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Funzionamento del Glovebox

Operating the Glovebox

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Lab Safety

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JoVE Science Education Lab Safety

Operating the Glovebox

6.1: Proper Personal Protective Equipment

6.16: Decontamination for Laboratory Biosafety

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07:57 min

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April 30, 2023

Overview

Robert M Rioux, Ajay Sathe, Zhifeng Chen, Pennsylvania State University, University Park, PA

Un glovebox è un involucro isolato progettato per mantenere un’atmosfera inerte. La manipolazione di sostanze chimiche o apparecchiature avviene tramite l’uso di guanti, che consentono il funzionamento pur mantenendo un’atmosfera inerte. Una pressione positiva viene utilizzata per compensare eventuali perdite passive. Gli oggetti possono essere trasferiti dentro e fuori dalla scatola utilizzando un’anticamera che funge da airlock tra la scatola e l’atmosfera esterna¹. Un glovebox può avere più paia di guanti associati ad esso a seconda delle dimensioni della scatola.

Principles

Il vano portaoggetti funziona contenendo un circuito di circolazione chiuso che utilizza un soffiatore, un impianto idraulico e un purificatore per mantenere i livelli di H₂O e O₂ inferiori a 1 ppm. L’atmosfera viene purificata dalla circolazione dell’aria attraverso un letto catalizzatore per rimuovere umidità e ossigeno. I catalizzatori includono particelle a base di rame per rimuovere O₂ e setacci molecolari per rimuovere H₂O. Dopo 3-6 mesi di utilizzo, i catalizzatori devono essere rigenerati isolando i catalizzatori dal glovebox ed esponendoli sotto il 5% H 2 in N₂ e riscaldandoli per ridurre l’ossido di rame formato in rame metallico. Alcune sostanze chimiche volatili come i composti alogenati e le specie fortemente coordinanti (tioli) dovrebbero essere escluse dal glovebox perché hanno un’alta propensione ad avvelenare i catalizzatori. Invece, gli esperimenti che coinvolgono questi tipi di sostanze chimiche dovrebbero essere condotti in una linea Schlenk.

La formazione iniziale e il corretto funzionamento sono importanti per l’uso sicuro del glovebox. Tutte le sostanze chimiche devono essere degassate e asciugate prima di essere collocate nel vano portaoggetti. I recipienti o i palloni di vetro devono essere evacuati prima del posizionamento nell’anticamera per evitare esplosioni dovute alla differenza di pressione. I taglienti devono essere maneggiati con cura ed evitati, se possibile, quando si lavora con il vano portaoggetti per evitare possibili danni al guanto. Inoltre, i guanti secondari in nitrile devono essere indossati per proteggere il guanto quando si lavora con solventi. Le soluzioni acquose, gli alcoli e l’acetone non devono essere utilizzati nel glovebox per garantire che l’ambiente del glovebox sia privo di H₂O e O₂, che possono aiutare a proteggere il guanto per tutta la sua durata. Rispetto al glovebox, ci sono meno requisiti per quanto riguarda l’idoneità dei campioni per la linea Schlenk. Tuttavia, ci sono altri problemi di sicurezza quando si utilizza la linea schlenk, come garantire che la vetreria non sia incrinata, la possibilità di sovrapressurizzazione della linea schlenk del vetro e l’uso di azoto liquido nella trappola della pompa potrebbe portare alla possibile condensazione di ossigeno, se esiste una perdita nella linea schlenk.

Procedure

1. Trasferimento di oggetti nel Glovebox

Assicurati che entrambe le porte siano chiuse (questa dovrebbe essere la posizione predefinita). Se la camera è sotto vuoto, riempirla di azoto ruotando la valvola per riempire.
Aprire la porta esterna e trasferire l’oggetto nella camera. Fai scorrere l’oggetto il più in profondità possibile, il che rende più facile raggiungerlo dall’interno del vano portaoggetti. Chiudi la porta isolando l’anticamera dall’ambiente ambientale. NON stringere troppo la porta, vai solo un quarto di giro più lontano.
Una volta chiuse le porte, ruotare la valvola per evacuare la camera e attendere che la pressione sia a un livello di vuoto accettabile. Quindi riempire la camera con azoto, ruotando la valvola per riempire. Ripeti questo ciclo almeno 3 volte.
Una volta completati i cicli di spurgo ed evacuazione, riempire la camera con azoto, quindi aprire la porta interna del vano portaoggetti. Rimuovere l’oggetto dall’anticamera e posizionarlo in un luogo sicuro nel vano portaoggetti. Chiudere prontamente la porta dell’anticamera.
Con le porte chiuse, ruotare la valvola sull’anticamera per aspirare e lasciarla lì. Questa è la posizione predefinita dell’anticamera quando non è in uso.

