל להשתנות בהתמדה. בימים הראשונים, לאהוא SPE שבבי הוכנו על ידי טעינת שרפים זמינים מסחרית לתוך microchannels לבנות יחידות SPE-ארז שרף. 4-7 זה מדי פעם נדרש אנליטי להיות derivatized כדי לאפשר טרנספורמציה של יוני מתכת לצורות שרף-retainable. 4 שיטה חלופית לעריכת התקני SPE מבוסס שבב הוא לנצל את ערוץ השבב כקובץ sorbent SPE לאיסוף עקבות מתכות לאחר שינוי פני שטח פשוט. 8 בשנים האחרונות אנו עדים למגמה המתעוררים מעורבת שילוב של חלקיקים מגנטיים (MNPs) ו כימיקלים מסוימים המכילים מסוגלות קבוצות פונקציונליות של יוני שימור מתכת היעיל. בניגוד שרפים המסחרי, MNPs הם שונה עם תרכובות כגון γ-mercaptopropyltrimethoxysilane (γ-MPTS) 9 ו aminobenzyl חומצה ethylenediaminetetraacetic (ABEDTA) 10 שלאחריו הם ארוזים בתוך microchannels בסיוע של t שדה מגנטי חיצוניo להשיג את מיצוי סלקטיבי של יונים של מתכות.

למרות התקדמות משמעותית בפיתוח של טכניקות SPE על-שבב כבר עדים, הטכניקות דיווחו בדרך כלל, פונקציה מבוססת על חילופי או יון או קלאציה. השימוש בטכניקות כגון אלה יש את החסרון של דורשי תהליכים תפעוליים בלתי נמנעים, כוללים אלה הקשורים מיזוג, כביסה, או התחדשות, לשמור על ביצועים אנליטיים. למרבה הצער, את הצורך נהלים תפעוליים נוספים לא רק להאריך את משך הזמן הנדרש לכל ניתוח אך גם סיכונים גורם ערכי ריק גבוהה ותוצאות irreproducible. 11 לכן, אלטרנטיבה עבודה אסטרטגיה טכניקות SPE על-שבב הוא הכרחי עבור מתכת עקבות מנתח.

בשנת 1993, ווטס Chehimi 12 מצאו כי יונים של מתכות יש נטייה השמירה כלפי חומרים פולימריים, וכי רוב analytes שמר ביעילות על כלורו (Cl) -containing פולימריות חומר, פולי (ויניל כלוריד) (PVC) למעט יוני נתרן. לכן, בשנת 2002, Eboatu et al. 13 עוד דווח על קיבוע של חלק מתכת רעילה מפתרונות ידי PVC. בגלל זה העלה כי Cl המכיל חומרים פולימריים הציגו תכונות עליונות עבור preconcentration אנליטי וחיסול מטריקס מלח, מכשירים מבוססי שבב עם פונקציונליות SPE Cl המכילות נחשבו אסטרטגיה אטרקטיבית לפיתוח טכניקת SPE על-שבב רומן לקביעה של עקבות יונים של מתכות. בהתחשב בתכונות החומר, כגון הקלות של זיוף, כימיים הרצוי / תכונות מכניות, ובהירות אופטי, 14,15 במחקר זה ניצל פולי (methacrylate מתיל) (PMMA) לפברק microdevice. לאחר מכן, את הפונקציונליות Cl המכילה SPE הושתלה לתוך המכשיר המפוברק לפיתוח טכניקת SPE על-שבב רומן לקביעת יוני מתכת עקבות. 16

Remarkably, ההסתמכות של מנגנון החילוץ חדשניים על אינטראקציות דיפול-יון בין moieties C-Cl אלקטרו מאוד בפנים ערוץ ואת יוני מתכת בעלי מטען חשמלי חיובי מאפשרת למנוע הצעדים שננקטו במהלך הליכי SPE על-שבב כללי, המוביל הפחתה דרמטית של מי מבני זיהום שנגרם על ידי השימוש ריאגנטים עודף או עבודה משויך לצעדים נוספים. הפרוטוקול ספק בתרומה יאפשר לחוקרי מרקעים שונים לפברק את שבב SPE בסיוע דיפול עבור עבודתם. נהלי אפיון מפורטים עבור השבב המפוברק מתוארים היטב.

Protocol

זהירות! כימיקלים אחדים (למשל, acrylamide, 1,1'-dichloroethene) המשמשים נהלים אלה בחריפות רעילים ומסרטנים. התייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים רלוונטיים (MSDS) לפני השימוש. בצע נהלי בטיחות מתאימים בעת ביצוע הניסויים.

הערה: אם לא צוין אחרת, לבצע את כל ההליכים בטמפרטורת הסביבה במנדף זרימה למינרית בכיתה 100.

