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Bioengineering

Die Herstellung einer Dipole-unterstützte Festphasenextraktion Microchip für die Spurenanalyse in Wasserproben

Published: August 07, 2016
doi:
10.3791/53500
, , , , , , ,
1Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences,National Tsing Hua University, 2Center for Measurement Standards,Industrial Technology Research Institute, 3National Synchrotron Radiation Research Center, 4Department of Chemistry,National Changhua University of Education

Summary

The fabrication protocol of a dipole-assisted solid phase extraction microchip for the trace metal analysis is presented.

Abstract

Dieses Dokument beschreibt ein Herstellungsprotokoll für eine Dipol-unterstützte Festphasenextraktion (SPE) Mikrochip für die Spurenmetallanalyse in Wasserproben zur Verfügung. Ein kurzer Überblick über die Entwicklung der Chip-basierten SPE Techniken bereitgestellt. Dies wird durch eine Einführung für bestimmte Polymermaterialien und ihre Rolle in SPE gefolgt. Um eine innovative Dipol-assisted SPE-Technik zu entwickeln, ein Chlor (Cl) -haltigen SPE-Funktionalität wurde in eine Poly (methylmethacrylat) (PMMA) Mikrochip implantiert. Hierin diverse Analysetechniken einschließlich Kontaktwinkelanalyse, Raman-Spektroskopie-Analyse und Laserablation-induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) -Analyse wurde verwendet, um die Nützlichkeit des Implantationsprotokoll der C-Cl-Gruppen auf dem zu validieren PMMA. Die analytischen Ergebnisse der Röntgenabsorptionsnahen Randstruktur (XANES) -Analyse zeigte auch die Durchführbarkeit der Cl-haltigen PMMA als Extraktionsmedium durch die Dipol verwendetIonen-Wechselwirkungen zwischen den stark elektro C-Cl-Einheiten und den Metallionen positiv geladen.

Introduction

Unter dem Gesichtspunkt des Umweltmanagements und Kontaminationsschutz, Spurenmetalle, die eine starke Verschmutzung oder toxikologischen Probleme sind eine weltweite Sorge. Eine entsprechende On-Chip-Probe Vorbehandlungstechnik hat sich als Schlüssel zum Erfolg bei der Verarbeitung und Analyse von tatsächlichen Proben über Chip-basierte Plattformen, weil unerwartete koexistierenden chemischer Spezies in rohen Proben oft die genaue Bestimmung von Analyten in Spuren Mengen behindern weitgehend akzeptiert gleichzeitig ermöglicht Probe. 1 Unter den verfügbaren Techniken ist besonders beliebt , weil diese Technik durchgeführt werden, on-Chip – Festphasenextraktion (SPE), Reinigung und Analyt preconcentration für die Spurenmetallanalysen zur Isolierung von Metallionen aus komplizierten Salz Matrizen äußerst nützlich ist. 2,3

Die Weiterentwicklung der SPE-Techniken auf dem Chip zur Bestimmung von Spurenmetallen verwendet wurde, entwickelt sich stetig. In den frühen Tagen, ter SPE – Chips durch Laden handelsübliche Harze in den Mikrokanälen hergestellt wurden , um die harzs SPE – Einheiten zu konstruieren. 4-7 Diese erforderliche gelegentlich den Analyten derivatisiert , um die Umwandlung von Metallionen in Harz thermotrope Formen zu ermöglichen. 4 Ein alternatives Verfahren zur Herstellung von Chip-basierten SPE – Geräten ist der Chip – Kanal als SPE Sorbens für die Sammlung von Spurenmetallen nach einer einfachen Oberflächenmodifikation zu nutzen. 8 die letzten Jahre haben eine sich abzeichnende Trend Einbeziehung der Einbau von magnetischen Nanopartikeln (MNP) und bestimmte Chemikalien gesehen die funktionelle Gruppen enthalten, das eine wirksame Retention von Metallionen. Im Gegensatz zu kommerziellen Harzen sind die MNP mit Verbindungen modifiziert , wie beispielsweise γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan (γ-MPTS) 9 und aminobenzyl Ethylendiamintetraessigsäure (ABEDTA) 10 , wonach sie in die Mikrokanäle mit Hilfe eines externen Magnetfeldes t gepackto die selektive Extraktion von Metallionen zu erzielen.

