Wytwarzanie mikrochipa do ekstrakcji do fazy stałej wspomaganego dipolem do analizy metali śladowych w próbkach wody

Summary

Przedstawiono protokół produkcji mikrochipa do ekstrakcji do fazy stałej wspomaganego dipolem do analizy metali śladowych.

Abstract

Ten artykuł opisuje protokół produkcji mikroprocesora do ekstrakcji do fazy stałej wspomaganego dipolem (SPE) dostępnego do analizy śladowych ilości metali w próbkach wody. Przedstawiono krótki przegląd ewolucji technik SPE opartych na chipach. Następnie następuje wprowadzenie do konkretnych materiałów polimerowych i ich roli w SPE. Aby opracować innowacyjną technikę SPE wspomaganą dipolem, do mikroczipa z poli(metakrylanu metylu) (PMMA) wszczepiono funkcję SPE zawierającą chlor (Cl). W tym artykule zastosowano różne techniki analityczne, w tym analizę kąta zwilżania, analizę spektroskopową Ramana i analizę spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie sprzężoną z ablacją laserową (LA-ICP-MS), w celu walidacji użyteczności protokołu implantacji ugrupowań C-Cl na PMMA. Wyniki analizy struktury bliskiej krawędzi absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XANES) wykazały również wykonalność stosowania PMMA zawierającego Cl jako medium ekstrakcyjnego ze względu na oddziaływania dipol-jon między wysoce elektroujemnymi ugrupowaniami C-Cl a dodatnio naładowanymi jonami metali.

Introduction

Z punktu widzenia zarządzania środowiskiem i zapobiegania skażeniom, metale śladowe, które powodują poważne zanieczyszczenie lub problemy toksykologiczne, są problemem na całym świecie. Odpowiednia technika wstępnej obróbki próbek na chipie została powszechnie uznana za klucz do sukcesu w przetwarzaniu i analizowaniu rzeczywistych próbek za pomocą platform opartych na chipach, ponieważ nieoczekiwane współistniejące związki chemiczne w surowych próbkach często utrudniają dokładne oznaczanie analitów obecnych w śladowych ilościach. ¹ Wśród dostępnych technik, wbudowana ekstrakcja do fazy stałej (SPE) jest szczególnie popularna w analizach metali śladowych, ponieważ ta technika pozwalająca na jednoczesne oczyszczanie próbki i wstępne zatężanie analitu jest niezwykle przydatna do izolacji jonów metali ze skomplikowanych matryc solnych. ^2,3

Postęp technik SPE na chipie, używanych do oznaczania śladowych ilości metali, stale się rozwija. Na początku chipy SPE były przygotowywane poprzez ładowanie dostępnych na rynku żywic do mikrokanałów w celu skonstruowania jednostek SPE wypełnionych żywicą. ^4-7 Czasami wymagało to derywatyzacji analitu, aby umożliwić przemianę jonów metali w formy zatrzymujące żywicę. ⁴ Alternatywną metodą przygotowania urządzeń SPE opartych na chipach jest wykorzystanie kanału chipowego jako sorbentu SPE do zbierania metali śladowych po prostej modyfikacji powierzchni. ⁸ W ostatnich latach można zaobserwować pojawiającą się tendencję polegającą na wprowadzaniu nanocząstek magnetycznych (MNP) i określonych substancji chemicznych zawierających grupy funkcyjne zdolne do skutecznego zatrzymywania jonów metali. W przeciwieństwie do żywic komercyjnych, MNP są modyfikowane związkami takimi jak γ-merkaptopropylotrimetoksysilan (γ-MPTS)⁹ i kwas aminobenzylowo-etylenodiaminotetraoctowy (ABEDTA)¹⁰, po czym są one pakowane do mikrokanalików za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego w celu uzyskania selektywnej ekstrakcji jonów metali.

Chociaż zaobserwowano znaczny postęp w rozwoju technik SPE na chipie, opisywane techniki zazwyczaj działają w oparciu o wymianę jonową lub chelatację. Stosowanie takich technik ma tę wadę, że wymaga nieuniknionych procedur operacyjnych, w tym tych związanych z kondycjonowaniem, myciem lub regeneracją, w celu utrzymania wydajności analitycznej. Niestety, konieczność stosowania dodatkowych procedur operacyjnych nie tylko wydłuża czas potrzebny na każdą analizę, ale także grozi wysokimi wartościami ślepej próby i niepowtarzalnymi wynikami. ¹¹ W związku z tym w przypadku analiz metali śladowych niezbędna jest alternatywna strategia pracy dla wbudowanych technik SPE.

