The fabrication protocol of a dipole-assisted solid phase extraction microchip for the trace metal analysis is presented.
Dette papir beskriver en fabrikation protokol for en dipol-assisteret fast fase ekstraktion (SPE) mikrochip til rådighed for sporstofanalyse i vandprøver. En kort oversigt over udviklingen i chip-baserede SPE teknikker til rådighed. Dette efterfølges af en introduktion til specifikke polymere materialer og deres rolle i SPE. At udvikle en innovativ dipol-assisteret SPE teknik blev en chlor (Cl) -holdige SPE funktionalitet implanteres i et poly (methylmethacrylat) (PMMA) mikrochip. Heri, blev forskellige analyseteknikker, herunder kontaktvinkel analyse, Raman spektroskopisk analyse, og laser ablation-induktivt koblet plasma-massespektrometri (LA-ICP-MS) analyse anvendes til at validere nytten af implantation protokollen af C-Cl-dele på PMMA. Analyseresultaterne for X-ray absorption nær-kant struktur (XANES) analyse viste også gennemførligheden af den Cl-holdige PMMA anvendes som et ekstraktionsmedium i kraft af dipole-ion interaktioner mellem de stærkt elektronegative C-Cl-dele og de positivt ladede metalioner.
Fra synspunkter miljøledelse og forebyggelse forurening, spormetaller som forårsager alvorlig forurening eller toksikologiske problemer er en verdensomspændende bekymring. En passende on-chip prøve forbehandling teknik er blevet bredt accepteret som nøglen til succes i behandling og analyse af faktiske prøver via chip-baserede platforme, fordi uventede co-eksisterende kemiske stoffer i rå prøver ofte hæmmer nøjagtig bestemmelse af analytter til stede i spor mængder . 1 Blandt de tilgængelige teknikker, on-chip fast fase ekstraktion (SPE) er især populær for spor metal analyser, fordi denne teknik tillader prøve oprydning og analyt preconcentration skal udføres samtidigt er meget nyttig til isolering af metalioner fra komplicerede salt matricer. 2,3
Udviklingen af on-chip SPE teknikker, der anvendes til bestemmelse af spormetaller har været støt udvikling. I de tidlige dage, than SPE chips blev fremstillet ved at indlæse kommercielt tilgængelige harpikser i mikrokanalerne at konstruere harpiks-packed SPE enheder. 4-7 Dette lejlighedsvis kræves analytten, som skal derivatiseres for at muliggøre omdannelsen af metalioner i harpiks-kan fastholdes former. 4 En alternativ fremgangsmåde for udarbejdelsen af chip-baserede SPE enheder er at udnytte chippen kanal som en SPE sorbent for indsamling af spormetaller efter simpel overfladebehandling. 8 de seneste år været en begyndende tendens involverer inkorporering af magnetiske nanopartikler (MNP'er) og specifikke kemikalier der indeholder funktionelle grupper, der kan effektiv tilbageholdelse af metalioner. I modsætning til kommercielle resiner er de MNP'er modificeret med forbindelser, såsom γ-mercaptopropyltrimethoxysilan (γ-MPTS) 9 og aminobenzyl ethylendiamintetraeddikesyre (ABEDTA) 10, hvorefter de pakkes ind mikrokanalerne ved hjælp af et ydre magnetfelt to opnå den selektive ekstraktion af metalioner.
Selv betydelige fremskridt i udviklingen af on-chip SPE teknikker er blevet vidne til, typisk de rapporterede teknikker funktion baseret på enten ionbytning eller chelatering. Anvendelsen af teknikker som disse har den ulempe, at den kræver uundgåelige operationelle procedurer, herunder sådanne associeret med konditionering, vaskning, eller regeneration, for at opretholde den analytiske præstation. Desværre, der er behov for yderligere operationelle procedurer ikke blot forlænger den tid, der kræves for hver analyse, men også risici forårsager høje tomme værdier og reproducerbare resultater. 11 Derfor, en alternativ arbejder strategi for on-chip SPE teknikker er afgørende for spor metal analyser.