Obwohl erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung der SPE-Techniken auf dem Chip hat erlebt worden, in der Regel die berichteten Techniken entweder auf einen Ionenaustausch oder Chelat funktionieren je. Die Verwendung von Techniken wie diese hat den Nachteil unvermeidbarer Betriebsverfahren erfordern, einschließlich solcher mit Anlage zugeordnet ist, dem Waschen oder der Regeneration, die analytische Leistung aufrechtzuerhalten. Leider erstreckt sich die Notwendigkeit für zusätzliche betriebliche Abläufe nicht nur die Zeit für jede Analyse erforderlich , aber auch Risiken , hohe Leerwerte und nicht reproduzierbaren Ergebnissen führt. 11 Daher ist es eine alternative Strategie arbeitet für die SPE – Techniken auf dem Chip ist zwingend notwendig für die Spurenmetallanalysen.

1993 fand 12 Watt und Chehimi daß Metallionen eine Retentions Tendenz zur Polymermaterialien haben, und dass die meisten Analyten effizient auf einem Chlor (Cl) zurückgehalten -containing polymeres Material, Poly (vinylchlorid) (PVC), außer Natriumionen. Daher wird in 2002 Eboatu et al. 13 , weiter auf der Sequestrierung von einigen toxischen Metall berichtet von Lösungen von PVC. Da dies darauf hin, dass Cl-haltigen polymeren Materialien eine überlegene Eigenschaften für Analyten preconcentration und Salzmatrixeliminierung, Chip-basierte Geräte mit dem Cl-haltigen SPE-Funktionalität wurden eine attraktive Strategie für die Entwicklung eines neuen On-Chip-SPE-Technik zur Bestimmung betrachtet von Metallionen zu verfolgen. Berücksichtigung Materialeigenschaften wie einfache Herstellung, gewünschte chemische / mechanische Eigenschaften und optische Klarheit, 14,15 Diese Studie nutzten Poly (methylmethacrylat) (PMMA) mit einer Mikrovorrichtung herzustellen. Dann wurde der Cl-haltigen SPE – Funktionalität in dem hergestellten Gerät für die Entwicklung eines neuartigen On-Chip – SPE – Technik zur Bestimmung von Spurenmetallionen implantiert. 16

Remarkably, das Vertrauen des innovativen Extraktionsmechanismus auf den Dipol-Ionen-Wechselwirkungen zwischen den stark elektro C-Cl-Einheiten in dem Kanalinneren und den positiv geladenen Metallionen ermöglicht es, Maßnahmen im allgemeinen auf dem Chip SPE Verfahren getroffen zu vermeiden, zu führenden eine dramatische Reduktion von entweder der durch die Verwendung von überschüssigen Reagenzien verursachte Verunreinigung oder den Arbeits zu zusätzlichen Schritte zurückgeführt. Das Protokoll in diesem Beitrag zur Verfügung gestellt werden Forscher aus verschiedenen Bereichen ermöglichen, die Dipol-unterstützte SPE Mikrochip für ihre Arbeit zu fertigen. Detaillierte Charakterisierungsverfahren für die hergestellten Mikrochip werden ebenfalls beschrieben.