2. Trasferimento di oggetti fuori dal Glovebox

Assicurarsi che l’anticamera sia piena di azoto. Se non si è sicuri dello stato della camera, evacuare e riempire la camera con azoto almeno 3 volte.
Aprire la porta interna e trasferire l’oggetto nella camera. Se l’oggetto include sostanze chimiche, assicurarsi che sia adeguatamente sigillato. Quindi chiudere la porta interna all’anticamera.
Aprire la porta esterna e rimuovere gli oggetti.
Chiudere la porta esterna e ruotare la valvola per evacuare. La condizione predefinita per l’anticamera è di essere sotto vuoto.

3. Prodotti chimici e apparecchiature

Assicurati che tutti gli apparecchi che trasferisci nel vano portaoggetti siano asciutti.
Qualsiasi sostanza chimica che viene assunta nel vano portaoggetti deve essere asciutta e deossigenata. È meglio usare i solventi DriSolv. Se questi non sono disponibili, si preferirebbe utilizzare bottiglie di solvente che non sono state aperte al di fuori del vano portaoggetti.
Prendere solo la quantità necessaria di sostanze chimiche nel glovebox, i flaconi di reagente pieni NON DEVONO essere presi (a meno che il reagente non debba essere conservato in modo permanente nella scatola).
Utilizzare flaconcini da 20 ml per trasferire solidi e liquidi non volatili. Avvolgere la parte superiore dei flaconcini con salviette da laboratorio e utilizzare un elastico per tenere la salvietta in posizione. Ciò consente di evacuare l’aria sopra il solido/liquido.
Durante il trasferimento di liquidi volatili, utilizzare palloni con tappo in teflon.
Prestare estrema attenzione durante l’utilizzo di aghi e lame nel vano portaoggetti. I guanti sono estremamente delicati e qualsiasi foratura può compromettere l’atmosfera nella scatola.
Una volta terminato il lavoro, estrai prontamente tutti gli apparecchi e pulisci l’area.
Conservare tutte le sostanze chimiche che sono state sintetizzate in una posizione appropriata all’interno della scatola ed etichettarla in modo appropriato.
Fai sapere al responsabile della scatola se qualcuno dei materiali di consumo dedicati al glovebox sta esaurendo.

4. Solventi

Durante l’assunzione di solventi, assicurarsi di utilizzare i palloni a fondo tondo con tappo in teflon e utilizzare solo solventi deossigenati secchi dagli alambicco del solvente o come ordinato dai fornitori chimici.
Tutte le bottiglie di solvente conservate nella scatola devono essere sempre tappate.
I vapori di solvente possono danneggiare i guanti, e quindi eventuali fuoriuscite di solvente devono essere prontamente pulite con salviette da laboratorio e quindi rimosse poiché rimarranno vapori di solvente volatili.
Rimettere le bottiglie di solvente nella posizione appropriata una volta che hai finito di usarle.

5. Smaltimento dei rifiuti

Smaltire i rifiuti in becchi di rifiuti adeguatamente etichettati.
Ricapitolare gli aghi dopo l’uso prima di smaltirli.
Se il contenitore dei rifiuti è pieno dopo averlo usato, esponilo dalla scatola e smaltiscilo correttamente nei rifiuti di laboratorio e sostituisci prontamente il contenitore dei rifiuti nel vano portaoggetti.
Pulisci eventuali fuoriuscite sul pavimento del vano portaoggetti e smaltisci i rifiuti nei rifiuti vari.
La bottiglia di rifiuti liquidi DEVE essere sempre tappata.

6. Suggerimenti generali

Non inserire/rimuovere rapidamente le mani dai guanti. Farlo rapidamente causerà un improvviso cambiamento di pressione nella scatola, che può portare all’aria ambiente dall’ambiente esterno che accede al glovebox attraverso qualsiasi micro poro sui guanti.
Prestare estrema attenzione durante l’utilizzo di aghi e lame nel vano portaoggetti. I guanti sono estremamente delicati e qualsiasi foratura può compromettere l’atmosfera nella scatola.
Assicurarsi che le camere siano sempre lasciate sotto vuoto dopo l’uso.
Spegnere il ventilatore utilizzando la schermata principale quando si maneggiano ammine, fosfine o qualsiasi altra sostanza volatile, poiché possono danneggiare i catalizzatori.
Tenere un diario di bordo di tutte le attività del glovebox, compresa la manutenzione eseguita sul glovebox.
Condurre la manutenzione (cambio dell’olio della pompa per vuoto, rigenerazione del sistema di purificazione) secondo un programma regolare.