W 1993 roku Watts i Chehimi¹² odkryli, że jony metali mają tendencję do zatrzymywania materiałów polimerowych, a większość analitów jest efektywnie zatrzymywana na materiale polimerowym zawierającym chloro (Cl), poli(chlorku winylu) (PVC), z wyjątkiem jonów sodu. Dlatego w 2002 roku Eboatu i wsp.¹³ poinformowało również o sekwestracji niektórych toksycznych metali z roztworów przez PCW. Ponieważ wskazywało to, że materiały polimerowe zawierające Cl wykazują lepsze właściwości w zakresie wstępnego zatężania analitu i eliminacji matrycy solnej, urządzenia oparte na chipach z funkcją SPE zawierającej Cl uznano za atrakcyjną strategię rozwoju nowatorskiej techniki SPE na chipie do oznaczania jonów metali śladowych. Biorąc pod uwagę cechy materiału, takie jak łatwość wytwarzania, pożądane właściwości chemiczne/mechaniczne i przejrzystość ^{optyczna,14,15} w badaniu wykorzystano poli(metakrylan metylu) (PMMA) do wytworzenia mikrourządzenia. Następnie, funkcja SPE zawierająca Cl została wszczepiona do wyprodukowanego urządzenia w celu opracowania nowatorskiej techniki SPE na chipie do oznaczania jonów metali śladowych. ¹⁶

Co ciekawe, poleganie innowacyjnego mechanizmu ekstrakcji na oddziaływaniach dipol-jon pomiędzy wysoce elektroujemnymi cząstkami C-Cl we wnętrzu kanału a dodatnio naładowanymi jonami metali pozwala uniknąć działań podejmowanych podczas ogólnych procedur SPE na chipie, prowadząc do dramatycznego zmniejszenia zanieczyszczenia spowodowanego użyciem nadmiaru odczynników lub pracy przypisanej dodatkowym krokom. Protokół przedstawiony w tym artykule umożliwi naukowcom z różnych środowisk wytworzenie mikroczipa SPE wspomaganego dipolem na potrzeby swojej pracy. Opisano również szczegółowe procedury charakterystyki wyprodukowanego mikrochipa.

Protocol

Uwaga! Niektóre substancje chemiczne (np. akrylamid, 1,1'-dichloroeten) stosowane w tych procedurach są bardzo toksyczne i rakotwórcze. Przed użyciem należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS). Podczas wykonywania eksperymentów należy przestrzegać odpowiednich praktyk bezpieczeństwa.

Uwaga: O ile nie zaznaczono inaczej, wszystkie procedury należy wykonywać w temperaturze otoczenia w okapie o przepływie laminarnym klasy 100.