Protocol

Achtung: Für einige Chemikalien (zB Acrylamid, 1,1'-Dichlorethen) in diesen Verfahren verwendet werden , sind akut toxisch und krebserregend. Abrufen aller relevanten Sicherheitsdatenblätter (MSDS) vor der Verwendung. Folgen Sie Praktiken entsprechende Sicherheit bei der Durchführung der Experimente. Hinweis: Sofern nicht anders angegeben, führen alle Verfahren bei Raumtemperatur in einer Klasse 100 Laminar – Flow – Haube. 1. Die Herstellung der Dipole-unterstützte SPE Microchip Herstellung des PMMA Microchip Hinweis: Das Herstellungsprotokoll des Chips auf die an anderer Stelle beschriebenen ähnlich war 8. Zeichnen Sie das Netzwerk Muster des Chips (Abbildung 1 (a)) unter Verwendung von Computer Aided Design (CAD) Software gemäß dem Protokoll des Herstellers. Halterung eine PMMA-Platte (350 mm (L) x 20 mm (B) x 2 mm (H)) auf dem Arbeitstisch vonder Laser-Mikrobearbeitungssystem und dann konzentriert die Laserquelle auf der Oberfläche des Blattes PMMA. Wählen Sie den Druck in der CAD – Software und stellen Sie dann die Leistung, Geschwindigkeit und Stiftmodus als 45% (4,5 W), 13% (99,06 mm s -1) und VECT über das Bedienfeld des Systems Mikrobearbeitung. Hinweis: Parameter wie Leistung, Geschwindigkeit und Stiftmodus die Kanalfunktionen beeinflussen wurden im Vorfeld untersucht. Das Bewertungsverfahren war ähnlich wie vorgeschlagen von Yuan und Dasa. 17 Die in dieser Studie gewählten Parameter wurden eine geeignete Kanal zur Anpassung an die Leitungen ohne komplizierte wissenschaftliche Zwecke zu Maschine. Man kann eine weitere Bedingung für die Laserbearbeitung entsprechend ihrem Bedarf auswählen. Drucken der Muster gezeichnet und dann Maschine die PMMA – Platte durch das Lasermikrobearbeitungssystem gemäß dem Protokoll des Herstellers. 1 (b) </strong> zeigt das Layout des gefertigten Mikrochip. 1 (c) zeigt die Fotografie des Querschnitts der bearbeiteten Platte. Achtung! Brille tragen , wenn das Lasersystem mit schweren Augenschäden für die Laserstrahlung aufgrund der Exposition zu vermeiden. Ein geeignetes Abgassystem wird während der Laserbearbeitung wegen der Produktion von Rauch / Rauch empfohlen. Bohren Sie drei 1/16-Zoll Durchmesser Zugangslöchern für einen Probeneinlaß, einem Puffereinlass und einem Eluenten Einlass auf der Bodenplatte und eine für eine konfluente Auslass auf der Abdeckplatte 1 (b). Achtung! Vermeiden Sie Körperkontakt mit dem Bohrmeißel während der Bearbeitungsverfahren um Verletzungen zu vermeiden. Das Tragen von Handschuhen ist verboten, wenn das Bohren. Eintauchen der bearbeiteten Platten in 1 l 0,1% (w / v) Natriumdodecylsulfat (SDS) Lösung in 1-L-Becherglas unter Rühren über einen Ultraschalloszillator für 10 min. Ersetzen Sie die SDS-Lösung with deionisiertem Wasser und 10 min über einen Ultraschalloszillator agitieren. Ersetzen Sie den Rest DI H 2 O mit frischem eine und dann die bearbeiteten Platten in 1 l DI H 2 O unter Rühren über einen Ultraschallschwinger tauchen für 10 min. Danach trocknen jede gereinigt Platte mit einem leichten Stickstoffstrom für 2 min. Richten Sie die beiden bearbeiteten Platten mit dem bloßen Auge und dann sandwichartig die beiden Platten zwischen zwei Glasplatten durch Binder Clips. Verbinden die beiden Platten unter Kompression bei 105 ° C für 30 min. Kühlen Sie das Sandwich auf Umgebungstemperatur und dann die Binderclips und Glasplatten zu entfernen. Einsatz 1/16-Zoll Außendurchmesser Poly (etheretherketon) (PEEK) Rohre in die Zugangslöcher und befestigen Sie dann die Leitungen mit einem Zwei-Komponenten-Epoxid-Klebstoff basiert. Trocknen der Klebstoff bei Umgebungstemperatur für 12 Stunden. Änderung des Kanalinnenansicht des PMMA Microchip <br/> . Hinweis: Der folgende Teil bezieht sich mit geringfügigen Änderungen zu veröffentlichten Verfahren 8,18,19 1 über eine Schlauchpumpe in den Mikrochip 12 h (72 ml insgesamt gelieferte Volumen) – einen gesättigten Natriumhydroxid (NaOH) -Lösung bei einer Flußrate von 100 & mgr; l min liefern. Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie den Kanal Innenraum mit DI H 2 O mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 & mgr; l min – 1 über eine peristaltische Pumpe für 30 min (3 ml insgesamt abgegebene Volumen). Entfernen der Rest DI H 2 O und anschließend eine 0,5% (v / v) Salpetersäure (HNO 3) -Lösung in den Mikrochip zu liefern mit einer Flussrate von 100 & mgr; l min – 1 über peristaltische Pumpe 30 min (3 ml insgesamt abgegebene Volumen ). Entfernen Sie die Restlösung und dann mit 50% liefern (w / v) Acrylamid – Lösung in den Mikrochip im Dunkeln bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 & mgr; l min – 1 via peristaltische Pumpe für 8 h (48 ml insgesamt gelieferte Volumen). Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie den Kanal Innenraum mit DI H 2 O mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 & mgr; l min – 1 über eine peristaltische Pumpe für 30 min (3 ml insgesamt abgegebene Volumen). Pumpe Luft in den Rest DI H 2 O mit einer Schlauchpumpe zu entfernen und dann die Abdeckung des Mikrochips mit einer hauseigenen gebauten Photomaske die gewünschte Region des Extraktionskanals ermöglicht dem Licht ausgesetzt werden. Hinweis: Die in-house gebauten Fotomaske eines schwarzen Papier hergestellt wurde (114 mm (L) x 22 mm (B)) , die ein offenes Fenster enthalten (94 mm (L) x 2 mm (W)) ermöglicht die gewünschte Region des Extraktionskanals Licht ausgesetzt werden. Herstellung des Cl-haltigen SPE Formation Lösung Spülen Sie die Inhibitor Entfernung SPE-Kartusche mit Ethanol auf mindestens drei Patronenvolumina in Höhe von. Spülen Sie die Patrone mit 1,1'-Dichlorethenin Höhe von mindestens drei Patronenvolumina vor der Verwendung. Übergeben Sie 1 ml 1,1'-Dichlorethen durch die behandelte Patrone und dann die Fraktion in einem Probenfläschchen (20 ml) sammeln in Aluminiumfolie eingewickelt. Hinzufügen 491 ul 1,1'-Dichlorethen in die Lösung, die 12 mg 2,2'-Azobisisobutyronitril (AIBN), 3,18 ml Ethanol und 1,65 ml Hexanen in 100-ml-Glasflasche. Füllen den Chipkanal mit der Cl-haltigen SPE Bildung Lösung (etwa 200 & mgr; l) durch eine Spritze Injektion und dann belichten den Mikrochip mit ultraviolettem (UV 365) der Bestrahlung mit einer maximalen Emissionswellenlänge von 365 nm für 10 min (Lichtintensität ~ 2.65 mW cm -2). Achtung! Ein geeignetes Abgassystem wird empfohlen, wegen der Erzeugung von Ozon während der UV – Bestrahlung. Ersetzen Sie die Restlösung mit einem frischen Cl-haltigen SPE Bildung Lösung (etwa 200 ul) mit einer Spritze injection und setzen dann den Mikrochip wieder 365 – Bestrahlung für 10 min mit UV (Lichtintensität ~ 2,65 mW cm -2). Wiederholen Sie Schritt 1.2.9 18-mal. Spülen des Kanalinnenraums mit Ethanol bei einer Fließgeschwindigkeit von 100 & mgr; l min – 1 über peristaltische Pumpe 30 min (3 ml insgesamt gelieferte Volumen). die Restlösung mit Schlauchpumpe, speichern Sie die hergestellten Mikrochip in einer Reißverschlusstasche für die spätere Verwendung Nach dem Entfernen. 2. Oberflächenprüfung von PMMA Modification Kontaktwinkelanalyse Geschnitten, um eine PMMA-Platte (350 mm (L) x 20 mm (B) x 2 mm (H)) in PMMA Substrate (50 mm (L) x 20 mm (B) x 2 mm (H)) von dem Laser-Mikrobearbeitungssystem . Tauchen Sie die PMMA-Substrate in 40 ml gesättigter NaOH-Lösung in 50-ml konischen Röhrchen und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler für 12 Stunden. Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie die PMMA Substrate mit 40 ml DI H 2 O. Tauchen Sie die PMMA – Substrate in 40 ml DI H 2 O und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler für 30 min. Entfernen Sie den Rest DI H 2 O. Tauchen Sie die PMMA – Substrate in einem 40 ml von 0,5% (v / v) HNO 3 -Lösung und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler für 30 min. Entfernen Sie die restliche Lösung. Tauchen Sie die PMMA-Substrate in 40 ml 50% (w / v) Acrylamid-Lösung und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler im Dunkeln für 8 h. Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie die PMMA – Substrate , die mit 40 ml DI H 2 O. Tauchen Sie die PMMA – Substrate in 40 ml DI H 2 O und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler für 30 min. Entfernen Sie den Rest DI H 2 O und dann mit einem leichten Stickstoffstrom für 2 Minuten jedes PMMA – Substrat trocknen. Herstellung desCl-haltigen SPE Formation Lösung Spülen Sie die Inhibitor Entfernung SPE-Kartusche mit Ethanol auf mindestens drei Patronenvolumina in Höhe von. Spülen Sie die Patrone mit 1,1'-Dichlorethen in Höhe von mindestens drei Patronenvolumina vor der Verwendung. Passieren 6 ml 1,1'-Dichlorethen durch die behandelte Patrone und dann die Fraktion in ein Probenfläschchen (20 ml) zu sammeln in Aluminiumfolie eingewickelt. Hinzufügen 4,91 ml 1,1'-Dichlorethen in die Lösung, enthaltend 120 mg AIBN, 31,8 ml Ethanol und 16,5 ml Hexanen in 100-ml-Glasflasche. Auftragen von 2 ml der Cl-haltigen SPE Bildung Lösung auf den Oberflächen der Substrate PMMA und dann die Substrate belichten 365 Bestrahlung für 10 min bis UV (Lichtintensität ~ 2.65 mW cm -2). Achtung! Ein geeignetes Abgassystem wird empfohlen, wegen der Erzeugung von Ozon während der UV – Bestrahlung. Ersetzen Sie den Rest solution mit 2 ml frischem Cl-haltigen Formation Lösung SPE und setzen dann die Substrate wieder 365 – Bestrahlung für 10 min mit UV (Lichtintensität ~ 2,65 mW cm -2). Wiederholen Sie Schritt 2.1.12 18-mal. Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie die PMMA-Substrate, die mit 40 ml Ethanol in einem 50 ml konischen Röhrchen. Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie die PMMA – Substrate , die mit 40 ml DI H 2 O. Entfernen Sie den Rest DI H 2 O und dann mit einem leichten Stickstoffstrom für 2 Minuten jedes PMMA – Substrat trocknen. Drop 5 ul DI H 2 O auf die PMMA – Substraten und zu bestimmen , durch einen Kontaktwinkelmesser des Kontaktwinkels nach dem Protokoll des Herstellers. Hinweis: Verwenden Sie den Mittelwert aus drei wiederholten Messungen die gemeldeten Kontaktwinkel jeweils zu bestimmen. Laserablation (LA) -Inductively Plasma-Massen Gekoppelt Spectrometry (ICP-MS) Analyse </ Strong> Grind 8 g PMMA-Perlen in PMMA-Pulver über einem Mörser und einem Stößel. Tauchen Sie die PMMA-Pulver in 40 ml gesättigter NaOH-Lösung in einem 50 ml konischen Röhrchen und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler für 12 Stunden. Entfernen Sie die Restlösung durch eine digitale Pipette mit 5 ml Spitzen und dann spülen Sie die PMMA – Pulver mit 40 ml DI H 2 O. Tauchen Sie die PMMA – Pulver in 40 ml DI H 2 O und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler für 30 min. Entfernen Sie den Rest DI H 2 O. Tauchen Sie die PMMA – Pulver in 40 ml von 0,5% (v / v) HNO 3 -Lösung und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler für 30 min. Entfernen Sie die restliche Lösung. Tauchen Sie die PMMA-Pulver in 40 ml 50% (w / v) Acrylamid-Lösung und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler im Dunkeln für 8 h. Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie das PMMA-Pulver with 40 ml DI H 2 O. Tauchen Sie die PMMA – Pulver in 40 ml DI H 2 O und dann agitieren der resultierenden Mischungen über einen Schaukelschüttler für 30 min. Entfernen der Rest DI H 2 O und dann backen die PMMA – Pulver bei 60 ° C für 8 Stunden. Herstellung des Cl-haltigen SPE Formation Lösung Spülen Sie die Inhibitor Entfernung SPE-Kartusche mit Ethanol auf mindestens drei Patronenvolumina in Höhe von. Spülen Sie die Patrone mit 1,1'-Dichlorethen in Höhe von mindestens drei Patronenvolumina vor der Verwendung. Pass 16 ml 1,1'-Dichlorethen durch die behandelte Patrone und sammeln dann die Fraktion in einem Probenfläschchen (20 ml) in