ייצור 1. של Microchip SPE דיפול בסיוע

  1. הכנת Microchip PMMA
    ההערה: פרוטוקול הייצור של השבב היה דומה לזה שתואר במקום אחר 8.
    1. צייר את דפוס הרשת של השבב (איור 1 (א)) באמצעות תוכנת מחשב תכנון בעזרת מחשב (CAD) על פי הפרוטוקול של היצרן.
    2. הר גיליון PMMA (350 מ"מ (אורך) x 20 מ"מ (רוחב) x 2 מ"מ (H)) על שולחן העבודה שלהמערכת micromachining לייזר ולאחר מכן למקד את מקור לייזר על פני השטח של הגיליון PMMA.
    3. בחר ההדפסה של תוכנות CAD ולאחר מכן להגדיר את הכח, מהירות, ו עט המצב כמו 45% (4.5 W), 13% (99.06 מ"מ שניות -1), ו VECT דרך לוח הבקרה של מערכת micromachining.
      הערה: פרמטרים כגון כוח, מהירות עט מצב המשפיעים על תכונות הערוץ נחקרו מראש. שיטת ההערכה הייתה דומה לזה המוצע על ידי יואן דסה. 17 הפרמטרים שנבחרו במחקר זה שמש מכונת ערוץ מתאים התאמה רבה לקווים בלי למטרות אקדמיות מסובכות. אנשים יכולים לבחור אחרת כתנאי עיבוד לייזר בהתאם לצורך שלהם.
    4. הדפס את דפוס נמשך ולאחר מכן מכונת גיליון PMMA על ידי המערכת micromachining לייזר על פי פרוטוקול של היצרן. איור 1 (ב) איור 1 (ג) מציג את התצלום של החתך של הצלחת במכונה.
      זהירות! תלבש משקפי בהפעלת מערכת לייזר כדי למנוע נזק חמור עין עקב חשיפה לקרינת לייזר. מערכת פליטה מתאימה מומלצת בגלל הייצור של אדי / עשן במהלך עיבוד ליזר.
    5. מקדחת שלוש 1/16 אינץ 'חורי גישה בקוטר עבור כניסת מדגם, מפרצון חיץ, וכן כניסת eluent על ​​הצלחת התחתונה ואחד לשקע ומחוברות על הצלחת לכסות איור 1 (ב).
      זהירות! יש להימנע ממגע הגוף עם המקדח במהלך הליכי עיבוד כדי למנוע פגיעה פיזית. לבישת כפפות אסורה כאשר קידוח.
    6. לטבול את הצלחות במכונה לתוך 1 ליטר של 0.1% (w / v) סולפט dodecyl נתרן פתרון (SDS) בכוס 1-L עם תסיסה באמצעות מתנד קולי במשך 10 דקות.
    7. החלף את הפתרון SDS wמים ללא יונים ה- i להתסיס באמצעות מתנד קולי במשך 10 דקות.
    8. החזר את O DI H 2 שיורית עם אחד טרי ולאחר מכן לטבול את הצלחות במכונה ב 1 ליטר של DI H 2 O עם תסיסה באמצעות מתנד קולי במשך 10 דקות. לאחר מכן, לייבש כל צלחת לנקות עם זרם עדין של חנקן למשך 2 דקות.
    9. יישר שתי צלחות במכונה בעין בלתי מזוינת ולאחר מכן כריך שני הלוחות בין שני לוחות זכוכית באמצעות קליפים קלסר.
    10. איגרות חוב שתי צלחות תחת דחיסה ב 105 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות.
    11. מצנן את הכריך לטמפרטורת סביבה ולאחר מכן להסיר את הסרטונים קלסר ולוחות זכוכית.
    12. כנס 1/16 האינץ 'פולי קוטר חיצוניים (etheretherketone) (פיק) צינורות לתוך חורי גישה ולאחר מכן לאבטח את הצינורות עם דבק אפוקסי מבוסס דו רכיבים.
    13. ייבש את הדבק בטמפרטורת הסביבה במשך 12 שעות.
  2. שינוי פן הערוץ של Microchip PMMA
    הערה:. להלן מתייחס חלקית לנהלים שפורסמו בשינויים קלים 8,18,19
    1. לספק נתרן הידרוקסידי רווי פתרון (NaOH) בקצב זרימה של 100 דקות μl - 1 באמצעות משאבה peristaltic לתוך שבב אלקטרוני במשך 12 שעות (72 מ"ל נפח נמסר בסך הכל).
    2. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף את הפנים ערוץ עם DI H 2 O בקצב זרימה של 100 דקות μl - 1 באמצעות משאבה peristaltic למשך 30 דקות (3 מ"ל נפח נמסר בסך הכל).
    3. הסר את DI שיורית H 2 O ואז לספק חומצה חנקתית 0.5% (V / V) (HNO 3) הפתרון לתוך שבב בקצב זרימה של 100 דקות μl - 1 באמצעות משאבת peristaltic למשך 30 דקות (3 מ"ל בנפח כולל נמסר ).
    4. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן להעביר 50% (w / v) פתרון acrylamide לתוך שבב בחושך בקצב זרימה של 100 דקות μl - 1 נIA משאבת peristaltic במשך 8 שעות (48 מ"ל נפח נמסר בסך הכל).
    5. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף את הפנים ערוץ עם DI H 2 O בקצב זרימה של 100 דקות μl - 1 באמצעות משאבה peristaltic למשך 30 דקות (3 מ"ל נפח נמסר בסך הכל).
    6. משאבת אוויר להסיר את H DI שיורית 2 O עם משאבת peristaltic ולאחר מכן לכסות את השבב האלקטרוני עם photomask בתוך הבית בנוי מאפשר האזור הרצוי של ערוץ החילוץ להיחשף לאור.
      הערה: photomask בתוך הבית הבנוי היה עשוי נייר שחור (114 מ"מ (אורך) x 22 מ"מ (W)) שהכיל חלון פתוח (94 מ"מ (אורך) x 2 מ"מ (W)) המאפשר האזור הרצוי של ערוץ החילוץ להיחשף לאור.
    7. הכנת תמיסת הגיבוש Cl המכילה SPE
      1. רוקן את המחסנית SPE מעכב הסרת עם אתנול בהיקף הוצאות של לפחות שלושה כרכים מחסנית.
      2. רוקן את המחסנית עם 1,1'-dichloroetheneבסך-כרכי מחסנית שלוש לפחות לפני השימוש.
      3. Pass 1 מ"ל של dichloroethene 1,1' דרך מחסנית מטופלים ולאחר מכן לאסוף את השבר בבקבוקון המדגם (20 מ"ל) כשהם עטופים ברדיד אלומיניום.
      4. להוסיף 491 μl 1,1'-dichloroethene לתוך תמיסה המכילה 12 מ"ג 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN), 3.18 מ"ל אתנול, ו 1.65 מ"ל hexanes בבקבוק זכוכית 100 מ"ל.
    8. מלאו את ערוץ שבב עם הפתרון היווצרות Cl המכילים SPE (כ 200 μl) על ידי הזרקת מזרק ולאחר מכן לחשוף את שבב אולטרה סגול (UV 365) הקרנה עם אורך גל הפליטה המרבי של 365 ננומטר במשך 10 דקות (עוצמת האור ~ 2.65 ס"מ mW 2-).
      זהירות! מערכת פליטה מתאימה מומלצת, בגלל הייצור של אוזון במהלך קרינת UV.
    9. החלף את הפתרון שיורית עם פתרון היווצרות טרי Cl המכיל SPE (כ 200 μl) על ידי מזרק Injection ולאחר מכן לחשוף את שבב כדי UV 365 הקרנה במשך 10 דקות שוב (עוצמת האור ~ 2.65 mW -2 ס"מ).
    10. חזור על שלב 1.2.9 18 פעמים.
    11. יש לשטוף את הפנים ערוץ עם אתנול ב קצב הזרימה של 100 μl דק '- 1 באמצעות משאבת peristaltic למשך 30 דקות (3 מ"ל נפח נמסר בסך הכל). לאחר הסרת הפתרון שיורית עם משאבת peristaltic, אחסן את השבב המפוברק בשקית רוכסן לשימוש מאוחר יותר.