1. Produkcja mikroprocesora SPE wspomaganego dipolem

1. Przygotowanie mikroprocesora PMMA
   nuta: Protokół produkcji chipa był podobny do tego opisanego w innym miejscu. ⁸
   1. Narysuj wzorzec sieciowy układu scalonego (Rysunek 1(a)) za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) zgodnie z protokołem producenta.
   2. Zamontuj arkusz PMMA (350 mm (dł.) x 20 mm (szer.) x 2 mm (wys.)) na stole roboczym systemu mikroobróbki laserowej, a następnie ustaw źródło lasera na powierzchni arkusza PMMA.
   3. Wybierz opcję Drukuj w oprogramowaniu CAD, a następnie ustaw moc, szybkość i tryb pióra na 45% (4.5 W), 13% (99.06 mm s⁻¹) i VECT za pomocą panelu sterowania systemu mikroobróbki.
      nuta: Parametry takie jak moc, szybkość i tryb pióra wpływające na funkcje kanału zostały zbadane z wyprzedzeniem. Metoda oceny była podobna do tej zaproponowanej przez Yuana i Dasa. ¹⁷ Parametry wybrane w tym badaniu wykorzystano do obróbki odpowiedniego kanału do adaptacji do przewodów bez skomplikowanych celów akademickich. Ludzie mogą wybrać inny warunek do obróbki laserowej zgodnie ze swoimi potrzebami.
   4. Wydrukuj narysowany wzór, a następnie obrób arkusz PMMA za pomocą systemu mikroobróbki laserowej zgodnie z protokołem producenta. Rysunek 1(b) przedstawia układ wyprodukowanego mikrochipa. Rysunek 1(c) przedstawia fotografię przekroju poprzecznego obrabianej płyty.
      ostrożność! Podczas korzystania z systemu laserowego należy nosić okulary ochronne, aby uniknąć poważnych uszkodzeń oczu spowodowanych ekspozycją na promieniowanie laserowe. Zalecany jest odpowiedni układ wydechowy ze względu na wytwarzanie oparów/dymu podczas obróbki laserowej.
   5. Wywierć trzy otwory dostępowe o średnicy 1/16 cala dla wlotu próbki, wlotu bufora i wlotu eluentu na dolnej płycie oraz jeden dla zlewającego się wylotu na płycie pokrywy Rysunek 1(b).
      ostrożność! Unikaj kontaktu ciała z wiertłem podczas procedur obróbki, aby zapobiec obrażeniom fizycznym. Noszenie rękawiczek jest zabronione podczas wiercenia.
   6. Zanurzyć obrabiane płytki w 1 l 0,1% (w/v) roztworu dodecylosiarczanu sodu (SDS) w 1-litrowej zlewce z mieszaniem za pomocą oscylatora ultradźwiękowego na 10 minut.
   7. Zastąp roztwór SDS wodą dejonizowaną i mieszaj za pomocą oscylatora ultradźwiękowego przez 10 minut.
   8. Wymień resztki D. I._H2O na świeże, a następnie zanurz obrobione płytki w 1 l D. I._H2O z mieszaniem za pomocą oscylatora ultradźwiękowego na 10 minut. Następnie wysusz każdą oczyszczoną płytkę delikatnym strumieniem azotu przez 2 minuty.
   9. Wyrównaj dwie obrabiane płyty gołym okiem, a następnie umieść dwie płytki między dwiema szklanymi płytami za pomocą spinaczy do segregatorów.
   10. Połączyć obie płytki pod ciśnieniem w temperaturze 105 °C przez 30 minut.
   11. Schłodzić kanapkę do temperatury otoczenia, a następnie usunąć spinacze do segregatora i szklane deski.
   12. Włóż rurki z poli(eteroeteroketonu) (PEEK) o średnicy zewnętrznej 1/16 cala do otworów dostępowych, a następnie zabezpiecz przewody dwuskładnikowym klejem epoksydowym.
   13. Klej suszyć w temperaturze otoczenia przez 12 godzin.
2. Modyfikacja wnętrza kanału PMMA Microchip
   nuta: Poniższe informacje częściowo odnoszą się do opublikowanych procedur z niewielkimi modyfikacjami. ^8,18,19
   1. Dostarczyć nasycony roztwór wodorotlenku sodu (NaOH) o natężeniu przepływu 100 μl ^min-1 przez pompę perystaltyczną do mikroczipa przez 12 godzin (całkowita dostarczona objętość 72 ml).
   2. Usunąć pozostały roztwór, a następnie przepłukać wnętrze kanału środkiem D. I._H2O przy natężeniu przepływu 100 μl ^min-1 za pomocą pompy perystaltycznej przez 30 minut (3 ml całkowitej dostarczonej objętości).
   3. Usunąć resztki D. I._H2O, a następnie dostarczyć 0,5% (v/v) roztwór kwasu azotowego (HNO₃) do mikroczipa o natężeniu przepływu 100 μl ^min-1 za pomocą pompy perystaltycznej przez 30 minut (3 ml całkowitej dostarczonej objętości).
   4. Usuń pozostały roztwór, a następnie dostarcz 50% (w/v) roztwór akrylamidu do mikroczipa w ciemności przy natężeniu przepływu 100 μl ^min-1 przez pompę perystaltyczną przez 8 godzin (48 ml całkowitej dostarczonej objętości).
   5. Usunąć pozostały roztwór, a następnie przepłukać wnętrze kanału środkiem D. I._H2O przy natężeniu przepływu 100 μl ^min-1 za pomocą pompy perystaltycznej przez 30 minut (3 ml całkowitej dostarczonej objętości).
   6. Przepompuj powietrze, aby usunąć resztki DIH₂O za pomocą pompy perystaltycznej, a następnie przykryj mikroczip wbudowaną w siebie fotomaską, która pozwala na wystawienie żądanego obszaru kanału ekstrakcyjnego na działanie światła.
      nuta: Zbudowana przez nas fotomaska została wykonana z czarnego papieru (114 mm (dł.) x 22 mm (szer.)), który zawierał otwarte okienko (94 mm (dł.) x 2 mm (szer.)) umożliwiające naświetlenie żądanego obszaru kanału ekstrakcyjnego.
   7. Przygotowanie roztworu tworzącego SPE zawierającego Cl
      1. Przepłukać wkład SPE z usuwaniem inhibitorów etanolem w ilości co najmniej trzech objętości wkładu.
      2. Przed użyciem przepłukać wkład 1,1'-dichloroetenem w ilości co najmniej trzech objętości wkładu.
      3. Przepuścić 1 ml 1,1'-dichloroetenu przez poddane działaniu środka wkład, a następnie zebrać frakcję do fiolki z próbką (20 ml) owiniętej folią aluminiową.
      4. Dodać 491 μl 1,1'-dichloroetenu do roztworu zawierającego 12 mg 2,2'-azobisisobutyronitrylu (AIBN), 3,18 ml etanolu i 1,65 ml heksanów w szklanej butelce o pojemności 100 ml.
   8. Wypełnić kanał chipowy roztworem tworzącym SPE zawierającym Cl (około 200 μl) przez wstrzyknięcie strzykawki, a następnie wystawić mikroczip na działanie promieniowania ultrafioletowego (UV₃₆₅) o maksymalnej długości fali emisji 365 nm przez 10 minut (natężenie światła ~2,65 mW ^cm-2).
      ostrożność! Zalecany jest odpowiedni układ wydechowy, ze względu na wytwarzanie ozonu podczas naświetlania promieniowaniem UV.
   9. Zastąp pozostały roztwór świeżym roztworem tworzącym SPE zawierającym Cl (około 200 μl) przez wstrzyknięcie strzykawki, a następnie ponownie wystawij mikroczip na działanie promieniowania UV₃₆₅ przez 10 minut (natężenie światła ~2,65 mW ^cm-2).
   10. Powtórz krok 1.2.9 18 razy.
   11. Przepłukać wnętrze kanału etanolem o natężeniu przepływu 100 μl ^min-1 za pomocą pompy perystaltycznej przez 30 minut (3 ml całkowitej dostarczonej objętości). Po usunięciu pozostałego roztworu za pomocą pompy perystaltycznej, spreparowany mikroczip należy przechowywać w torbie zapinanej na zamek błyskawiczny do późniejszego użycia.