Aluminiumfolie eingewickelt. In 14,73 ml 1,1'-Dichlorethen in die Lösung, die 360 ​​mg AIBN, 95,4 ml Ethanol und 49,5 ml Hexan in einem 250-ml-Glasflasche. Mischen Sie die PMMA-Pulver mit 6 ml Cl enthaltenden SPE Bildung Lösung in a50 ml konischen Röhrchen und ebenso je 1 ml der Mischung aus konischen Röhrchen in sechs Vertiefungen einer 24-Well-Gewebekulturplatte. Decken Sie die Gewebekulturplatte mit einem PMMA – Brett und dann auf die Gewebekulturplatte belichten 365 Bestrahlung für 10 min (Lichtintensität ~ 2,65 mW cm -2) bis UV. Achtung! Ein geeignetes Abgassystem wird empfohlen, wegen der Erzeugung von Ozon während der UV – Bestrahlung. Ersetzen Sie die Restlösung mit 1 ml frischem Cl-haltigen SPE Bildung Lösung jeder Vertiefung und dann die Gewebekulturplatte belichten 365 Bestrahlung für 10 min mit UV wieder (Lichtintensität ~ 2,65 mW cm -2). Wiederholen Sie Schritt 2.2.13 18-mal. Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie die PMMA-Pulver in jeder Vertiefung mit 1 ml Ethanol. Entfernen Sie die Restlösung und dann spülen Sie die PMMA – Pulver in jeder Vertiefung mit 1 ml DI H 2 O. Entfernen Sie die Rest DI H <sub> 2 O und dann die PMMA – Pulver bei 60 ° C für 8 Stunden backen. Komprimieren Sie die getrockneten Pulver (1 g) zu einem Pellet über eine hydraulische Pressmaschine und messen dann das Signal für Cl durch eine LA-ICP-MS-System. Hinweis: Das Signal für Cl bei m / z 35 wurde als Indikator für die implantierten C-Cl – Einheiten ausgewählt ist . Ein 193-nm-Laser wurde als Ablation Quelle verwendet. Die Energie, Fluence, Punktgröße, und Wiederholungsrate wurden als 75%, 8,85 J cm -2, 100 & mgr; m und 5 Hz eingestellt. Mindestens 7 wiederholte Messungen für jedes Ergebnis waren nicht erforderlich. Die LA-ICP-MS – Analyseverfahren siehe an anderer Stelle veröffentlichten Verfahren. 20 Raman – spektroskopische Analyse Führen Sie das Protokoll von Schritt 2.2.1 bis 2.2.17 Schritt. Komprimieren Sie die getrockneten Pulver (1 g) zu einem Pellet über eine hydraulische Pressmaschine und nehmen dann die Spektren durch ein Spektrometer Raman. <br /> Hinweis: Verwenden Sie einen 780-nm – Laserlinie mit einer maximalen Laserleistung von 100 mW als Anregung mit Licht – Quelle. Verwenden Sie den Bereich des Raman – Spektrums im Bereich von 550 bis 900 cm -1 , die Anheftung der C-Cl – Reste an das PMMA zu untersuchen. 3. Charakterisierung des Dipols gestützte SPE Reaction Führen Sie das Protokoll von Schritt 2.2.1 bis 2.2.17 Schritt. Tauchen 0,5 g PMMA – Pulver in 5 ml 20% (w / v) Mangannitrat – Tetrahydrat (Mn (NO 3) 2 4H 2 O) Lösung und dann gleich der resultierenden Mischungen mischen mit 5 ml 40 mM Maleat – Pufferlösung. Der pH – Wert der resultierenden Gemische zu 8 durch eine reine HNO & sub3 ; -Lösung und anschließend agitieren die Mischungen über einen Schaukelschüttler für 1 Stunde. Entfernen Sie die Restlösung und dann backen die PMMA-Pulver bei 60 ° C für 8 Stunden. Speichern die Pulver in 15 ml konischen Röhrchen eingewickelt in Aluminiumfolie für die X-ray absorption nahen Randstruktur (XANES) Analyse. Hinweis: Die Mn K-XANES – Spektren unter Verwendung von 07A und 17c1 Strahlrohre des Nationalen Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC, Hsinchu, Taiwan) gesammelt wurden. Elektronenspeicherring wurde mit einer Energie von 1,5 GeV und einem Strom von 100-200 mA betrieben. Ein Si (111) Doppelkristall-Monochromator wurde für die Bereitstellung von hoch monochromatisiert Photonenstrahlen mit einer Energie von 1 bis 15 keV und das Auflösungsvermögen (E / & Dgr; E) von bis zu 5,000.The Photonenenergie, die von Mn-Standards kalibriert wurde, die bekannte Mn unter Verwendung K- Kantenabsorption Wendepunkt bei 6539,0 eV. Der Mn-K-Kante XANES-Spektren im Bereich zwischen 6.530 und 6.570 eV wurden verwendet, um den Dipol-Ion-Wechselwirkungen zur Charakterisierung der vorgeschlagenen SPE Reaktion zu untersuchen.

