水試料中の微量金属分析のためのダイポールアシスト固相抽出マイクロチップの作製

本プロトコルの総合的な目的は、双極子イオン相互作用を利用して、水試料中の微量金属イオンを測定するための革新的な固相抽出マイクロチップを作製することです。この手法は、微量金属イオン分析のためのチップ固相抽出技術にインタラクティブな動作戦略を提供します。開発されたチップは、双極子電極の静電力のみによって金属イオンを保持します。

チップを用いた迅速な操作手順における一般的な主要工程について説明します。これには、固定相を活性化させるためのコンディショニングや、担体構造を維持するための再生処理などが含まれます。手順のデモンストレーションは、Soon博士の研究室の大学院生であるYu-Chen ChuangとPei-Chun Chaoが行います。

まず、CADプログラムを使用して、図に示すチップのネットワークパターンを描画します。レーザー光源をフォーカスさせ、厚さ2 mmのPMMAシートをレーザーマイクロマシンシステムの作業台に固定します。CADソフトウェアでプリントを選択し、マイクロマシンシステムのコントロールパネルを使用して、出力を45%（または4.5 W）、速度を13%（または99.06 mm/s）、ペンモードをVECTに設定します。

メーカーのプロトコルに従い、レーザー微細加工システムを使用してPMMAシートを加工します。ここに、装置からプレートまでの断面図を示します。次に、パターン形成されたプレートに、直径1/16インチの穴を3か所開けます。これらの穴は、底板におけるサンプル入口、バッファー入口、およびLU入口へのアクセスとして使用されます。

次に、カバープレートに合流出口用の穴を1か所開けます。加工したプレートを1リットルの0.1% SDSに浸し、オシレーターを用いて10分間超音波洗浄を行います。その後、SDS溶液を脱イオン水に交換します。

超音波振動器を用いて10分間攪拌します。残った脱イオン水を1リットルの新しい脱イオン水に交換し、加工したプレートをさらに10分間、3回目の超音波攪拌に浸します。その後、洗浄した各プレートを窒素気流で2分間緩やかに乾燥させます。

乾燥後、2枚の加工済みプレートを目視で合わせ、バインダークリップを用いて2枚のガラス板の間で圧縮して固定します。後続のセッションにおける光合成反応によるチップチャネルの修飾があるため、表面への損傷を防ぐために基板は細心の注意を払って取り扱う必要があります。損傷がある場合、放射光の透過を妨げる可能性があります。

次に、2枚のプレートを105 °Cで30分間、圧縮状態で接合させます。その後、サンドイッチ構造を室温まで冷却し、バインダークリップとガラス板を取り除きます。アクセスホールに外径1/16 inchのポリエーテルエーテルケトンチューブを挿入します。

次に、2液混合型エポキシ系接着剤の2つの成分を適切に混ぜ合わせ、導管をその2液混合型エポキシ系接着剤で固定します。エポキシを室温で12時間硬化させます。チューブをペリスタルティックポンプに通し、飽和水酸化ナトリウム溶液の中に入れます。

水酸化ナトリウム溶液を、100 µL/minの流速で12時間にわたりチャネルに供給します。残った水酸化ナトリウム溶液を除去し、チャネル内部を脱イオン水で洗浄します。その後、残った脱イオン水を除去し、0.5 硝酸溶液をマイクロチップ内に導入します。

残留した硝酸溶液を除去し、次に暗所で50%アクリルアミド溶液をマイクロチップに導入できるようシステムをセットアップします。アクリルアミド溶液を100 µL/minの流速で8時間、マイクロチップ内に流します。続いて、残留したアクリルアミド溶液を除去し、脱イオン水でチャネル内部を洗浄します。

すすぎが完了したら、マイクロチップに空気を送り込んで残った脱イオン水を排除し、抽出チャネルの目的の領域のみが光に曝露されるように、自作のフォトマスクでマイクロチップを覆います。次に、阻害剤除去用固相抽出カートリッジを用意し、ポンプを使用して、少なくともカートリッジ容量の3倍以上のエタノールでカートリッジを洗浄します。その後、1:1のジクロロエテンをカートリッジ容量の3倍使用して洗浄します。

1:1 ジクロロエテンは、抑制剤が除去されると不安定になるためです。塩素含有固相抽出形成物は、できるだけ速やかに使用してください。次に、1 mLの1:1 ジクロロエテンを処理済みカートリッジに通し、分画をアルミホイルで包んだ20 mLサンプルバイアルに回収します。

次に、1:1のジクロロエチレン試料491 µLを、AIBN 12 mg、エタノール3.18 mL、およびヘキサン1.65 mLを含む100 mLガラス瓶内の溶液に転送します。シリンジを用いて、塩素含有SPE形成溶液約200 µLをチップのチャネルに注入します。その後、最大放出波長365 nmの紫外線にマイクロチップを10分間照射します。

200 µLの新鮮な塩素含有SPE形成溶液をチャネル内に注入して残液を置換し、再びマイクロチップに10分間UV照射を行います。この工程を計18回繰り返します。最後に、ペリスタルティックポンプを用いて、100 µL/minの流速でエタノールを30分間流し、チャネル内部を洗浄します。

すすぎが完了したら、マイクロチップに空気を送り込み、残っているエタノールを除去します。ペリスタルティックポンプで残留溶液を除去した後、作製したマイクロチップをジッパー付きバッグに保存し、後で使用します。段階的な成長の間、表面の変化をモニタリングするために接触角測定を用いました。

接触角の変化から、修飾工程中に表面変化が生じたことが明確に示されました。最終製品の接触角は80.3度でした。修飾PMMA上の炭素塩素部位の存在は、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析を用いて確認されました。

未修飾のPMMAをアブレーションした際に得られた結果と比較して、塩素含有基で修飾したPMMAをアブレーションした場合には、予想通り塩素に特有のシグナルが観察されました。PMMAへの塩素含有基の導入をさらに検証するため、ラマン分光スペクトルを測定しました。修飾後のPMMAのスペクトルにおいて、塩素の非対称伸縮振動に関連する2つの特徴的なピークが682 cm⁻¹および718 cm⁻¹に観察され、導入が成功したことが実証されました。

微量金属分析のためのオンチップ抽出において重要な双極子静電相互作用を、ここではX線吸収端近傍構造（XANES）を用いて測定しました。その結果、修飾表面がマンガン2+と強い相互作用を持つことが示されました。このビデオを視聴することで、双極子支援SPEマイクロチップの作製方法について十分に理解できるはずです。この技術は、環境科学の研究者が、自然水において深刻な汚染の原因となる金属イオンの存在や、毒性学的側面を決定するための道を切り開きました。

この手法を習得すれば、環境管理や汚染防止に応用することができます。