The fabrication protocol of a dipole-assisted solid phase extraction microchip for the trace metal analysis is presented.
Detta dokument beskriver en tillverkningsprotokoll för en dipol assisterad fastfasextraktion (SPE) mikrochip för spårmetallanalys i vattenprover. En kort översikt över utvecklingen av chip-baserade SPE tekniker tillhandahålls. Detta följs av en introduktion till specifika polymera material och deras roll i SPE. Att utveckla en innovativ dipol-assisterad SPE teknik, var en klor (Cl) -innehållande SPE funktionalitet implanteras i en poly (metylmetakrylat) (PMMA) mikrochip. Häri, var diverse analytiska tekniker inklusive kontaktvinkelanalys, Raman-spektroskopisk analys, och laserablation-induktivt kopplad plasma-masspektrometri (LA-ICP-MS) analys som används för att validera användbarheten av implantation protokollet av de C-Cl-grupper på PMMA. De analytiska resultaten av röntgen absorption nära-kantstruktur (XANES) Analysen visade också genomförbarheten av Cl-innehållande PMMA används som ett extraktionsmedium i kraft av dipole-ion interaktioner mellan de starkt elektronegativa C-Cl-grupper och de positivt laddade metalljoner.
Från synpunkter miljöledning och förebyggande föroreningar, spårmetaller som orsakar allvarliga föroreningar eller toxikologiska problem är ett globalt problem. En lämplig on-chip förbehandling av provet teknik har allmänt accepterat som nyckeln till framgång i bearbetning och analys faktiska prover via chip-baserade plattformar, eftersom oväntade samexisterande kemiska ämnen i råprover hindrar ofta noggrann bestämning av analyter närvarande i Traces mängder . 1 Bland de tillgängliga teknik, on-chip fast fas extraktion (SPE) är särskilt populär för spårmetallanalys, eftersom denna teknik medger prov sanering och analyt förkoncentrering utföras samtidigt är extremt användbar för isolering av metalljoner från komplicerade salt matriser. 2,3
Att främja on-chip SPE tekniker som används för bestämning av spårmetaller har stadigt utvecklas. I början, than SPE chips framställdes genom att ladda kommersiellt tillgängliga hartser in i mikrokanalerna för att konstruera de harts packade SPE enheterna. 4-7 Detta krävde ibland analyten som skall derivatiseras för att möjliggöra omvandlingen av metalljoner in i hartsfasthållbar former. 4 En alternativ metod för framställning av chip-baserade SPE-enheter är att utnyttja chip kanal som en SPE sorbent för insamling av spårmetaller efter enkel ytmodifiering. 8 de senaste åren har sett en växande trend som innebär införandet av magnetiska nanopartiklar (MNP) och specifika kemikalier som innehåller funktionella grupper med förmåga att effektivt kvarhållande av metalljoner. I motsats till kommersiella hartser är de MNP modifieras med föreningar såsom γ-merkaptopropyltrimetoxisilan (γ-MPTS) 9 och aminobensyl etylendiamintetraättiksyra (ABEDTA) 10 varefter de packas i mikrokanalerna med hjälp av ett yttre magnetfält to uppnå selektiv extraktion av metalljoner.
Även om betydande framsteg i utvecklingen av on-chip SPE tekniker har bevittnat, vanligtvis rapporterade teknikerna funktion baserad på antingen jonbyte eller kelatering. Användningen av tekniker såsom dessa har nackdelen att kräva oundvikliga operativa förfaranden, inklusive de som är associerade med konditionering, tvättning, eller regenerering, för att upprätthålla den analytiska prestandan. Tyvärr, behovet av ytterligare operativa procedurer inte bara förlänger den tid som krävs för varje analys utan också riskerar att orsaka höga blankvärden och reproducerbara resultat. 11 Därför, en alternativ arbets strategi för on-chip SPE tekniker är viktigt för spårmetallanalys.