Representative Results

2 zeigt die Reaktion , die während der Kanaländerungsverfahren des PMMA – Mikrochip auftritt. Kontaktwinkelanalyse wurde verwendet, um die Oberflächenveränderungen während der vorgeschlagenen Verfahren zu überwachen. Eine LA-ICP-MS – System und ein dispersives Spektrometer Raman eingesetzt wurden die erfolgreiche Modifikation der C-Cl – Reste Bildung auf dem PMMA – Substrat (3 (a), (b)) zu verifizieren. Die vorgeschlagene Dipol-assisted SPE Reaktion wurde durch XANES – Analyse (Figur 4) aus. Abbildung 1. Die PMMA – Mikrochip. (A) Die Momentaufnahme der Musterdatei für das hergestellte Mikrochip. (B) Layout des hergestellten Mikrochip: S, E und B die Einführung Ports für die Probe, Eluent und buffer Lösungen sind; O steht für die Steckdose. Der schwarze Kreis stellt die gebohrten Zugangsloch für jeden. Die Kanäle für die Einführung der Probe und der Pufferlösungen verwendet, um sowohl einen Winkel von 30 ° mit dem Extraktionskanal gebildet. Die Länge des effektiven Extraktionskanal, der als der Abstand von dem Konvergenzpunkt der Flüsse der Proben- und Pufferlösungen auf die konfluenten Auslass definiert wurde, betrug 94 mm. (C) Die Fotografie des Querschnitts der bearbeiteten Platte. Übernommen aus Ref. 16 mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 2. Schema der Kanal Modifikation für die PMMA – Mikrochip. Der Einschub photogrAPHS zeigen den Winkel Kontakt zu dem erhaltenen Produkt in Sequenz entspricht. Der Kontaktwinkel wurde unter Verwendung eines Bildes eines Wassertropfens bestimmt. Der Mittelwert von drei wiederholten Messungen wurde für die Bestimmung der berichteten Kontaktwinkel in jedem Fall verwendet werden. Übernommen aus Ref. 16 mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Figur 3. Oberflächenprüfung von PMMA – Modifikation. (A) Signal für Cl , erhalten durch sowohl die PMMA Ablatieren und PMMA , modifiziert mit den C-Cl – Reste. Der Einschub zeigt die Positionen der Ablation zu jedem Erhalt Signal entspricht. (B) Raman – Spektren von nativen und modifizierten PMMA. Übernommen aus Ref. 16 mit Genehmigung vonDie Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 4. Mn K-XANES – Spektren von PMMA modifizierte und modifizierte PMMA behandelt mit Mn 2+ -Ionen. Die Spektren von modifizierten PMMA wurde als rote Linie dargestellt. Die Wechselwirkungen zwischen den stark elektro C-Cl – Einheiten von modifizierten PMMA und den Mn 2+ -Ionen die Absorptionsspektren gezeigt wurde als blaue Linie dargestellt. Übernommen aus Ref. 16 mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Die detaillierten Verfahren für die Herstellung eines Dipol-unterstützte SPE Mikrochip wurden oben dargestellt. In diesem Abschnitt wird die Nützlichkeit des Modifikationsprotokoll in Bezug auf die Implantation der C-Cl-Gruppen auf dem PMMA und die Durchführbarkeit der Cl-haltigen PMMA, das als Extraktionsmittel für die Bestimmung von Spurenmetallionen verwendet wurde, sind Schritt-für-Schritt beurteilt. Für die Oberflächenprüfungszwecken wurde die Probentyp auf der Grundlage seiner Vereinbarkeit mit dem analytischen Instrumenten ausgewählt. Mit anderen Worten, die Arten von Testproben über ein ähnliches Verfahren hergestellt wurden, in Übereinstimmung mit den Erfordernissen der Analysengeräte bestimmt. Zum Beispiel wurde ein Substrat-Typ Probe für die Messung des Kontaktwinkels verwendet, wohingegen ein Pulver-Packungstyp-Probe für die LA-ICP-MS, Raman-Spektroskopie verwendet wurde und XANES analysiert.