2. אימות Surface של שינוי PMMA

  1. ניתוח זווית מגע
    1. חותכים גיליון PMMA (350 מ"מ (אורך) x 20 מ"מ (רוחב) x 2 מ"מ (H)) לתוך מצעים PMMA (50 מ"מ (אורך) x 20 מ"מ (רוחב) x 2 מ"מ (H)) על ידי מערכת micromachining לייזר .
    2. לטבול את מצעים PMMA ב 40 מ"ל רווי פתרון NaOH ב צינור חרוטי 50 מ"ל ולאחר מכן להתסיס את תערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה במשך 12 שעות.
    3. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף את Pמצעים MMA עם 40 מ"ל DI H 2 O.
    4. לטבול את מצעי PMMA ב 40 מיליליטר DI H 2 O ואז להתסיס את התערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה למשך 30 דקות.
    5. הסר את O. DI H 2 שיורית לטבול את מצעי PMMA בתוך 40 מיליליטר של 0.5% (v / v) פתרון HNO 3 ולאחר מכן להתסיס את התערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה למשך 30 דקות.
    6. הסר את הפתרון שיורית. לטבול את מצעי PMMA ב 40 מיליליטר של 50% (w / v) פתרון acrylamide ואז להתסיס את התערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה בחושך במשך 8 שעות.
    7. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף מצעים PMMA עם 40 מ"ל DI H 2 O.
    8. לטבול את מצעי PMMA ב 40 מיליליטר של DI H 2 O ואז להתסיס את התערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה למשך 30 דקות.
    9. הסר את O DI H 2 שיורית ולאחר מכן לייבש כל מצע PMMA עם זרם עדין של חנקן למשך 2 דקות.
    10. הכנתCl-המכיל פתרון גיבוש SPE
      1. רוקן את המחסנית SPE מעכב הסרת עם אתנול בהיקף הוצאות של לפחות שלושה כרכים מחסנית.
      2. רוקן את המחסנית עם 1,1'-dichloroethene בהיקף הוצאות של לפחות שלושה כרכים מחסנית לפני השימוש.
      3. לעבור 6 מ"ל של dichloroethene 1,1' דרך מחסנית מטופלים ולאחר מכן לאסוף את השבר בבקבוקון המדגם (20 מ"ל) כשהם עטופים ברדיד אלומיניום.
      4. להוסיף 4.91 מ"ל 1,1'-dichloroethene לתוך תמיסה המכילה 120 מ"ג AIBN, 31.8 מ"ל אתנול, ו -16.5 מ"ל hexanes בבקבוק זכוכית 100 מ"ל.
    11. החל 2 מיליליטר של פתרון ההיווצרות SPE Cl המכיל על גבי המשטחים של מצעי PMMA ולאחר מכן לחשוף את מצעי UV 365 הקרנה במשך 10 דקות (עוצמת אור ~ 2.65 mW -2 סנטימטרים).
      זהירות! מערכת פליטה מתאימה מומלצת, בגלל הייצור של אוזון במהלך קרינת UV.
    12. החזר את solu שיוריתtion עם 2 מיליליטר של תמיסת היווצרות טריה Cl המכיל SPE ולאחר מכן לחשוף את המצעים UV 365 הקרנה במשך 10 דקות שוב (עוצמת אור ~ 2.65 mW -2 סנטימטרים).
    13. חזור על שלב 2.1.12 18 פעמים.
    14. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף מצעים PMMA עם 40 מ"ל אתנול צינור חרוטי 50 מ"ל.
    15. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף מצעים PMMA עם 40 מ"ל DI H 2 O.
    16. הסר את O DI H 2 שיורית ולאחר מכן לייבש כל מצע PMMA עם זרם עדין של חנקן למשך 2 דקות.
    17. ירידה של 5 μl DI H 2 O על מצעי PMMA ולקבוע את זווית המגע במטר זווית מגע על פי הפרוטוקול של היצרן.
      הערה: השתמש הממוצע של שלוש מדידות חוזרות לקביעת זוויות מגע דיווח בכל מקרה.
  2. אבלציה לייזר (LA) -Inductively מצמידים פלזמה-ספקטרומטריית מסה (ICP-MS) ניתוח </ Strong>
    1. טוחן 8 גרם של חרוזי PMMA לאבקות PMMA באמצעות מרגמת עלי.
    2. לטבול את אבקות PMMA ב 40 מ"ל רווי פתרון NaOH צינור חרוטי 50 מ"ל ולאחר מכן להתסיס את תערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה במשך 12 שעות.
    3. הסר את הפתרון שיורית על ידי טפטפת דיגיטלי עם טיפים 5 מ"ל ולאחר מכן לשטוף את אבקות PMMA עם 40 מ"ל DI H 2 O.