I 1993 Watts og Chehimi 12 syntes, at metalioner har en fastholdelse tendens til polymere materialer, og at de fleste af analytter effektivt tilbageholdt på en chlor (Cl) -containing polymere materiale, poly (vinylchlorid) (PVC) bortset natriumioner. Derfor, i 2002, Eboatu et al. 13 rapporterede videre på beslaglæggelse af nogle giftige metal fra løsninger ved PVC. Fordi dette indikerede, at Cl-holdige polymere materialer udviste overlegne egenskaber for analyt preconcentration og salt matrix elimination blev chip-baserede enheder med Cl-holdige SPE funktionalitet som en attraktiv strategi for udvikling af et hidtil ukendt on-chip SPE teknik til bestemmelse af spore metalioner. Overvejer materiale funktioner, såsom let fabrikation, ønskede kemiske / mekaniske egenskaber, og optisk klarhed, 14,15 undersøgelsen udnyttede poly (methylmethacrylat) (PMMA) til at fabrikere en microdevice. Derefter blev Cl-holdige SPE funktionalitet implanteret i fremstillede indretning til udvikling af en hidtil ukendt on-chip SPE teknik til bestemmelse af spormetalioner. 16
Remarkably, afhængigheden af den innovative udvinding mekanisme på dipol-ion interaktioner mellem de stærkt elektronegative C-Cl dele i kanalen indre og det positivt ladede metalioner gør det muligt at undgå truffet under generelle SPE procedurer on-chip, der fører til en dramatisk reduktion af enten forurening forårsaget af brugen af overskydende reagenser eller arbejdskraft tilskrives yderligere trin. Protokollen forudsat i dette bidrag vil gøre det muligt forskere fra forskellige baggrunde til at fabrikere dipol-assisteret SPE mikrochip for deres arbejde. Detaljeret karakterisering procedurer for fremstillede mikrochip beskrives også.
De detaljerede procedurer for udarbejdelse af en dipol-assisteret SPE mikrochip blev præsenteret ovenfor. I dette afsnit anvendeligheden af modifikationen protokol med hensyn til implantering af C-Cl-dele på PMMA og gennemførligheden af Cl-holdige PMMA, der blev anvendt som et ekstraktionsmedium til bestemmelse af spormetalioner, er evalueret trin-for-trin. For overfladevand kontrolformål, blev prøven, der er valgt på baggrund af dens forenelighed med analytisk instrumentering. Med andre ord blev de typer af testprøver fremstillet via en lignende proces bestemmes i overensstemmelse med kravene i de analytiske instrumenter. For eksempel blev et substrat-typen prøve anvendes til måling af kontaktvinklen, hvorimod et pulver-pakning-typen prøve blev anvendt til LA-ICP-MS, Raman spektroskopisk, og XANES analyser.
I første omgang, at overvåge ændringen gennemgået af kemiske funktionaliteter attachéd til overfladen af PMMA under de foreslåede procedurer, en kontaktvinkel analyse for det resulterende produkt svarende til hvert trin blev udført (figur 2). Som vist i figur 2, variationerne i kontakt vinkel klart tilkendegivet, at overfladen ændringer skete der i modifikation procedurer, og kontakten vinkel på 80,3 ° ± 0,43 °, der blev målt for det endelige produkt var i overensstemmelse med tidligere rapporterede resultater. 21
Desuden blev tilstedeværelsen af C-Cl-dele på den modificerede PMMA også bekræftet via LA-ICP-MS-analyse. Sammenlignet med resultaterne opnået ved ablation det native PMMA blev distinkte signaler for Cl observeret expectably ved ablation af PMMA modificeret med C-Cl-dele (figur 3 (a)).
Raman-spektre blev opsamlet til yderligere validering fastgørelsen af C-Cl-dele til PMMA. Som vist i Figure 3 (b) blev to karakteristiske toppe forbundet med CCL 2 asymmetriske stræksvingningsområde observeret ved 682 cm-1 og 718 cm-1 i spektret af den modificerede PMMA og at der i rimelig god overensstemmelse med resultaterne rapporteret af Willis et al . 22 og Hendra et al. 23 med andre ord kunne fastgørelsen af C-Cl-dele til PMMA held opnået efter modifikation.
Desuden at afklare udvinding mekanisme foreslås i denne undersøgelse blev XANES analyse anvendt. Som angivet i figur 4, kan samspillet mellem de meget elektronegative C-Cl-dele og de positivt ladede metalioner bekræftes ved tilstedeværelsen af den dominerende absorption kant i XANES spektrum, der svarer til den modificerede PMMA behandlet med Mn2 + -ioner. Således vil de dipol-elektrostatiske interaktioner faktisk anvendes til on-chip udtræk til trace metal analyser. De detaljerede analyseresultater for vandprøver indsamlet fra to floder i Taiwan er blevet beskrevet andetsteds. 16
Så vidt vi ved, er dette den første forsøg på at udnytte en innovativ arbejdsmiljø strategi i on-chip SPE reaktion til bestemmelse af spor metalioner, og at den udviklede enhed var signifikant slidstærk sammenlignet med andre on-chip SPE teknikker (dvs. kunne mere end 160 analytiske værker opnås uden væsentlig forringelse i forhold til udvinding effektivitet). Ikke desto mindre, fordi en sådan udvinding mekanisme hovedsageligt blev påberåbt samspillet mellem de meget elektronegative C-Cl-dele og de positivt ladede metalioner, blev den foreslåede teknik forventes at være uegnet til udvinding af de negativt ladede arter hidtil.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to convey their gratitude for the technical support provided by National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) (Taiwan). The authors are grateful for the financial support provided by the Ministry of Science and Technology of the Republic of China (Taiwan) and the Industrial Technology Research Institute (Taiwan).
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 s−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. |