Un vano portaoggetti è un dispositivo importante utilizzato nei laboratori di ricerca e nell’industria per lavorare con composti sensibili all’aria e all’acqua e materiali radioattivi e biomastrosi.

Un vano portaoggetti fornisce un ambiente isolato e chiuso con un’atmosfera inerte.

I guanti vengono utilizzati per lavorare con le sostanze chimiche e gli strumenti all’interno della scatola consentendo la manipolazione di materiali molto sensibili, cosa che non è sempre possibile con una linea Schlenk.

Questo video illustrerà come funziona un vano portaoggetti e come gestire in sicurezza l’uso di sostanze chimiche, solventi e rifiuti all’interno della scatola.

L’atmosfera inerte all’interno di un vano portaoggetti è stabilita da un sistema di circolazione chiuso che utilizza un soffiatore, un pluming e un sistema di purificazione del gas. Il depuratore assicura che i livelli di acqua e ossigeno siano mantenuti al di sotto di 1 ppm facendo circolare l’atmosfera. Il catalizzatore contenente rame presente nel purificatore converte l’ossigeno in ossido di rame. Mentre i setacci molecolari sono usati per assorbire e rimuovere le molecole d’acqua.

Inoltre, le pompe per vuoto e il gas inerte assicurano che non venga introdotta alcuna contaminazione quando si passano sostanze chimiche o strumenti attraverso l’anticamera nel vano portaoggetti.

Per introdurre materiali e oggetti nel vano portaoggetti, controlla prima se entrambe le porte dell’anticamera sono chiuse. Riempire la camera con azoto ruotando la valvola per riempire, se la camera è inizialmente sotto vuoto.

Aprire la porta esterna e trasferire l’oggetto desiderato nella camera, assicurandosi di far scorrere il vassoio il più in profondità possibile per facilitare la portata dall’interno del vano portaoggetti. Quindi chiudere con attenzione la porta esterna dell’anticamera e ruotare la valvola per evacuare.

Attendere che la pressione raggiunga un livello di vuoto accettabile e quindi ruotare la valvola per riempire, in modo che la camera venga spurgata con azoto alla normale pressione atmosferica.

Indossare guanti di cotone o nitrile ed entrare lentamente nei guanti del vano portaoggetti. Fai attenzione quando inserisci le mani nei guanti, perché un movimento troppo improvviso può causare un rapido cambiamento di pressione che porta a perdite d’aria dall’esterno all’interno della scatola attraverso qualsiasi micro poro. Inoltre, indossare guanti in nitrile sopra i guanti del vano portaoggetti per proteggerli da solventi e sostanze chimiche.

Ora apri la porta interna del vano portaoggetti e rimuovi gli oggetti dall’anticamera e posizionali in un luogo sicuro nel vano portaoggetti, quindi chiudi prontamente la porta.

Con entrambe le porte chiuse, ruotare la valvola nel vuoto, che è la posizione predefinita dell’anticamera quando non è in uso.

Etichettare e conservare eventuali sostanze chimiche sintetizzate in una posizione appropriata all’interno del vano portaoggetti. Rimuovi tutti gli altri oggetti non appena hai finito e pulisci l’area.

Assicurarsi sempre che tutti i prodotti chimici e i contenitori siano adeguatamente sigillati prima del trasferimento. Assicurarsi che l’anticamera sia riempita di azoto prima di espellere i materiali. Se non sei sicuro, ripeti il ciclo di evacuazione-spurgo tre volte.

Apri la porta interna, posiziona gli oggetti all’interno dell’anticamera e chiudi la porta. Quindi, apri la porta esterna e rimuovi i tuoi oggetti. Chiudere la porta e ruotare la valvola per evacuare e lasciarla in questa condizione predefinita.

Mantenere l’atmosfera inerte del vano portaoggetti è essenziale per un ambiente di lavoro sicuro. Pertanto deve essere garantita una manipolazione speciale di sostanze chimiche, solventi e attrezzature.