    4. לטבול את אבקות PMMA ב 40 מ"ל DI H 2 O ואז להתסיס את תערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה למשך 30 דקות.
    5. הסר את O. DI H 2 שיורית לטבול את אבקות PMMA ב 40 מ"ל של 0.5% (v / v) פתרון HNO 3 ולאחר מכן להתסיס את תערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה למשך 30 דקות.
    6. הסר את הפתרון שיורית. לטבול את אבקות PMMA ב 40 מ"ל של 50% (w / v) פתרון acrylamide ואז להתסיס את תערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה בחושך במשך 8 שעות.
    7. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף את שנינות אבקות PMMAh 40 מ"ל של DI H 2 O.
    8. לטבול את אבקות PMMA ב 40 מ"ל של DI H 2 O ואז להתסיס את תערובות וכתוצאה מכך באמצעות שייקר נדנדה למשך 30 דקות.
    9. הסר את O DI H 2 שיורית ואז לאפות את אבקות PMMA ב 60 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות.
    10. הכנת תמיסת הגיבוש Cl המכילה SPE
      1. רוקן את המחסנית SPE מעכב הסרת עם אתנול בהיקף הוצאות של לפחות שלושה כרכים מחסנית.
      2. רוקן את המחסנית עם 1,1'-dichloroethene בהיקף הוצאות של לפחות שלושה כרכים מחסנית לפני השימוש.
      3. לעבור 16 מ"ל 1,1'-dichloroethene דרך מחסנית מטופלים ולאחר מכן לאסוף את השבר בבקבוקון המדגם (20 מ"ל) כשהם עטופים ברדיד אלומיניום.
      4. הוסף 14.73 מ"ל 1,1'-dichloroethene לתוך תמיסה המכילה 360 מ"ג AIBN, 95.4 מ"ל אתנול, ו 49.5 מ"ל hexanes בתוך בקבוק זכוכית 250 מ"ל.
    11. מערבבים את אבקות PMMA עם 6 מ"ל של Cl-המכיל פתרון היווצרות SPE בתוך50 מ"ל צינור חרוטי, ולא פחות להעביר 1 מ"ל של תערובת מהצינור חרוטי לשש בארות צלחת תרבות 24 גם רקמות.
    12. מכסים את הצלחת בתרבית רקמה עם לוח PMMA ולאחר מכן לחשוף את צלחת בתרבית רקמה כדי UV 365 הקרנה במשך 10 דקות (עוצמת האור ~ 2.65 mW -2 ס"מ).
      זהירות! מערכת פליטה מתאימה מומלצת, בגלל הייצור של אוזון במהלך קרינת UV.
    13. החלף את הפתרון שיורית עם 1 מיליליטר של תמיסת היווצרות טריה Cl המכיל SPE של כל טוב ולאחר מכן לחשוף את הצלחת בתרבית רקמה כדי UV 365 הקרנה במשך 10 דקות שוב (עוצמת אור ~ 2.65 mW -2 סנטימטרים).
    14. חזור על שלב 2.2.13 18 פעמים.
    15. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף את אבקות PMMA בכל טוב עם 1 מ"ל אתנול.
    16. הסר את הפתרון שיורית ולאחר מכן לשטוף את אבקות PMMA בכל טוב עם 1 מ"ל DI H 2 O.
    17. הסר את H DI שיורית <sub> 2 O ואז לאפות את אבקות PMMA ב 60 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות.
    18. דחיסת האבקות היבשות (1 גרם) כדי גלול באמצעות מכונת לחץ הידראולית ולאחר מכן למדוד את אות Cl ידי מערכת LA-ICP-MS.
      הערה: האות עבור Cl ב m / z 35 נבחרה כאינדיקטור עבור moieties C-Cl המושתל.
      לייזר 193 ננומטר שימש כמקור אבלציה. האנרגיה, Fluence, גודל ספוט, וחזרה דרג נקבעו 75%, 8.85 J -2 ס"מ, 100 מיקרומטר, ו -5 הרץ. לפחות 7 מדידות חוזרות עבור כל תוצאה נדרשו. הנהלים אנליטיים LA-ICP-MS מתייחסים נהלים שפורסמו במקומות אחרים. 20
  3. ניתוח ספקטרוסקופיות ראמאן
    1. בצעו את פרוטוקול משלב 2.2.1 לשלב 2.2.17.
    2. דחיסת האבקות היבשות (1 גרם) כדי גלול באמצעות מכונת לחץ הידראולית ואז לקחת את הספקטרום ידי ספקטרומטר ראמאן. הערה r />: השתמש בקו לייזר 780 ננומטר עם כוח לייזר מקסימלית של 100 mW כמקור photoexcitation. השתמש באזור של ספקטרום ראמאן החל 550 עד 900 ס"מ -1 לחקור את הקובץ המצורף של moieties C-Cl אל PMMA.

