Fabricage van een dipool-geassisteerde Solid Phase Extraction Microchip voor Trace Metal Analysis in watermonsters

Het algemene doel van dit protocol is het vervaardigen van een innovatieve microchip voor vastefase-extractie voor de bepaling van spoormetaalionen in watermonsters op basis van dipool-ioninteracties. Deze methode biedt een interactieve werkstrategie voor chipgebaseerde vastefase-verrijkingstechnieken voor de analyse van spoormetaalionen. De ontwikkelde chips houden metaalionen uitsluitend vast door de elektrostatische kracht van de dipoolelectrode.

Deze belangrijke stappen betreffen over het algemeen snelle instructieprocedures op chips. Denk hierbij aan conditionering voor de activering van de stationaire fase en regeneratie om het behoud van de structuur van het medium te waarborgen. De procedure zal worden gedemonstreerd door Yu-Chen Chuang en Pei-Chun Chao, promovendi uit het laboratorium van Dr. Soon.

Gebruik als beginstap een CAD-programma om het netwerkpatroon van de chip te tekenen, zoals hier weergegeven. Focus de laserbron en monteer vervolgens een 2 mm dikke plaat PMMA op de werktafel van het laser-microbewerkingssysteem. Selecteer de printfunctie in de CAD-software en gebruik vervolgens het bedieningspaneel van het microbewerkingssysteem om het vermogen op 45% of 4,5 watt in te stellen, de snelheid op 13% of 99,06 mm per seconde en de penmodus op VECT.

Verspan de PMMA-plaat met het laser-microbewerkingssysteem volgens het protocol van de fabrikant. Een dwarsdoorsnede van de machine ten opzichte van de plaat wordt hier getoond. Boor vervolgens drie gaten met een diameter van 1/16 inch in de bewerkte plaat, die zullen dienen als toegang voor een monsterinlaat, een bufferinlaat en een LU-inlaat op de bodemplaat.

Boor vervolgens één gat voor een convergente uitlaat in de dekplaat. Dompel de bewerkte platen onder in één liter 0,1% SDS en stel de onderdelen tien minuten lang bloot aan ultrasone agitatie via een oscillator. Vervang daarna de SDS-oplossing door gedeïoniseerd water.

Agiteer gedurende tien minuten met een ultrasone oscillator. Vervang het resterende gedeïoniseerde water door één liter vers gedeïoniseerd water en dompel de bewerkte platen vervolgens voor een derde maal tien minuten onder met ultrasone agitatie. Droog daarna elke gereinigde plaat twee minuten lang met een zachte stroom stikstof.

Zodra ze droog zijn, lijnt u de twee bewerkte platen met het blote oog uit en plaatst u de twee platen vervolgens onder compressie tussen twee glazen platen met behulp van klemmen. Vanwege de modificatie van het chipkanaal door de fotosynthese-reactie in de volgende sessie, moet het substraat met uiterste zorg worden gehanteerd om beschadigingen aan het oppervlak te voorkomen. Dit kan de werking belemmeren als het wordt blootgesteld aan straling.

Bond daarna de twee platen onder compressie bij 105 °C gedurende 30 minuten. Laat de sandwich vervolgens afkoelen tot kamertemperatuur en verwijder de klemmen en glazen platen. Plaats polyetheretherketon-buisjes met een buitenste diameter van 1/16 inch in de toegangsgaten.

Meng vervolgens de twee componenten van epoxygebaseerde lijmen zorgvuldig en bevestig de leidingen met een twee-componenten epoxygebaseerde lijm. Laat de epoxy twaalf uur uitharden bij omgevingstemperatuur. Plaats de slang door een peristaltische pomp en in een verzadigde natriumhydroxide-oplossing.

Voer de natriumhydroxide-oplossing in het kanaal met een stroomsnelheid van 100 µL per minuut gedurende 12 uur. Verwijder de resterende natriumhydroxide-oplossing en spoel vervolgens het binnenste van het kanaal met gedeïoniseerd water. Verwijder daarna het resterende gedeïoniseerde water en voer een 0,5 salpeterzuuroplossing in de microchip.

