تلفيق من ساعد ثنائي القطب-الصلبة المرحلة استخراج رقاقة لتتبع تحليل المعادن في عينات المياه
Summary
The fabrication protocol of a dipole-assisted solid phase extraction microchip for the trace metal analysis is presented.
Abstract
وتصف هذه الورقة بروتوكول لتصنيع الرقائق الدقيقة بمساعدة ثنائي القطب استخراج المرحلة الصلبة (SPE) المتاحة للتحليل المعادن النزرة في عينات المياه. وتقدم لمحة موجزة عن تطور تقنيات SPE القائم على رقاقة. ويلي ذلك مقدمة لمواد البوليمرية محددة ودورها في جمعية مهندسي البترول. لتطوير تقنية مبتكرة SPE بمساعدة ثنائي القطب، تم زرعها على الكلور (الكلور) المحتوية على وظيفة SPE إلى بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) رقاقة. هنا، تم توظيف التقنيات التحليلية المختلفة بما في ذلك تحليل زاوية الاتصال، والتحليل الطيفي رامان، والليزر الاجتثاث-بالحث جانب مطياف البلازما الشامل (LA-ICP-MS) التحليل للتحقق من صحة فائدة بروتوكول غرس الأنصاف C-الكلورين على PMMA. النتائج التحليلية للهيكل امتصاص الأشعة السينية قرب الحافة أظهرت (XANES) التحليل أيضا جدوى PMMA الكلور التي تحتوي على استخدامها كوسيط استخراج بحكم dipole-التفاعلات أيون بين كهربية عالية الأنصاف C-Cl و ايونات المعادن موجبة الشحنة.
Introduction
من وجهة نظر إدارة البيئة ومنع التلوث والمعادن النزرة التي تسبب تلوثا خطيرا أو مشاكل السمية هي قلق في جميع أنحاء العالم. ملائم على رقاقة تقنية عينة المعالجة وقد قبلت على نطاق واسع على أنها مفتاح النجاح في معالجة وتحليل عينات الفعلية عبر المنصات المرتكزة إلى شرائح، لأن الأنواع الكيميائية الموجودة المشترك غير متوقعة في عينات الخام غالبا ما تعيق تحديد دقيق في التحاليل الحالية في آثار كميات 1 من بين التقنيات المتاحة، على رقاقة استخراج المرحلة الصلبة (SPE) فهو يحظى بشعبية خاصة لتحليل المعادن النزرة، لأن هذه التقنية تسمح تنظيف عينة وpreconcentration الحليلة التي يتعين القيام بها في وقت واحد مفيد للغاية لعزل أيونات معدنية من المصفوفات الملح معقدة. 2،3
النهوض تقنيات SPE على الرقاقة المستخدمة لتحديد المعادن النزرة قد تتطور باطراد. في الأيام الأولى، رانه SPE تم عن طريق تحميل راتنجات المتاحة تجاريا في و microchannels لبناء وحدات SPE معبأة الراتنج إعداد رقائق 4-7 وهذا يتطلب في بعض الأحيان الحليلة أن derivatized لتمكين التحول من ايونات المعادن في أشكال الراتنج retainable 4 طريقة بديلة لإعداد أجهزة SPE القائم على رقاقة هو الاستفادة من قناة رقاقة باعتبارها الماصة SPE لجمع المعادن النزرة بعد تعديل سطح بسيط. وقد شهدت 8 سنوات الأخيرة اتجاها الناشئة التي تشمل إدماج النانوية المغناطيسية (MNPs) ومواد كيميائية محددة التي تحتوي على المجموعات الوظيفية قادرة على الاحتفاظ الفعال للايونات المعادن. وعلى النقيض من راتنجات التجارية، يتم تعديل MNPs مع مركبات مثل γ-mercaptopropyltrimethoxysilane (γ-MPTS) 9 و aminobenzyl ثنائي أمين الإيثيلين رباعي حمض الخل (ABEDTA) 10 وبعد ذلك كانت معبأة في و microchannels مع المعونة من تي المجال المغناطيسي الخارجيس تحقيق الاستخراج الانتقائي للأيونات المعادن.