2. Weryfikacja powierzchni modyfikacji PMMA

1. Analiza kąta zwilżania
   1. Wyciąć arkusz PMMA (350 mm (dł.) x 20 mm (szer.) x 2 mm (wys)) na podłoża z PMMA (50 mm (dł.) x 20 mm (szer.) x 2 mm (wys.)) za pomocą systemu mikroobróbki laserowej.
   2. Zanurzyć podłoża PMMA w 40 ml nasyconego roztworu NaOH w 50-mililitrowej stożkowej probówce, a następnie mieszać powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 12 godzin.
   3. Usunąć pozostały roztwór, a następnie przepłukać podłoża PMMA 40 ml D. I. H₂O.
   4. Zanurzyć podłoża PMMA w 40 ml D. I._H2O, a następnie mieszać powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 30 minut.
   5. Usunąć resztki D. I._H2O. Zanurzyć podłoża PMMA w 40 ml 0,5% (v/v) roztworu HNO₃, a następnie mieszać powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 30 minut.
   6. Usuń pozostały roztwór. Zanurz podłoża PMMA w 40 ml 50% (w/v) roztworu akryloamidu, a następnie mieszaj powstałe mieszaniny za pomocą kołyszącego się wytrząsarki w ciemności przez 8 godzin.
   7. Usunąć pozostały roztwór, a następnie przepłukać podłoża PMMA 40 ml D. I. H₂O.
   8. Zanurzyć podłoża PMMA w 40 ml D.I.H2O, a następnie mieszać powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 30 minut.
   9. Usunąć resztki DIH₂O, a następnie wysuszyć każde podłoże PMMA delikatnym strumieniem azotu przez 2 minuty.
   10. Przygotowanie roztworu tworzącego SPE zawierającego Cl
       1. Przepłukać wkład SPE z usuwaniem inhibitorów etanolem w ilości co najmniej trzech objętości wkładu.
       2. Przed użyciem przepłukać wkład 1,1'-dichloroetenem w ilości co najmniej trzech objętości wkładu.
       3. Przepuścić 6 ml 1,1'-dichloroetenu przez poddane działaniu środka wkład, a następnie zebrać frakcję do fiolki z próbką (20 ml) owiniętej folią aluminiową.
       4. Dodać 4,91 ml 1,1'-dichloroetenu do roztworu zawierającego 120 mg AIBN, 31,8 ml etanolu i 16,5 ml heksanów w szklanej butelce o pojemności 100 ml.
   11. Na powierzchnie podłoży PMMA nanieść 2 ml roztworu tworzącego SPE zawierającego Cl, a następnie naświetlić podłoża promieniowaniem UV₃₆₅ przez 10 minut (natężenie światła ~2,65 mW ^cm-2).
       ostrożność! Zalecany jest odpowiedni układ wydechowy, ze względu na wytwarzanie ozonu podczas naświetlania promieniowaniem UV.
   12. Zastąp pozostały roztwór 2 ml świeżego roztworu tworzącego SPE zawierającego Cl, a następnie ponownie wystawij podłoża na działanie promieniowania UV₃₆₅ przez 10 minut (natężenie światła ~2,65 mW ^cm-2).
   13. Powtórz krok 2.1.12 18 razy.
   14. Usunąć pozostały roztwór, a następnie przepłukać podłoża PMMA 40 ml etanolu w stożkowej probówce o pojemności 50 ml.
   15. Usunąć pozostały roztwór, a następnie przepłukać podłoża PMMA 40 ml D. I. H₂O.
   16. Usunąć resztki DIH₂O, a następnie wysuszyć każde podłoże PMMA delikatnym strumieniem azotu przez 2 minuty.
   17. Upuść 5 μl D. I. H₂O na podłoża PMMA i określ kąt zwilżania za pomocą miernika kąta zwilżania zgodnie z protokołem producenta.
       nuta: Użyj średniej z trzech powtórzonych pomiarów, aby określić zgłoszone kąty zwilżania w każdym przypadku.
2. Ablacja laserowa (LA) - analiza spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MS)
   1. Zmiel 8 g kulek PMMA na proszki PMMA za pomocą moździerza i tłuczka.
   2. Zanurz proszki PMMA w 40 ml nasyconego roztworu NaOH w stożkowej probówce o pojemności 50 ml, a następnie mieszaj powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 12 godzin.
   3. Usunąć pozostały roztwór za pomocą pipety cyfrowej z końcówkami o pojemności 5 ml, a następnie przepłukać proszki PMMA 40 ml D. I. H₂O.