Verwijder de resterende salpeterzuuroplossing en stel vervolgens het systeem zo in dat er in het donker een 50% acrylamide-oplossing in de microchip wordt gebracht. Laat de acrylamide-oplossing gedurende acht uur met een stroomsnelheid van 100 µL per minuut door de microchip stromen. Verwijder daarna de resterende acrylamide-oplossing en spoel vervolgens de binnenzijde van het kanaal met gedeïoniseerd water.

Wanneer het spoelen is voltooid, wordt er lucht door de microchip gepompt om het resterende gedeïoniseerde water te verwijderen, waarna de microchip wordt afgedekt met een intern vervaardigd fotomasker waarmee het gewenste deel van het extractiekanaal aan licht kan worden blootgesteld. Neem vervolgens een solid phase extraction-cartridge voor het verwijderen van inhibitoren en gebruik een pomp om de cartridge te spoelen met ten minste drie cartridge-volumes ethanol. Spoel de cartridge daarna met drie cartridge-volumes 1:1 dichlooretheen.

Omdat 1:1 dichlooretheen instabiel wordt zodra de remming wordt opgeheven, moet de vorming van de chloorhoudende vaste-fase-extractie zo snel mogelijk worden gebruikt. Laat vervolgens 1 mL 1:1 dichlooretheen door de behandelde cartridge stromen en verzamel de fractie in een monsterbuisje van 20 mL, omwikkeld met aluminiumfolie.

Houd vervolgens 491 µL van het 1:1 dichlooretheenmonster over in een oplossing die 12 mg AIBN, 3,18 mL ethanol en 1,65 mL hexanen bevat in een glazen fles van 100 mL. Gebruik een spuit om ongeveer 200 µL van de chloorhoudende SPE-vormingsoplossing in het kanaal van de chip te injecteren. Stel de microchip vervolgens 10 minuten lang bloot aan ultraviolette straling met een maximale emissiegolflengte van 365 nm.

Vervang de resterende oplossing door 200 µL verse, chloorbevattende SPE-vormingsoplossing in het kanaal te injecteren en stel de microchip opnieuw 10 minuten lang bloot aan UV-straling. Herhaal dit proces in totaal 18 keer. Gebruik tot slot de peristaltische pomp om het binnenste van het kanaal 30 minuten lang te spoelen met ethanol bij een stroomsnelheid van 100 µL per minuut.

Wanneer het spoelen is voltooid, wordt er lucht door de microchip gepompt om het resterende ethanol te verwijderen. Nadat de resterende oplossing met de peristaltische pomp is verwijderd, wordt de gefabriceerde microchip bewaard in een ziplockzak voor later gebruik. Tijdens de stapsgewijze groei werden contacthoekmetingen gebruikt om de oppervlakteveranderingen te monitoren.

De variaties in de contactshoek gaven duidelijk aan dat er oppervlakteveranderingen optraden tijdens de modificatieprocedures. Voor het eindproduct werd een contactshoek van 80,3 graden gemeten. Het bestaan van de koolstof-chloorgroepen op het gemodificeerde PMMA werd bevestigd via laserablatie-inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrieanalyse.

In vergelijking met de resultaten verkregen door het ablateren van het oorspronkelijke PMMA, werden, zoals verwacht, duidelijke signalen voor chloor waargenomen bij het ablateren van het PMMA dat was gemodificeerd met de koolstof-chloorgroepen. Raman-spectra werden verzameld om de binding van de koolstof-chloorgroepen aan het PMMA verder te valideren. Ter bewijs van de succesvolle binding werden in het spectrum van het gemodificeerde PMMA twee karakteristieke pieken waargenomen bij 682 cm⁻¹ en 718 cm⁻¹, welke geassocieerd zijn met de asymmetrische strekvibratie van de koolstof-chloorbinding.

De dipool-elektrostatische interacties die belangrijk zijn voor on-chip extractie voor spoormetaalanalyses werden hier gemeten met behulp van röntgenabsorptie-near-edge-structuren. Het toont aan dat het gemodificeerde oppervlak sterke interacties heeft met mangaan 2+. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe u een dipool-geassisteerde SPE-microchip kunt vervaardigen. Deze techniek baande de weg voor onderzoekers in de milieukunde om de aanwezigheid van metaalionen vast te stellen die ernstige vervuiling veroorzaken en het toxicologische compartiment in natuurlijk water te bestuderen.

Zodra deze techniek onder de knie is, kan deze worden toegepast op milieubeheer en het voorkomen van verontreiniging.