وعلى الرغم من شهد تقدما كبيرا في تطوير تقنيات SPE على الرقاقة، وتقنيات ذكرت عادة وظيفة على أساس إما التبادل الأيوني أو عملية إزالة معدن ثقيل. استخدام تقنيات مثل هذه ديه عيب تتطلب الإجراءات التنفيذية التي لا يمكن تجنبها، بما في ذلك تلك التي ترتبط مع تكييف والغسيل، أو تجديد، للحفاظ على الأداء التحليلي. وللأسف، فإن الحاجة إلى إجراءات تشغيلية إضافية لا يمتد الوقت اللازم لكل تحليل المخاطر ولكن أيضا يسبب قيم فارغة عالية والنتائج irreproducible. 11 لذلك، بديلا استراتيجية العمل لتقنيات SPE على رقاقة أمر لا بد منه لتحاليل المعادن النزرة.
في عام 1993، وجدت واتس وChehimi 12 أن الأيونات المعدنية لديهم ميل نحو الاحتفاظ المواد البوليمرية، وأن معظم التحاليل الاحتفاظ بكفاءة على كلورو (الكلور) -containiنانوغرام المواد البوليمرية، وبولي كلوريد الفينيل (PVC) فيما عدا أيونات الصوديوم. لذلك، في عام 2002، Eboatu وآخرون. 13 ذكر كذلك على امتصاص بعض المعادن السامة من الحلول البلاستيكية. لأن هذا إلى أن الكلور التي تحتوي على المواد البوليمرية عرضت خصائص متفوقة لpreconcentration تحليلها والملح القضاء مصفوفة، واعتبرت الأجهزة المستندة إلى رقاقة مع تحتوي على الكلورين، وظائف SPE استراتيجية جذابة لتطوير تقنية SPE الرواية على رقاقة لتحديد من تتبع ايونات المعادن. وبالنظر إلى المزايا المادية، مثل سهولة التصنيع والمواد الكيميائية المطلوبة / الخواص الميكانيكية، والوضوح البصري، اتخذت 14،15 هذه الدراسة الاستفادة من بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) لافتعال microdevice. ثم، كان مزروع وظائف SPE الكلور التي تحتوي على في الجهاز ملفقة لتطوير رواية تقنية SPE على رقاقة لتحديد أيونات المعادن النزرة 16
Remarkably، واعتماد آلية استخراج مبتكرة على التفاعلات ثنائي القطب أيون بين كهربية عالية الأنصاف C-الكلورين في القناة الداخلية وايونات المعادن موجبة يجعل من الممكن تجنب التدابير المتخذة خلال الإجراءات SPE العامة على الرقاقة، مما يؤدي إلى انخفاض هائل من أي تلوث الناجم عن استخدام المواد الكيميائية الزائدة أو العمل منسوبة إلى خطوات إضافية. والبروتوكول المقدمة في هذه المساهمة تمكين الباحثين من خلفيات متنوعة لافتعال رقاقة SPE بمساعدة ثنائي القطب لعملهم. ووصف الإجراءات توصيف مفصل للرقاقة ملفقة أيضا.
Protocol
Representative Results
Discussion
وعرضت الإجراءات التفصيلية لإعداد SPE رقاقة بمساعدة ثنائي القطب أعلاه. في هذا القسم، وفائدة بروتوكول تعديل فيما يتعلق غرس الأنصاف C-الكلورين على PMMA وجدوى PMMA الكلور التي تحتوي على، والذي تم استخدامه كوسيط استخراج لتحديد أيونات المعادن النزرة، هي تقييم خطوة بخطوة. لغرض التحقق من السطح، وقد تم اختيار نوع العينة على أساس مدى توافقه مع الأجهزة التحليلية. وبعبارة أخرى، تم تحديد أنواع من عينات الاختبار أعدت من خلال عملية مماثلة وفقا لمتطلبات الأدوات التحليلية. على سبيل المثال، تم استخدام عينة الركيزة من نوع لقياس زاوية الاتصال، في حين تم استخدام عينة مسحوق التعبئة من نوع لالطيفية LA-ICP-MS، رامان، وتحليل XANES.