   4. Zanurzyć proszki PMMA w 40 ml D. I. H₂O, a następnie mieszać powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 30 minut.
   5. Usunąć pozostałości D. I._H2O. Zanurzyć proszki PMMA w 40 ml 0,5% (v/v) roztworu HNO₃, a następnie mieszać powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 30 minut.
   6. Usuń pozostały roztwór. Zanurz proszki PMMA w 40 ml 50% (w/v) roztworu akryloamidu, a następnie mieszaj powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej w ciemności przez 8 godzin.
   7. Usunąć pozostały roztwór, a następnie spłukać proszki PMMA 40 ml DIH₂O.
   8. Zanurzyć proszki PMMA w 40 ml D. I._H2O, a następnie mieszać powstałe mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 30 minut.
   9. Usuń pozostałości D. I._H2O, a następnie piecz proszki PMMA w temperaturze 60 °C przez 8 godzin.
   10. Przygotowanie roztworu tworzącego SPE zawierającego Cl
       1. Przepłukać wkład SPE z usuwaniem inhibitorów etanolem w ilości co najmniej trzech objętości wkładu.
       2. Przed użyciem przepłukać wkład 1,1'-dichloroetenem w ilości co najmniej trzech objętości wkładu.
       3. Przepuścić 16 ml 1,1'-dichloroetenu przez poddane działaniu środka wkład, a następnie zebrać frakcję do fiolki z próbką (20 ml) owiniętej folią aluminiową.
       4. Dodać 14,73 ml 1,1'-dichloroetenu do roztworu zawierającego 360 mg AIBN, 95,4 ml etanolu i 49,5 ml heksanów w szklanej butelce o pojemności 250 ml.
   11. Wymieszać proszki PMMA z 6 ml roztworu tworzącego SPE zawierającego Cl w stożkowej probówce o pojemności 50 ml i równomiernie przenieść 1 ml mieszaniny z probówki stożkowej do sześciu dołków 24-dołkowej płytki do hodowli tkankowej.
   12. Przykryj płytkę do hodowli tkankowej płytą PMMA, a następnie wystaw płytkę do hodowli tkankowej na promieniowanie UV₃₆₅ przez 10 minut (natężenie światła ~2,65 mW ^cm-2).
       ostrożność! Zalecany jest odpowiedni układ wydechowy, ze względu na wytwarzanie ozonu podczas naświetlania promieniowaniem UV.
   13. Zastąp pozostały roztwór 1 ml świeżego roztworu tworzącego SPE zawierającego Cl z każdej studzienki, a następnie ponownie wystawij płytkę do hodowli tkankowej na promieniowanie UV₃₆₅ przez 10 minut (natężenie światła ~ 2,65 mW ^cm-2).
   14. Powtórz krok 2.2.13 18 razy.
   15. Usuń pozostały roztwór, a następnie przepłucz proszki PMMA w każdym dołku 1 ml etanolu.
   16. Usunąć pozostały roztwór, a następnie spłukać proszki PMMA w każdym dołku za pomocą 1 ml D. I. H₂O.
   17. Usuń pozostałości D. I._H2O, a następnie piecz proszki PMMA w temperaturze 60 °C przez 8 godzin.
   18. Wysuszone proszki (1 g) należy sprasować na granulki za pomocą prasy hydraulicznej, a następnie zmierzyć sygnał dla Cl za pomocą systemu LA-ICP-MS.
       nuta: Jako wskaźnik dla wszczepionych ugrupowań C-Cl wybrano sygnał dla Cl przy m/z 35.
       Jako źródło ablacji użyto lasera o długości fali 193 nm. Energia, fluencja, rozmiar plamki i częstotliwość powtarzania zostały ustawione na 75%, 8,85 J ^cm-2, 100 μm i 5 Hz. Dla każdego wyniku wymagane było co najmniej 7 powtórzonych pomiarów. Procedury analityczne LA-ICP-MS odnoszą się do procedur opublikowanych w innym miejscu. ²⁰
3. Analiza spektroskopowa Ramana
   1. Wykonaj protokół od kroku 2.2.1 do kroku 2.2.17.
   2. Sprasować wysuszone proszki (1 g) na granulki za pomocą prasy hydraulicznej, a następnie pobrać widma za pomocą spektrometru Ramana.
      nuta: Jako źródło fotowzbudzenia należy użyć linii laserowej 780 nm o maksymalnej mocy lasera 100 mW. Użyj obszaru widma Ramana w zakresie od 550 do 900 ^cm-1, aby zbadać przyłączenie ugrupowań C-Cl do PMMA.