Zunächst die Änderung der chemischen Funktionalitäten Attache laufen zu überwachend auf der Oberfläche des PMMA bei der vorgeschlagenen Verfahren eine Kontaktwinkelanalyse des resultierenden Produkts entsprechend jedem Schritt durchgeführt (Abbildung 2). Wie in Figur 2 dargestellt, zeigten die Variationen in der Kontaktwinkel deutlich , dass die Oberflächenveränderungen während des Modifikationsverfahren aufgetreten ist , und der Kontaktwinkel von 80,3 ° ± 0,43 ° , die für das Endprodukt gemessen wurde in Übereinstimmung war mit zuvor berichteten Ergebnissen. 21

Außerdem wurde das Vorhandensein der C-Cl-Gruppen auf dem modifizierten PMMA auch über LA-ICP-MS-Analyse bestätigt. Im Vergleich zu den Ergebnissen , die durch das native PMMA Ablatieren, unterschiedliche Signale für Cl wurden erwartungs beobachtet durch das PMMA Ablatieren modifiziert mit C-Cl – Einheiten (3 (a)).

Die Raman-Spektren wurden für eine weitere Validierung der Anheftung der C-Cl-Reste an das PMMA gesammelt. Wie in Figu gezeigtre 3 (b), zwei charakteristische mit dem CCl 2 asymmetrische Streckschwingung zugeordneten Peaks wurden bei 682 cm -1 beobachtet und 718 cm -1 im Spektrum des modifizierten PMMA und das in recht guter Übereinstimmung mit den berichteten Ergebnissen von Willis et al die Befestigung der C-Cl – Reste an die PMMA erfolgreich nach der Modifikation. 22 und Hendra et al. 23. In anderen Worten, erreicht werden konnte.

Darüber hinaus ist die Extraktionsmechanismus zu klären, die in dieser Studie vorgeschlagen, wurde die XANES-Analyse eingesetzt. Entsprechend der modifizierten PMMA behandelt mit Mn 2+ -Ionen , wie in Figur 4 angedeutet, können die Wechselwirkungen zwischen den stark elektro C-Cl – Reste und die positiv geladenen Metallionen durch das Vorhandensein der dominanten Absorptionskante im XANES – Spektrum bestätigt werden. Somit würde der Dipol-elektrostatische Wechselwirkungen tatsächlich für tr auf On-Chip-Extraktion angewendet werdenace Metallanalysen. Die detaillierten Analyseergebnisse für Wasserproben aus zwei Flüssen in Taiwan gesammelt haben , an anderer Stelle beschrieben. 16

Nach bestem Wissen und Gewissen, ist dies der erste Versuch , eine innovative Arbeitsstrategie in On-Chip – SPE – Reaktion zur Bestimmung von Spurenmetallionen zu nutzen, und dass die entwickelte Vorrichtung war deutlich widerstandsfähig im Vergleich mit anderen On-Chip – SPE – Techniken (dh mehr als 160 analytischen Arbeiten konnte ohne wesentliche Verschlechterung in Bezug auf die Extraktionseffizienz) erreicht werden. Dennoch, da solche Extraktionsmechanismus hauptsächlich auf die Wechselwirkungen zwischen den stark elektro C-Cl-Reste und die positiv geladenen Metallionen verlassen wurde, wurde die vorgeschlagene Technik erwartet bisher für die Extraktion der negativ geladenen Spezies nicht geeignet zu sein.

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.
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References

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Shih, T., Hsu, I., Chen, P., Chen, S., Tseng, S., Deng, M., Lin, Y., Sun, Y. Fabrication of a Dipole-assisted Solid Phase Extraction Microchip for Trace Metal Analysis in Water Samples. J. Vis. Exp. (114), e53500, doi:10.3791/53500 (2016).
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