Assicurati di trasferire sempre solo oggetti asciutti e reagenti nel vano portaoggetti per mantenere l’atmosfera inerte e bassi livelli di ossigeno e acqua.

Le sostanze chimiche, compresi i solventi, devono essere secche e deossigenate. Utilizzare una nuova bottiglia della sostanza chimica desiderata per evitare sostanze chimiche contenenti una maggiore quantità di contaminanti assorbiti dall’aria.

Alcune sostanze chimiche volatili come tioli, ammine o alogeni possono avvelenare il catalizzatore rendendolo meno efficiente. Quindi utilizzare una linea schlenk per composti come questi, se possibile. Spegnere il ventilatore, se è necessario utilizzare un vano portaoggetti, per ridurre al minimo l’avvelenamento da catalizzatore.

Inoltre, evitare di introdurre soluzioni acquose e alcoli nel vano portaoggetti per mantenere bassi i livelli di acqua e ossigeno.

Utilizzare solo la quantità richiesta di reagenti e non trasferire mai flaconi di reagenti pieni nel vano portaoggetti, a meno che questi reagenti non vengano conservati in modo permanente nella scatola. Le fiale possono essere utilizzate per il trasferimento di solidi e liquidi non volatili all’interno del vano portaoggetti.

Tutti i reagenti devono essere sottoposti al ciclo di evacuazione-spurgo, quindi avvolgere la parte superiore delle fiale con salviette da laboratorio e fissare con un elastico.

Inoltre, i recipienti di vetro devono essere evacuati prima dell’inserimento nell’anticamera per prevenire esplosioni dovute alla differenza di pressione. E oggetti appuntiti come aghi e lamette da rasoio devono essere maneggiati con particolare cura per evitare di forare i guanti del vano portaoggetti.

Una volta nel vano portaoggetti, le bottiglie di solvente e sostanze chimiche devono sempre essere tappate e riposte nel luogo appropriato per la conservazione. Le fuoriuscite devono essere prontamente rimosse e gli assorbenti come le salviette da laboratorio devono essere rimossi per evitare danni ai guanti dai vapori.

Etichettare correttamente tutti i contenitori per rifiuti designati all’interno del vano portaoggetti. Le bottiglie dei rifiuti liquidi devono essere tappate in ogni momento e gli aghi devono essere ricapitolato dopo l’uso prima di smaltirli e, in caso di fuoriuscita, qualsiasi materiale di pulizia deve essere smaltito nei rifiuti solidi.

Se il contenitore dei rifiuti è pieno, trasferirlo fuori dal vano portaoggetti e smaltire i rifiuti in modo appropriato nei rifiuti di laboratorio. Sostituire tempestivamente il contenitore dei rifiuti nel vano portaoggetti.

La manutenzione deve essere eseguita per garantire la longevità del vano portaoggetti. Cambiare regolarmente l’olio della pompa per vuoto, il 5% di idrogeno in azoto e il riscaldamento per ridurre l’ossido di rame formato.

Inoltre, assicurarsi che le camere siano sempre lasciate sotto vuoto.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE al lavoro con un vano portaoggetti. Ora dovresti capire come funziona un vano portaoggetti, come trasferire in sicurezza gli oggetti all’interno e all’esterno della scatola e come gestire sostanze chimiche, solventi e rifiuti. Grazie per l’attenzione!

Applications and Summary

I glovebox sono essenzialmente dispositivi nel laboratorio di ricerca per la manipolazione di sostanze chimiche sensibili all’aria e all’acqua che non sono facilmente lavorabili su una linea Schlenk. I glovebox sono particolarmente utili per il trasferimento di sostanze chimiche in recipienti incompatibili con i gruppi di linea Schlenk. Il corretto funzionamento, la buona pulizia e la manutenzione di un glovebox da laboratorio assicurano che gli esperimenti sensibili possano essere condotti senza esposizione all’ossigeno e all’acqua.

References

Ashby and R. D. Schwartz J. Chem. Educ., 1974, 51 (1), p 65
Glovebox Use Guidelines, University of Houston, 2009.
Standard Operating Procedures, Bartlett Group, University of Michigan, 2016.

Transcript

A glove box is an important device used in research laboratories and industry to work with air- and water sensitive compounds, and radioactive and biohazardous materials.

A glove box provides an isolated and enclosed environment with an inert atmosphere.

The gloves are used to work with the chemicals and instruments inside the box allowing for handling of very sensitive materials, which is not always possible with a Schlenk line.