3. Charakterystyka reakcji SPE wspomaganej dipolem

1. Wykonaj protokół od kroku 2.2.1 do kroku 2.2.17.
2. Zanurzyć 0,5 g proszków PMMA w 5 ml 20% (w/v) roztworu czterowodnego azotanu manganu (Mn(NO₃)₂4H₂O), a następnie równomiernie wymieszać powstałe mieszaniny z 5 ml 40 mM roztworu buforowego maleinianu.
3. Dostosuj pH otrzymanych mieszanin do 8 za pomocą czystego roztworu HNO₃, a następnie mieszaj mieszaniny za pomocą wytrząsarki kołyszącej przez 1 godzinę.
4. Usuń pozostały roztwór, a następnie piecz proszki PMMA w temperaturze 60 °C przez 8 godzin. Przechowuj proszki w stożkowej probówce o pojemności 15 ml owiniętej folią aluminiową do analizy absorpcji promieniowania rentgenowskiego w pobliżu krawędzi (XANES).
   nuta: Widma Mn K-edge XANES zostały zebrane za pomocą linii badawczych 07A i 17C1 Narodowego Centrum Badań nad Promieniowaniem Synchrotronowym (NSRRC, Hsinchu, Tajwan). Pierścień akumulacyjny elektronów pracował z energią 1,5 GeV i prądem 100-200 mA. Monochromator podwójnych kryształów Si(111) został użyty do dostarczenia wysoce monochromatycznych wiązek fotonów o energii od 1 do 15 keV i zdolności rozdzielczej (E/ΔE) do 5000. Energia fotonów została skalibrowana według standardów Mn przy użyciu znanego punktu przegięcia absorpcji Mn K-edge na poziomie 6539,0 eV. Widma Mn K-edge XANES w zakresie od 6530 do 6570 eV wykorzystano do zbadania oddziaływań dipol-jon w celu scharakteryzowania proponowanej reakcji SPE.

Results

Rysunek 2 przedstawia reakcję, która zachodzi podczas procedur modyfikacji kanału mikroprocesora PMMA. Analizę kąta zwilżania wykorzystano do monitorowania zmian powierzchni podczas proponowanych procedur. System LA-ICP-MS i dyspersyjny spektrometr Ramana wykorzystano do sprawdzenia pomyślnej modyfikacji tworzenia się ugrupowań C-Cl na podłożu PMMA (Rysunek 3(a),(b)). Zaproponowaną reakcję SPE wspomaganą dipolem scharakteryzowano za pomocą analizy XANES (ryc. 4).

Rysunek 1. Mikroprocesor PMMA. a) Migawka pliku wzorca dla wyprodukowanego mikroprocesora. b) Układ wyprodukowanego mikroprocesora: S, E i B reprezentują porty wprowadzające odpowiednio dla roztworów próbki, eluentu i bufora; O oznacza punkt sprzedaży. Czarne kółko reprezentuje wywiercony otwór dostępowy dla każdego z nich. Kanały używane do wprowadzania roztworów próbek i roztworów buforowych tworzyły kąt 30° z kanałem ekstrakcyjnym. Długość efektywnego kanału ekstrakcyjnego, którą zdefiniowano jako odległość od punktu zbieżności przepływów roztworów próbki i roztworów buforowych do ujścia konfluentu, wynosiła 94 mm. c) Fotografia przekroju poprzecznego obrabianej płyty. Przedruk z Ref. 16 za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Schemat modyfikacji kanału dla mikroprocesora PMMA. Zdjęcia we wstawce pokazują kolejno kąt zwilżania odpowiadający otrzymanemu produktowi. Kąt zwilżania został określony na podstawie obrazu kropli wody. Do wyznaczenia zgłoszonych kątów zwilżania w każdym przypadku wykorzystano średnią z trzech powtórzonych pomiarów. Przedruk z Ref. 16 za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Weryfikacja powierzchni pod kątem modyfikacji PMMA. a) Sygnał dla Cl uzyskany przez ablację zarówno PMMA, jak i PMMA zmodyfikowanego częściami C-Cl. Wstawka pokazuje pozycje ablacji odpowiadające każdemu uzyskanemu sygnałowi. (b) Widma Ramana natywnego i modyfikowanego PMMA. Przedruk z Ref. 16 za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Widma Mn K-edge XANES modyfikowanego PMMA i modyfikowanego PMMA traktowanego jonami Mn²⁺. Widma zmodyfikowanego PMMA zostały przedstawione jako czerwona linia. Oddziaływania między wysoce elektroujemnymi ugrupowaniami C-Cl zmodyfikowanego PMMA a jonami Mn²⁺ wykazały, że widma absorpcyjne przedstawiono jako niebieską linię. Przedruk z Ref. 16 za zgodą The Royal Society of Chemistry. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