אפיון 3. התגובה SPE דיפול בסיוע

  1. בצעו את פרוטוקול משלב 2.2.1 לשלב 2.2.17.
  2. לטבול 0.5 גרם אבקות PMMA ב 5 מ"ל של 20% (w / v) tetrahydrate חנקתי מנגן (Mn (NO 3) 2 4H 2 O) פתרון ולאחר מכן באותה מידה לערבב את תערובות וכתוצאה עם 5 מ"ל של 40 מ"מ פתרון חיץ maleate.
  3. התאם את ה- pH של תערובות וכתוצאה מכך עד 8 ​​באמצעות פתרון HNO 3 טהור ואז להתסיס את תערובות באמצעות שייקר נדנדה עבור שעה 1.
  4. הסר את הפתרון שיורית ואז לאפות את אבקות PMMA ב 60 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות. אחסן את אבקות צינור חרוטי 15 מ"ל עטוף בנייר אלומיניום עבור absor רנטגןניתוח ption ליד קצה המבנה (XANES).
    הערה: קצה K Mn XANES ספקטרה נאספו באמצעות 07A ו 17C1 beamlines של המרכז לחקר הקרינה Synchrotron הלאומי (NSRRC, Hsinchu, טייוואן). טבעת אחסון אלקטרונים נותח עם אנרגיה של 1.5 גב זרם של 100-200 מילי-אמפר. Si (111) monochromator קריסטל כפול שימש למתן קורות פוטון monochromatized מאוד עם אנרגיה של 1 עד 15 קאב בפתרון כוח (E / ΔE) של עד 5,000.The אנרגיית פוטון כויל על פי אמות מידה Mn באמצעות Mn ידוע K- נקודת פיתול קליטת קצה ב 6539.0 eV. קצה-K Mn XANES ספקטרה באיזור שבין 6530 ו 6,570 eV שימשו לחקור את יחסי הגומלין יון דיפול לאפיון התגובה SPE המוצע.

Representative Results

איור 2 מתאר את התגובה המתרחשת במהלך הליכי שינוי הערוץ של שבב PMMA. לתקשר ניתוח זווית שמש לעקוב אחר שינויי השטח במהלך ההליכים המוצעים. מערכת LA-ICP-MS ו ספקטרומטר ראמאן נפיץ הועסקו כדי לאמת את השינוי המוצלח של C-Cl moieties היווצרות על פני מצע PMMA (איור 3 (א), (ב)). תגובת SPE דיפול בסיוע המוצעת התאפיינה ניתוח XANES (איור 4).