في البداية، لمراقبة التغيير التي يمر بها الملحق ظائف الكيميائيةد على سطح PMMA خلال الإجراءات المقترحة، تحليل زاوية الاتصال للمنتج مما أدى الموافق أجريت كل خطوة من (الشكل 2). كما هو معروض في الشكل 2، أشار الاختلافات في زاوية الاتصال بشكل واضح أن التغييرات السطحية وقعت خلال إجراءات التعديل، وزاوية الاتصال من 80.3 ° ± 0.43 ° أن تم قياس للمنتج النهائي كان في اتفاق مع ذكر سابقا النتائج. 21
وبالإضافة إلى ذلك، تم تأكيد وجود الأنصاف C-الكلورين على PMMA المعدلة أيضا عن طريق تحليل LA-ICP-MS. مقارنة مع النتائج التي حصل عليها ablating وPMMA الأصلي، لوحظت اشارات مميزة لالكلورين expectably التي كتبها ablating وPMMA تعديل مع الأنصاف C-الكلورين (الشكل 3 (أ)).
تم جمع أطياف رامان لمزيد من التحقق من صحة مرفق من الأنصاف C-الكلورين إلى PMMA. كما هو مبين في فيقوإعادة 3 (ب)، لوحظ قمتين المميزة المرتبطة جنة علم المناخ 2 غير المتماثلة الاهتزاز تمتد على 682 سم -1 و 718 سم -1 في الطيف من PMMA تعديل وهذا الاتفاق بحسن معقول مع النتائج المعلنة من قبل ويليس وآخرون 22 وهيندرا وآخرون. 23 وبعبارة أخرى، فإن مرفق من الأنصاف C-الكلورين إلى PMMA يمكن أن يتحقق بنجاح بعد التعديل.
وعلاوة على ذلك، لتوضيح آلية استخراج المقترحة في هذه الدراسة، كان يعمل على تحليل XANES. كما هو مبين في الشكل (4)، يمكن تأكيد التفاعلات بين كهربية عالية الأنصاف C-Cl و ايونات المعادن موجبة الشحنة من خلال وجود حافة امتصاص المهيمنة في الطيف XANES المقابلة لPMMA تعديل تعامل مع المنغنيز 2+ الأيونات. وهكذا، فإن التفاعلات ثنائي القطب الكهربائي سيتم بالفعل تطبيقها على على رقاقة لاستخراج طن تبريديحلل الآس المعادن. وقد وصفت نتائج تحليلية مفصلة لعينات المياه التي تم جمعها من نهرين في تايوان في أماكن أخرى. 16
إلى علمنا، وهذا هو أول محاولة للاستفادة من استراتيجية العمل المبتكرة في رد فعل SPE على رقاقة لتحديد أيونات المعادن النزرة، وأن الجهاز المتقدمة كان دائم بشكل ملحوظ مقارنة مع غيرها من التقنيات SPE رقاقة على (أي ، ويمكن تحقيق أكثر من 160 الأعمال التحليلية دون تدهور كبير من حيث كفاءة الاستخراج). على الرغم من ذلك، لأن آلية استخراج هذا وقد اعتمدت بشكل رئيسي على التفاعلات بين كهربية عالية الأنصاف C-Cl و ايونات المعادن موجبة الشحنة، وكان من المتوقع أن تكون غير ملائمة لاستخراج الأنواع سالبة الشحنة حتى الآن التقنية المقترحة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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. |
References
- De Mello, A. J., Beard, N. Dealing with ‘real’ samples: sample pre-treatment in microfluidic systems. Lab Chip. 3 (1), 11-19 (2003).
- Lichtenberg, J., de Rooij, N. F., Verpoorte, E. Sample pretreatment on microfabricated devices. Talanta. 56 (2), 233-266 (2002).
- Song, S., Singh, A. K. On-chip sample preconcentration for integrated microfluidic analysis. Anal. Bioanal. Chem. 384 (1), 41-43 (2006).
- Lafleur, J. P., Salin, E. D. Pre-concentration of trace metals on centrifugal microfluidic discs with direct determination by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. J. Anal. At. Spectrom. 24 (11), 1511-1516 (2009).
- Xue, S., Liu, Y., Li, H. -. F., Uchiyama, K., Lin, J. -. M. A microscale solid-phase extraction poly(dimethylsiloxane) chip for enrichment and fluorescent detection of metal ions. Talanta. 116, 1005-1009 (2013).
- Khoai, D. V., Kitano, A., Yamamoto, T., Ukita, Y., Takamura, Y. Development of high sensitive liquid electrode plasma-Atomic emission spectrometry (LEP-AES) integrated with solid phase pre-concentration. Microelectron. Eng. 111, 343-347 (2013).