Szczegółowe procedury przygotowania mikroczipa SPE wspomaganego dipolem zostały przedstawione powyżej. W tej sekcji krok po kroku oceniono użyteczność protokołu modyfikacji w odniesieniu do implantacji ugrupowań C-Cl na PMMA oraz wykonalność PMMA zawierającego Cl, który został użyty jako pożywka ekstrakcyjna do oznaczania jonów metali śladowych. Do celów weryfikacji powierzchni typ próbki został wybrany na podstawie jej kompatybilności z oprzyrządowaniem analitycznym. Innymi słowy, rodzaje próbek testowych przygotowanych w podobnym procesie zostały określone zgodnie z wymaganiami dotyczącymi przyrządów analitycznych. Na przykład do pomiaru kąta zwilżania użyto próbki typu substratowego, natomiast do analiz LA-ICP-MS, spektroskopii Ramana i XANES użyto próbki typu proszkowego.

Początkowo, w celu monitorowania zmian, jakie zaszły w funkcjonowaniu chemicznym przyczepionym do powierzchni PMMA podczas proponowanych procedur, przeprowadzono analizę kąta zwilżania dla otrzymanego produktu odpowiadającego każdemu etapowi (rysunek 2). Jak pokazano na rysunku 2, zmiany kąta zwilżania wyraźnie wskazywały, że zmiany powierzchni wystąpiły podczas procedur modyfikacji, a kąt zwilżania 80,3° ± 0,43°, który został zmierzony dla produktu końcowego, był zgodny z wcześniej zgłoszonymi wynikami. ²¹

Ponadto za pomocą analizy LA-ICP-MS potwierdzono również istnienie ugrupowań C-Cl na zmodyfikowanym PMMA. W porównaniu z wynikami uzyskanymi przez ablację natywnego PMMA, wyraźne sygnały dla Cl zaobserwowano zgodnie z oczekiwaniami poprzez ablację PMMA zmodyfikowanego za pomocą ugrupowań C-Cl (Figura 3(a)).

Widma Ramana zebrano w celu dalszej walidacji przyłączenia ugrupowań C-Cl do PMMA. Jak pokazano na rysunku 3(b), dwa charakterystyczne piki związane z asymetrycznymi drganiami rozciągającymi CCl₂ zaobserwowano na 682 ^cm-1 i 718 ^cm-1 w widmie zmodyfikowanego PMMA i to w dość dobrej zgodności z wynikami zgłoszonymi przez Willisa i wsp.²² oraz Hendra i wsp.²³ Innymi słowy, przyłączenie części C-Cl do PMMA może zostać z powodzeniem osiągnięte po modyfikacji.

Ponadto, w celu wyjaśnienia mechanizmu ekstrakcji zaproponowanego w tym badaniu, zastosowano analizę XANES. Jak wskazano na rysunku 4, oddziaływania między wysoce elektroujemnymi ugrupowaniami C-Cl a dodatnio naładowanymi jonami metali można potwierdzić przez obecność dominującej krawędzi absorpcyjnej w widmie XANES odpowiadającej zmodyfikowanemu PMMA potraktowanemu jonami Mn²⁺ . W związku z tym oddziaływania dipol-elektrostatyka zostałyby rzeczywiście zastosowane do ekstrakcji na chipie w celu analizy metali śladowych. Szczegółowe wyniki analiz próbek wody pobranych z dwóch rzek na Tajwanie zostały opisane w innym miejscu. ¹⁶

Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, jest to pierwsza próba wykorzystania innowacyjnej strategii pracy w reakcji SPE na chipie do oznaczania jonów metali śladowych oraz że opracowane urządzenie było znacznie trwałe w porównaniu z innymi technikami SPE na chipie (tj. ponad 160 prac analitycznych można było wykonać bez znacznego pogorszenia wydajności ekstrakcji). Niemniej jednak, ponieważ taki mechanizm ekstrakcji opierał się głównie na oddziaływaniach między wysoce elektroujemnymi cząstkami C-Cl a dodatnio naładowanymi jonami metali, oczekiwano, że proponowana technika nie będzie do tej pory odpowiednia do ekstrakcji ujemnie naładowanych gatunków.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD Autodesk		N/A	http://www.autodesk.com/education/free-software/autocad
Arkusz z poli(metakrylanu metylu) (PMMA)	Kun Quan Engineering Plastics	N/A	350 mm (dł.) x 20 mm (szer.) x 2 mm (wys.). Temperatura zeszklenia (Tg) arkuszy PMMA waha się od 102– 110 stopni Celsjusza. Przepuszczalność promieniowania UV PMMA przy 365 nm wynosi 91,2%.
System do mikroobróbki	Laser Life	LES-10	Maksymalna moc lasera: 10 W. Maksymalna prędkość grawerowania: 762 mm sek− 1.
Mikroskop optyczny o wysokiej rozdzielczości	Ching Hsing Computer-Tech	FS-230
System analizy obrazu mocy (PIA)	Ching Hsing Computer-Tech	PIA V16.1
Wiertnice wielofunkcyjne	N/A	LT-848
Woda dejonizowana (DI H2O)	Millipore	Milli-Q Integral 5 System
Dodecylosiarczan sodu (SDS)	J. T. Baker	4095-04
Oscylator ultradźwiękowy	Elma	Transsonic Digital
Tablica szklana	N/A	N/D	160 mm (dł.) x 35 mm (szer.) x 2 mm (wys.); kruchy
Spinacz do segregatora	SDI	0234T-1	http://stationery.sdi.com.tw/product_detail.php?Key=322&cID=55&uID=6
Piekarnik precyzyjny	Yeong Shin	DK-45
Rurka z poli(eteroeteroketonu) (PEEK)	VICI	JR-T-6002 (średnica wewnętrzna 0,5 mm); JR-T-6001 (średnica wewnętrzna 0,25 mm)
Rurki polimerowe  obcinak	Upchurch Scientific	A-327
Dwuskładnikowy klej na bazie żywicy epoksydowej	Richwang	N/A	Działa drażniąco na skórę. Głównymi składnikami są żywica epoksydowa i utwardzacz.
Pompa perystaltyczna	Gilson	Minipuls 3
Rurka perystaltyczna	Gilson	F117934
Wodorotlenek sodu (NaOH)	Sigma– Aldrich	30620
Kwas azotowy (HNO3)	J. T. Baker	959834
Akrylamid (prop-2-enamid, C3H5NO)	Sigma– Aldrich	A8887	Silnie toksyczny i rakotwórczy
Własna fotomaska	NIE DOTYCZY		Wewnętrzna fotomaska została wykonana z czarnego papieru (114 mm (L) i razy 22 mm (W)), który zawierał otwarte okienko (94 mm (L) i razy 2 mm (W)) pozwalające na pożądany obszar
1,1-Dichloroethyle	Sigma– Aldrich	163032	Silnie toksyczny i rakotwórczy
wkład	Dikma	ProElut AL-B
2,2-Azobisisobutyronitryl (AIBN, C8H12N4)	Showa Chemical	0159-2130
Etanol	Sigma– Aldrich	32221
Heksany (C6H14)	Millinckrodt Chemical	5189-08
Wbudowany system naświetlania	Świetne oświetlenie (lampa UV-A)	Nie dotyczy	Nieprzezroczyste pudełko z lampą UV-A (40 W, maksymalna emisja przy 365 nm)
Szklana fiolka	Yeong Shin	132300019	Krucha
folia aluminiowa	Diament	Nie dotyczy
Rurki stożkowe z nakrętkami	labcon	3181-345-008 (50 mL); 3131-345-008 (15 mL)
Wytrząsarka wahadłowa	TKS	RS-01
Miernik kąta zwilżania	First Ten Angstrems	FTA 125
Koralik PMMA	Scientific Polymer Products	037A
Moździerz i tłuczek, agat	Yeong Shin	139000004	Delikatna
płytka do hodowli tkanek	AdvanGene Life Science Plasticware	AGC-CP-24S-50EA	24-Well, niepoddana obróbce, sterylizowana
Prasa hydrauliczna	Panchum	Press-200
Ablacja laserowa	New Wave Research	NWR193
Spektrometr masowy z plazmą sprzężoną indukcyjnie	Agilent Technologies	Agilent 7500a
Szklana butelka	DURAN	21801245 (100 mL); 21801365 (250 mL)
Dyspersyjny spektrometr Ramana	Thermo Fisher Scientific	Nicolet Almega XR
Tetrahydrat azotanu manganu (Mn(NO3)2&razy; 4H2O)	Sigma– Aldrich	63547
Sól disodowa kwasu maleinowego hydrat (C4H4Na2O5)	Sigma– Absorpcja	M9009
pobliżu struktury krawędzi (XANES)	Analizy		Mn K-edge XANES przeprowadzono na liniach badawczych 07A i 17C1 Narodowego Centrum Badań nad Promieniowaniem Synchrotronowym (NSRRC) na Tajwanie.