This video will illustrate how a glove box works and how to safely manage the use of chemicals, solvents, and waste inside the box.

The inert atmosphere inside a glove box is established by a closed circulating system using a blower, pluming, and a gas purification system. The purifier ensures that the water and oxygen levels are kept below 1 ppm by circulating the atmosphere. The copper containing catalyst present in the purifier converts oxygen to copper oxide. While molecular sieves are used to absorb and remove the water molecules.

Furthermore, vacuum pumps and inert gas ensure that no contamination is introduced when passing chemicals or instruments through the antechamber into the glove box.

To introduce materials and objects into the glove box, first check if both doors of the antechamber are closed. Fill the chamber with nitrogen by turning the valve to fill, if the chamber is initially under vacuum.

Open the outer door, and transfer the desired object in the chamber, making sure to slide the tray as deep as possible to facilitate easier reach from the inside of the glove box. Then close the outer antechamber door carefully and turn the valve to evacuate.

Wait until the pressure reaches an acceptable vacuum level and then turn the valve to refill, so the chamber will be purged with nitrogen to normal atmospheric pressure.

Wear cotton or nitrile gloves and enter the gloves of the glove box slowly. Be careful when inserting hands into the gloves, because a too sudden movement can cause a rapid pressure change leading to air leakage from outside inside the box through any micro pores. Also, wear nitrile gloves over the glove box gloves to protect them against solvents and chemicals.

Now open the inner door to the glove box and remove the objects from the antechamber and place them in a safe location in the glove box, then promptly close the door.

With both doors closed, turn the valve to vacuum, which is the default position of the antechamber when not in use.

Label and store any synthesized chemicals in an appropriate location within the glove box. Remove any other objects as soon as you are done and clean the area.

Always make sure that all chemicals and containers are properly sealed before the transfer. Make sure the antechamber is filled with nitrogen before ejecting your materials. If you are unsure, repeat the evacuation-purging cycle three times.

Open the inner door, place the objects inside the antechamber, and close the door. Then, open the outer door and remove your objects. Close the door and turn the valve to evacuate and leave it at this default condition.

Maintaining the glove box’s inert atmosphere is essential for a safe working environment. Therefore special handling of chemicals, solvents, and equipment has to be assured.

Make sure to always transfer only dry objects and reagents into the glove box to maintain the inert atmosphere and low levels of oxygen and water.

Chemicals, including solvents, have to be dry and deoxygenated. Use a new bottle of the desired chemical to avoid chemicals containing a higher amount of contaminants absorbed from the air.

Certain volatile chemicals such as thiols, amines, or halogens can poison the catalyst making it less efficient. Therefore use a Schlenk line for compounds like these, if possible. Shut off the blower, if a glove box has to be used, to minimize catalyst poisoning.

Furthermore, avoid introducing aqueous solutions and alcohols into the glove box to maintain low levels of water and oxygen.

Use only the required amount of reagents and never transfer full reagent bottles into the glove box, unless these reagents will be permanently stored in the box. Vials can be used for the transfer of solids and non-volatile liquids inside the glove box.

All reagents need to undergo the evacuation-purging cycle, therefore wrap the top of the vials with lab wipes and secure with a rubber band.

Additionally, glass vessels need to be evacuated before insertion into the antechamber to prevent explosions due to the pressure difference. And sharp objects such as needles and razor blades should be handled with extra care to avoid puncturing the gloves of the glove box.

Once in the glove box, solvent and chemical bottles should always be capped and placed back in the appropriate location for storage. Spills must be promptly wiped off and absorbents such as lab wipes removed to avoid damage to the gloves from vapors.

Properly label all designated waste containers inside the glove box. Liquid waste bottles must be capped at all times and needles recapped after use before disposing of them, and in case of a spill any clean up material should be disposed in the solid waste.

If the waste container is full, transfer it out of the glove box and dispose of the waste appropriately in the laboratory waste. Replace the waste container in the glove box promptly.

Maintenance should be performed to ensure longevity of the glove box. Regularly change the vacuum pump oil, 5% hydrogen in nitrogen and heating to reduce the formed copper oxide.

Furthermore, make sure the chambers are always left under vacuum.

You’ve just watched JoVE’s introduction to working with a glove box. You should now understand how a glove box operates, how to safely transfer objects inside and outside the box, and how to handle chemicals, solvents, and waste. Thanks for watching!

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