1993, Watts och Chehimi 12 tyckte att metalljoner har en kvarhållande tendens till polymera material, och att de flesta av analyter effektivt kvar på en klor (Cl) -containing polymermaterial, poly (vinylklorid) (PVC) med undantag av natriumjoner. Därför, i 2002, Eboatu et al. 13 rapporterade vidare beläggs med kvarstad några giftiga metaller från lösningar av PVC. Eftersom detta indikerade att Cl-innehållande polymermaterial uppvisade överlägsna egenskaper för analyt förkoncentrering och salt matris eliminering, var chipbaserade enheter med Cl-haltiga SPE funktionalitet anses en attraktiv strategi för utveckling av ett nytt on-chip SPE tekniken för bestämningen av spårmetalljoner. Med tanke på materialfunktioner, såsom enkel tillverkning, önskade kemiska / mekaniska egenskaper, och optisk klarhet, tog 14,15 denna studie fördel av poly (metylmetakrylat) (PMMA) för att tillverka en mikroanordning. Därefter tillsattes den Cl-innehållande SPE funktionalitet implanteras i den tillverkade anordningen för utvecklingen av en ny on-chip SPE tekniken för bestämning av spårmetalljoner. 16
Remarkably, gör det möjligt beroendet av den innovativa utvinning mekanismen på dipol-jon interaktioner mellan de mycket elektro C-Cl delar i kanalen inre och de positivt laddade metalljoner för att undvika åtgärder som vidtagits under allmänna on-chip SPE förfaranden, vilket leder till en dramatisk minskning av antingen kontaminering som orsakas av användning av överskott av reagens eller arbets- skrivas ytterligare steg. Protokollet anges i detta bidrag gör det möjligt för forskare från olika bakgrunder att tillverka dipol-assisterad SPE mikrochip för sitt arbete. Detaljerade karakterisering förfaranden för fabricerade mikrochip beskrivs också.
De detaljerade förfarandena för framställning av en dipol assisterad SPE mikrochip presenterades ovan. I detta avsnitt, användbarheten av modifikationen protokollet med avseende på implantation av de C-Cl-grupper på PMMA och genomförbarheten av Cl-innehållande PMMA, som användes som ett extraktionsmedium för bestämning av spårmetalljoner, är utvärderas steg-för-steg. För utanpåkontrolländamål, var provtypen vald på basis av dess förenlighet med den analytiska instrument. Med andra ord, var de typer av testprover framställda via en liknande process som fastställs i enlighet med kraven i de analytiska instrument. Till exempel, var en provsubstrat-typ som används för mätning av kontaktvinkeln, medan en pulverprov-packning-typ användes för LA-ICP-MS, Raman spektroskopiska, och XANES analyser.
Inledningsvis att övervaka förändringen genomgått den kemiska funktionaliteter attached till ytan av PMMA under de föreslagna förfarandena, en kontaktvinkel analys för den resulterande produkten som motsvarar varje steg utfördes (figur 2). Som visas i figur 2, variationerna i kontaktvinkeln visade tydligt att ytförändringar inträffade under modifieringsförfaranden, och kontaktvinkeln av 80,3 ° ± 0,43 ° som uppmättes för den slutliga produkten överensstämde med tidigare rapporterade resultat. 21
Dessutom var förekomsten av C-Cl-grupper på den modifierade PMMA även bekräftas via LA-ICP-MS-analys. Jämfört med de resultat som erhållits genom ablation de infödda PMMA har distinkta signaler för Cl observer expectably genom ablation PMMA modifierade med C-Cl delar (Figur 3 (a)).
Raman-spektra uppsamlades för ytterligare validering fastsättningen av de C-Cl delarna till PMMA. Såsom visas i Figure 3 (b), har två karakteristiska toppar i samband med CCL 2 asymmetrisk sträckningsvibration observerades vid 682 cm -1 och 718 cm -1 i spektrumet av den modifierade PMMA och i någorlunda god överensstämmelse med de resultat som rapporterats av Willis et al . 22 och Hendra et al. 23 med andra ord, kan fastsättningen av C-Cl delar till PMMA framgångsrikt uppnås efter modifiering.
Dessutom, för att klargöra utvinning mekanism som föreslås i denna studie var XANES analys användes. Såsom indikeras i fig 4, skulle kunna interaktionerna mellan de starkt elektronegativa C-Cl-grupper och de positivt laddade metalljoner bekräftas genom närvaron av den dominerande absorption kant i XANES spektrum som motsvarar det modifierade PMMA behandlades med Mn 2+ joner. Således skulle dipol-elektro interaktioner faktiskt tillämpas på on-chip utvinning för trace metallanalyser. De detaljerade analysresultat för vattenprov som samlats in från två floder i Taiwan har beskrivits på annat håll. 16
Så vitt vi vet är detta det första försöket att använda en innovativ arbetsstrategi i on-chip SPE reaktion för bestämning av spårmetalljoner, och att den utvecklade enheten var betydligt hållbara jämfört med andra on-chip SPE tekniker (dvs. , mer än 160 analytiska verk skulle kunna uppnås utan betydande försämring när det gäller utvinning effektivitet). Ändå, eftersom en sådan utvinning mekanism främst förlitat sig på samspelet mellan de mycket elektro C-Cl delar och de positivt laddade metalljoner, var den föreslagna tekniken förväntas vara olämpliga för utvinning av de negativt laddade hittills.
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. |