איור 1
איור 1. שבב PMMA. (א) תמונת המצב של תבנית הקובץ עבור השבב המפוברק. (ב) פריסה של שבב מפוברק: S, E, A ו- B מייצגים את יציאות מבוא למדגם, eluent, ו bufפתרונות fer, בהתאמה; O מייצגת את השקע. העיגול השחור מייצג את חור גישת קדח לכל. הערוצים המשמשים תחילת אספקת פתרונות מדגם חיץ הן יצרו זווית של 30 מעלות עם ערוץ החילוץ. אורכו של ערוץ מיצוי יעיל, אשר מודד את המרחק מנקודת ההתכנסות של תזרימי של הפתרונות מדגם חיץ לשקע ומחוברות, היה 94 מ"מ. (ג) תצלום של חתך של צלחת במכונה. לשכפל מ Ref. 16 על ידי רשות של האגודה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
Scheme איור 2. שינוי הערוץ עבור שבב PMMA. Photogr ההבלעהaphs להראות זווית המגע המתאימה המוצר המתקבל ברצף. זווית המגע נקבעה באמצעות דימוי של טיפת מים. הממוצע של שלוש מדידות חוזרות שמש לקביעת זוויות מגע דיווח בכל מקרה. לשכפל מ Ref. 16 על ידי רשות של האגודה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
אימות Surface איור 3. שינוי PMMA. (א) אותות Cl מתקבל על ידי ablating הן PMMA ו PMMA שונה עם moieties C-Cl. ההבלעה מציגה את עמדות אבלציה המתאים לכל אחד אות קבלה. (ב) ספקטרום ראמאן של יליד שונה PMMA. לשכפל מ Ref. 16 ברשותהאגודה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. Mn K-קצה XANES ספקטרום של PMMA PMMA ו השונה השונה שטופל יוני Mn 2+. ספקטרה המהונדס PMMA הוצג קו אדום. האינטראקציות בין moieties C-Cl אלקטרו ביותר של PMMA השונה ואת יוני Mn 2+ הראה את ספקטרום הקליטה הוצגו קו כחול. לשכפל מ Ref. 16 על ידי רשות של האגודה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

הנהלים המפורטים לעריכת שבב אלקטרוני דיפול בסיוע SPE הוצגו לעיל. בסעיף זה, את התועלת של פרוטוקול שינוי ביחס ההשתלה של moieties C-Cl על PMMA ואת ההיתכנות של PMMA Cl המכילים, אשר שימש כמדיום החילוץ לקביעת יונים של מתכות קורט, הם העריך צעד-אחר-צעד. לשם אימות, משטח, סוג המדגם נבחר על בסיס התאימות שלה עם מכשור אנליטי. במילים אחרות, סוגי דגימות הבדיקה מוכן באמצעות תהליך דומה נקבעו בהתאם לדרישות של מכשירים אנליטיים. לדוגמה, מדגם המצע מסוג שימש למדידת זווית המגע, ואילו מדגם אבקת-אריזה מסוג שימש עבור ספקטרוסקופיות LA-ICP-MS, ראמאן, ו XANES מנתח.

בתחילה, כדי לפקח על השינוי שעבר על נספח הפונקציות הכימיותד אל פני השטח של PMMA במהלך ההליכים המוצעים, ניתוח זווית מגע עבור המוצר המתקבל המתאים לכל שלב בוצע (איור 2). כמובא באיור 2, וריאציות זווית המגע הצביעו בבירור ששינויי משטח שהתרחשו במהלך הליכי השינוי, ואת זווית המגע של 80.3 ° ± 0.43 ° כי נמדדה עבור המוצר הסופי הייתה בהסכמה עם שדווח בעבר תוצאות. 21

בנוסף, קיומן של moieties C-Cl על PMMA שונה אושר גם באמצעות ניתוח LA-ICP-MS. לעומת התוצאות שהושגו על ידי ablating PMMA הילידים, אותות ברורים עבור Cl נצפו כצפוי על ידי ablating PMMA שונה עם moieties C-Cl (איור 3 (א)).

ראמאן ספקטרה נאספו להמשך אימות לצירופה של moieties C-Cl אל PMMA. כפי שניתן לראות figuבתשובה לשאלה 3 (ב), שתי פסגות מאפיין הקשורים רטט מתיחה סימטרית 2 CCl נצפו ב 682 ס"מ -1 ו 718 ס"מ -1 בספקטרום של PMMA שונה וכי הסכם טוב סביר עם התוצאות המדווחות של וויליס ואח . 22 ו הנדרה et al. 23 במילים אחרות, על עיקול נכסי moieties C-Cl אל PMMA ניתן להשיג בהצלחה לאחר שינוי.

יתר על כן, על מנת להבהיר את מנגנון החילוץ מוצע במחקר זה, ניתוח XANES הועסק. כפי שניתן לראות בתרשים 4, האינטראקציות בין moieties C-Cl אלקטרו ביותר ואת יוני מתכת בעלי המטען החשמליים החיובי יכולות להיות מאושרות על ידי הנוכחות של קצה הקליטה הדומיננטי בספקטרום XANES המתאים PMMA השונה שטופל יוני Mn 2+. לפיכך, אינטראקציות אלקטרוסטטיות-דיפול תיושם אכן החילוץ שבב על לעברתמתכת אס המנתח. התוצאות אנליטי המפורטות עבור דגימות מים שנאספו משני נהרות בטייוואן תוארו במקום אחר. 16