- Khoai, D. V., Yamamoto, T., Ukita, Y., Takamura, Y. On-chip solid phase extraction-liquid electrode plasma atomic emission spectrometry for detection of trace lead. Jpn. J. Appl. Phys. 53 (5S1), 1-5 (2014).
- Shih, T. -. T., Chen, W. -. Y., Sun, Y. -. C. Open-channel chip-based solid-phase extraction combined with inductively coupled plasma-mass spectrometry for online determination of trace elements in volume-limited saline samples. J. Chromatogr. A. 1218 (16), 2342-2348 (2011).
- Chen, B., et al. Magnetic solid phase microextraction on a microchip combined with electrothermal vaporization-inductively coupled plasma mass spectrometry for determination of Cd, Hg and Pb in cells. J. Anal. At. Spectrom. 25 (12), 1931-1938 (2010).
- Kim, Y. H., Kim, G. Y., Lim, H. B. Micro Pre-concentration and Separation of Metal Ions Using Microchip Column Packed with Magnetic Particles Immobilized by Aminobenzyl Ethylenediaminetetraacetic Acid. Bull. Korean Chem. Soc. 31 (4), 905-909 (2010).
- Strabburg, S., Wollenweber, D., Wunsch, G. Contamination caused by ion-exchange resin!? Consequences for ultra-trace analysis. Fresenius J. Anal. Chem. 360 (7-8), 792-794 (1998).
- Watts, J. F., Chehimi, M. M. X-ray Photoelectron Spectroscopy Investigations of Acid-Base Interactions in Adhesion. J. Adhes. 41 (1-4), 81-91 (1993).
- Eboatu, A. N., Diete-Spiff, S. T., Ezenweke, L. O., Omalu, F. The Use of Polymers as Sequestering Agents for Toxic Metal Ions. J. Appl. Polym. Sci. 85 (13), 2781-2786 (2002).
- Fiorini, G. S., Chiu, D. T. Disposable microfluidic devices: fabrication, function, and application. Biotechniques. 38 (3), 429-446 (2005).
- Shadpour, H., Musyimi, H., Chen, J., Soper, S. A. Physiochemical properties of various polymer substrates and their effects on microchip electrophoresis performance. J. Chromatogr. A. 1111 (2), 238-251 (2006).
- Shih, T. -. T., et al. A dipole-assisted solid-phase extraction microchip combined with inductively coupled plasma-mass spectrometry for online determination of trace heavy metals in natural water. Analyst. 140 (2), 600-608 (2015).
- Yuan, D., Das, S. Experimental and theoretical analysis of direct-write laser micromachining of polymethyl methacrylate by CO2 laser ablation. J. Appl. Phys. 101 (2), 1-6 (2007).
- Xie, S., Svec, F., Frechet, J. M. J. Preparation of Porous Hydrophilic Monoliths: Effect of the Polymerization Conditions on the Porous Properties of Poly(acrylamide-co-N,N’-methylenebisacrylamide) Monolithic Rods. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 35 (6), 1013-1021 (1997).
- Ericson, C., Liao, J. -. L., Nakazato, K., Hjerten, S. Preparation of continuous beds for electrochromatography and reversed-phase liquid chromatography of low-molecular-mass compounds. J. Chromatogr. A. 767 (1-2), 33-41 (1997).
- Shih, T. -. T., Lin, C. -. H., Hsu, I. -. H., Chen, J. -. Y., Sun, Y. -. C. Development of a Titanium Dioxide-Coated Microfluidic-Based Photocatalyst-Assisted Reduction Device to Couple High-Performance Liquid Chromatography with Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry for Determination of Inorganic Selenium Species. Anal. Chem. 85 (21), 10091-10098 (2013).
- Carre, A. Polar interactions at liquid/polymer interfaces. J. Adhes. Sci. Technol. 21 (10), 961-981 (2007).
- Willis, H. A., Zichy, V. J. I., Hendra, P. J. The Laser-Raman and Infra-red Spectra of Poly(Methyl Methacrylate). Polymer. 10, 737-746 (1969).
- Hendra, P. J., Mwkenzie, J. R., Holliday, P. The laser-Raman spectrum of polyvinylidene chloride. Spectroc. Acta Pt. A-Molec. Biomolec. Spectr. 25 (8), 1349-1354 (1969).