למיטב ידיעתנו, זהו הניסיון הראשון לנצל אסטרטגית עבודה חדשנית בתגובה על שבב SPE לקביעת יונים של מתכות קורט, ושהמכשיר שפותח היה משמעותי עמיד לעומת טכניקות SPE על-שבב אחרים (כלומר , יותר מ -160 יצירות אנליטית יכולה להיות מושגת ללא הרעה משמעותית במונחים של יעילות מיצוי). אף על פי כן, בגלל מנגנון החילוץ כאלה בעיקר היה הסתמכה על אינטראקציות בין moieties אלקטרו-C-Cl ביותר ואת יוני מתכת בעלי מטען חשמלי חיובי, הטכניקה המוצעת צפוי להיות מתאימים עבור החילוץ של מינים טעונים שלילית עד כה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AutoCAD Autodesk N/A http://www.autodesk.com/education/free-software/autocad
Poly(methyl methacrylate) (PMMA) sheet Kun Quan Engineering Plastics N/A 350 mm (L) x 20 mm (W) x 2 mm (H). The glass transition temperature (Tg) of PMMA sheets is ranged from 102–110 °C. The UV transmittance of the PMMA at 365 nm is 91.2%.
Micromachining system Laser Life LES-10 Maximum laser power: 10 W. Maximium engraving speed: 762 mm sec−1.
High-resolution optical microscope Ching Hsing Computer-Tech FS-230
Power Image Analysis system (PIA) Ching Hsing Computer-Tech PIA V16.1
Multi drilling machines N/A LT-848
Deionized water (D. I. H2O) Millipore Milli-Q Integral 5 System
Sodium dodecyl sulfate (SDS) J. T. Baker 4095-04
Ultrasound oscillator Elma Transsonic Digital
Glass board N/A N/A 160 mm (L) x 35 mm (W) x 2 mm (H); fragile
Binder clip SDI 0234T-1 http://stationery.sdi.com.tw/product_detail.php?Key=322&cID=55&uID=6
Precision oven Yeong Shin DK-45
Poly(etheretherketone) (PEEK) tube VICI JR-T-6002 (0.5 mm i.d.); JR-T-6001 (0.25 mm i.d.)
Polymer tubing  cutter Upchurch Scientific A-327
Two-component epoxy-based adhesive Richwang N/A Skin irritative. The major components are an epoxy resin and a hardener.
Peristaltic pump Gilson Minipuls 3
Peristaltic tube Gilson F117934
Sodium hydroxide (NaOH) Sigma–Aldrich 30620
Nitric acid (HNO3) J. T. Baker 959834
Acrylamide (prop-2-enamide, C3H5NO) Sigma–Aldrich A8887 Acutely toxic and carcinogenic
In-house-built photomask N/A N/A The in-house-built photomask was made of a black paper (114 mm (L) × 22 mm (W)) that contained an open window (94 mm (L) × 2 mm (W)) allowing the desired region
1,1-Dichloroethylene Sigma–Aldrich 163032 Acutely toxic and carcinogenic
Cartridge Dikma ProElut AL-B 
2,2-Azobisisobutyronitrile (AIBN, C8H12N4) Showa Chemical  0159-2130
Ethanol Sigma–Aldrich 32221
Hexanes (C6H14) Millinckrodt Chemical 5189-08
In-house-built irradiation system Great Lighting (UV-A lamp) N/A An opaque box with an UV-A lamp (40 W, maximum emission at 365 nm)
Glass vial Yeong Shin 132300019 Fragile
Aluminum foil Diamond N/A
Conical tubes with screw caps labcon 3181-345-008 (50 mL); 3131-345-008 (15 mL)
Rocking shaker TKS RS-01
Contact angle meter First Ten Angstroms FTA 125
PMMA bead Scientific Polymer Products 037A
Mortar and pestle, agate  Yeong Shin 139000004 Fragile
Tissue culture plate AdvanGene Life Science Plasticware AGC-CP-24S-50EA 24-Well, non-treated, sterilized
Hydraulic press Panchum Press-200
Laser ablation New Wave Research NWR193
Inductively coupled plasma-mass spectrometer Agilent Technologies Agilent 7500a
Glass bottle DURAN 21801245 (100 mL); 21801365 (250 mL)
Dispersive Raman spectrometer Thermo Fisher Scientific Nicolet Almega XR
Manganese nitrate tetrahydrate (Mn(NO3)2×4H2O) Sigma–Aldrich 63547
Maleic acid disodium salt hydrate (C4H4Na2O5) Sigma–Aldrich M9009
X-ray absorption near edge structure (XANES)  N/A N/A The Mn K-edge XANES analyses were conducted at 07A and 17C1 beamlines of the National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) in Taiwan.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. De Mello, A. J., Beard, N. Dealing with 'real' samples: sample pre-treatment in microfluidic systems. Lab Chip. 3 (1), 11-19 (2003).
  2. Lichtenberg, J., de Rooij, N. F., Verpoorte, E. Sample pretreatment on microfabricated devices. Talanta. 56 (2), 233-266 (2002).
  3. Song, S., Singh, A. K. On-chip sample preconcentration for integrated microfluidic analysis. Anal. Bioanal. Chem. 384 (1), 41-43 (2006).
  4. Lafleur, J. P., Salin, E. D. Pre-concentration of trace metals on centrifugal microfluidic discs with direct determination by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. J. Anal. At. Spectrom. 24 (11), 1511-1516 (2009).
  5. Xue, S., Liu, Y., Li, H. -F., Uchiyama, K., Lin, J. -M. A microscale solid-phase extraction poly(dimethylsiloxane) chip for enrichment and fluorescent detection of metal ions. Talanta. 116, 1005-1009 (2013).
  6. Khoai, D. V., Kitano, A., Yamamoto, T., Ukita, Y., Takamura, Y. Development of high sensitive liquid electrode plasma-Atomic emission spectrometry (LEP-AES) integrated with solid phase pre-concentration. Microelectron. Eng. 111, 343-347 (2013).
  7. Khoai, D. V., Yamamoto, T., Ukita, Y., Takamura, Y. On-chip solid phase extraction-liquid electrode plasma atomic emission spectrometry for detection of trace lead. Jpn. J. Appl. Phys. 53 (5S1), 1-5 (2014).
  8. Shih, T. -T., Chen, W. -Y., Sun, Y. -C. Open-channel chip-based solid-phase extraction combined with inductively coupled plasma-mass spectrometry for online determination of trace elements in volume-limited saline samples. J. Chromatogr. A. 1218 (16), 2342-2348 (2011).
  9. Chen, B., et al. Magnetic solid phase microextraction on a microchip combined with electrothermal vaporization-inductively coupled plasma mass spectrometry for determination of Cd, Hg and Pb in cells. J. Anal. At. Spectrom. 25 (12), 1931-1938 (2010).
  10. Kim, Y. H., Kim, G. Y., Lim, H. B. Micro Pre-concentration and Separation of Metal Ions Using Microchip Column Packed with Magnetic Particles Immobilized by Aminobenzyl Ethylenediaminetetraacetic Acid. Bull. Korean Chem. Soc. 31 (4), 905-909 (2010).
  11. Strabburg, S., Wollenweber, D., Wunsch, G. Contamination caused by ion-exchange resin!? Consequences for ultra-trace analysis. Fresenius J. Anal. Chem. 360 (7-8), 792-794 (1998).
  12. Watts, J. F., Chehimi, M. M. X-ray Photoelectron Spectroscopy Investigations of Acid-Base Interactions in Adhesion. J. Adhes. 41 (1-4), 81-91 (1993).
  13. Eboatu, A. N., Diete-Spiff, S. T., Ezenweke, L. O., Omalu, F. The Use of Polymers as Sequestering Agents for Toxic Metal Ions. J. Appl. Polym. Sci. 85 (13), 2781-2786 (2002).
  14. Fiorini, G. S., Chiu, D. T. Disposable microfluidic devices: fabrication, function, and application. Biotechniques. 38 (3), 429-446 (2005).
  15. Shadpour, H., Musyimi, H., Chen, J., Soper, S. A. Physiochemical properties of various polymer substrates and their effects on microchip electrophoresis performance. J. Chromatogr. A. 1111 (2), 238-251 (2006).
  16. Shih, T. -T., et al. A dipole-assisted solid-phase extraction microchip combined with inductively coupled plasma-mass spectrometry for online determination of trace heavy metals in natural water. Analyst. 140 (2), 600-608 (2015).
  17. Yuan, D., Das, S. Experimental and theoretical analysis of direct-write laser micromachining of polymethyl methacrylate by CO2 laser ablation. J. Appl. Phys. 101 (2), 1-6 (2007).
  18. Xie, S., Svec, F., Frechet, J. M. J. Preparation of Porous Hydrophilic Monoliths: Effect of the Polymerization Conditions on the Porous Properties of Poly(acrylamide-co-N,N'-methylenebisacrylamide) Monolithic Rods. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 35 (6), 1013-1021 (1997).
  19. Ericson, C., Liao, J. -L., Nakazato, K., Hjerten, S. Preparation of continuous beds for electrochromatography and reversed-phase liquid chromatography of low-molecular-mass compounds. J. Chromatogr. A. 767 (1-2), 33-41 (1997).
  20. Shih, T. -T., Lin, C. -H., Hsu, I. -H., Chen, J. -Y., Sun, Y. -C. Development of a Titanium Dioxide-Coated Microfluidic-Based Photocatalyst-Assisted Reduction Device to Couple High-Performance Liquid Chromatography with Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry for Determination of Inorganic Selenium Species. Anal. Chem. 85 (21), 10091-10098 (2013).
  21. Carre, A. Polar interactions at liquid/polymer interfaces. J. Adhes. Sci. Technol. 21 (10), 961-981 (2007).
  22. Willis, H. A., Zichy, V. J. I., Hendra, P. J. The Laser-Raman and Infra-red Spectra of Poly(Methyl Methacrylate). Polymer. 10, 737-746 (1969).
  23. Hendra, P. J., Mwkenzie, J. R., Holliday, P. The laser-Raman spectrum of polyvinylidene chloride. Spectroc. Acta Pt. A-Molec. Biomolec. Spectr. 25 (8), 1349-1354 (1969).

Tags

Bioengineering גיליון 114 מיצוי שלב מוצק חילוץ בסיוע דיפול ניתוח מתכת עקבות שבבים שבבים מבוססי פולימרים נטיית microchannel.
המצאה של Microchip הפקת דיפול בסיוע שלב מוצק עבור ניתוח מתכת עקבות בדגימות מים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shih, T. T., Hsu, I. H., Chen, P.… More

Shih, T. T., Hsu, I. H., Chen, P. H., Chen, S. N., Tseng, S. H., Deng, M. J., Lin, Y. W., Sun, Y. C. Fabrication of a Dipole-assisted Solid Phase Extraction Microchip for Trace Metal Analysis in Water Samples. J. Vis. Exp. (114), e53500, doi:10.3791/53500 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter