The fabrication protocol of a dipole-assisted solid phase extraction microchip for the trace metal analysis is presented.
Dette notatet beskriver en fabrikasjon protokoll for en dipol-assistert fast fase ekstraksjon (SPE) microchip tilgjengelig for spormetallanalyse i vannprøver. En kort oversikt over utviklingen av chip-baserte SPE teknikker er gitt. Dette etterfølges av en innføring i spesifikke polymermaterialer og deres rolle i SPE. For å utvikle en nyskapende dipol-assistert SPE teknikk, ble et klor (Cl) -inneholdende SPE-funksjonalitet implantert i en poly (metylmetakrylat) (PMMA) mikrobrikke. Heri ble forskjellige analytiske teknikker, inkludert kontaktvinkelen analyse, Raman-spektroskopianalyse, og laserablasjon-induktivt koblet plasma-massespektrometri (LA-ICP-MS-analyse) anvendes til å bekrefte anvendeligheten av implantasjon protokollen for de C-Cl-deler i PMMA. De analytiske resultatene av røntgenstråle-absorpsjon nær ende struktur (XANES) analyse også demonstrert muligheten for Cl-inneholdende PMMA anvendt som ekstraksjonsmiddel i kraft av den dipole-ion-interaksjoner mellom de sterkt elektronegative C-Cl-deler og de positivt ladede metallioner.
Fra synspunktene til miljøledelse og forurensning forebygging, spormetaller som forårsaker alvorlige forurensninger eller toksikologiske problemer er et verdensomspennende problem. En passende on-chip sample forbehandling teknikken har blitt allment akseptert som nøkkelen til suksess i behandling og analyse av faktiske prøvene via chip-baserte plattformer, fordi uventede co-eksisterende kjemiske stoffer i rå prøver ofte hemme nøyaktig bestemmelse av analytter stede i spor mengder . 1 Blant de tilgjengelige teknikker, on-chip fast fase ekstraksjon (SPE) er spesielt populært for spormetallanalyser, fordi denne teknikken tillater prøven opprydding og analytt preconcentration som skal utføres samtidig er svært nyttig for isolering av metallioner fra kompliserte salt matriser. 2,3
Fremme av on-chip SPE teknikker som brukes for bestemmelse av spormetaller er i stadig utvikling. I de tidlige dager, than SPE chips ble fremstilt ved å laste kommersielt tilgjengelige harpikser inn i mikrokanalene for å konstruere harpiksfylte SPE-enheter. 4-7 dette av og til kreves for analytten for å bli derivatisert for å muliggjøre transformasjon av metallioner inn i harpiks-festbare former. 4 En alternativ metode for utarbeidelse av chip-baserte SPE enhetene er å utnytte chip kanal som et SPE sorbent for innsamling av spormetaller etter enkel overflatemodifikasjon. 8 siste årene har sett en ny trend som involverer inkorporering av magnetiske nanopartikler (MNPS) og visse kjemikalier som inneholder funksjonelle grupper som er i stand til effektiv fastholdelse av metallioner. I motsetning til kommersielle harpikser, er MNPS modifiseres med forbindelser slik som γ-merkaptopropyltrimetoksysilan (γ-Mpts) 9 og aminobenzyl etylendiamintetraeddiksyre (ABEDTA) 10 hvoretter de pakkes inn i mikrokanaler ved hjelp av et eksternt magnetfelt to oppnå selektiv ekstraksjon av metallioner.
Selv om betydelige fremskritt i utviklingen av on-chip SPE teknikker har vært vitne til, typisk de rapporterte teknikker funksjon basert på enten ionebytting eller chelation. Bruk av teknikker så som disse har den ulempe at den krever uunngåelig operasjonelle prosedyrer, inkludert de som er forbundet med kondisjonering, vasking, eller regenerering, for å opprettholde den analytiske resultater. Dessverre er behovet for ytterligere operasjonelle prosedyrer ikke bare forlenger tiden som kreves for hver analyse, men også risikerer å forårsake høye tomme verdier og reproduserbare resultater. 11 Derfor er en alternativ arbeids strategi for on-chip SPE teknikker er avgjørende for spormetallanalysene.
I 1993 watt og Chehimi 12 funnet ut at metallioner har en tendens til oppbevaring polymermaterialer, og at det meste av analytter effektivt holdes tilbake på et klor (Cl) -containing polymermateriale, poly (vinylklorid) (PVC) med unntagelse av natriumioner. Derfor, i 2002, Eboatu et al. 13 videre rapportert om lagring av noen giftige metaller fra løsninger ved PVC. Fordi dette indikerte at Cl-inneholdende polymere materialer viste overlegne egenskaper for analytt preconcentration og salt matrise eliminering, ble chip-baserte enheter med Cl-holdige SPE-funksjonalitet ansett som en attraktiv strategi for utvikling av en ny on-chip SPE teknikk for bestemmelse av spormetallioner. Vurderer materielle funksjoner, for eksempel enkel fabrikasjon, ønsket kjemisk / mekaniske egenskaper, og optisk klarhet, 14,15 denne studien tok fordel av poly (metylmetakrylat) (PMMA) for å dikte opp en microdevice. Deretter ble den Cl-holdige SPE-funksjonalitet implantert i den fremstilte enhet for utvikling av et nytt on-chip SPE teknikk for bestemmelse av spormetallioner. 16
Remarkably, gjør avhengighet av den innovative utvinning mekanismen for dipol-ion-interaksjoner mellom de sterkt elektronegative C-Cl-deler i kanalen indre og de positivt ladede metallioner som det er mulig å unngå tiltakene under generell on-chip SPE-prosedyrer, som fører til en dramatisk reduksjon av enten den forurensning som skyldes anvendelse av overskudd av reagenser eller arbeids tilskrives flere trinn. Protokollen gitt i dette bidraget vil gjøre det mulig forskere fra ulike bakgrunner å dikte dipol-assistert SPE mikrobrikke for sitt arbeid. Detaljerte prosedyrer for karakterisering den fremstilte mikrobrikke beskrives også.
De detaljerte prosedyrer for utarbeidelse av en dipol-assistert SPE microchip ble presentert ovenfor. I denne delen nytten av modifikasjonen protokoll med hensyn til implantering av de C-Cl-deler på PMMA og gjennomførbarheten av Cl-inneholdende PMMA som ble anvendt som ekstraksjonsmiddel for bestemmelse av spormetallioner, så evaluert trinn-for-trinn. For overflate verifisering, ble prøvetypen som er valgt på grunnlag av sin kompatibilitet med analytisk instrumentering. Med andre ord ble de typer av testprøvene fremstilt ved hjelp av en lignende prosess bestemmes i overensstemmelse med kravene i de analytiske instrumenter. For eksempel ble en substrat-type prøve som brukes for måling av kontaktvinkelen, mens et pulver-pakning-type prøve ble anvendt for LA-ICP-MS, Raman spektroskopi, og XANES analyser.
Til å begynne med, for å overvåke endringen gått ved den kjemiske funksjonaliteten attached til overflaten av PMMA i løpet av de foreslåtte framgangsmåter, en kontaktvinkel for analyse av det resulterende produkt som svarer til hvert trinn ble utført (figur 2). Som vist i figur 2, variasjonene i kontaktvinkelen klart indikerte at overflaten endringer inntraff i løpet av modifikasjonsfremgangsmåter, og den kontaktvinkel på 80,3 ° C ± 0,43 ° som ble målt for det endelige produkt var i overensstemmelse med tidligere rapporterte resultater. 21
I tillegg, ble eksistensen av C-Cl-deler i den modifiserte PMMA også bekreftet via LA-ICP-MS-analyse. Sammenlignet med resultatene oppnådd ved ablating den native PMMA, ble distinkte signaler for Cl observert expectably ved ablating PMMA modifisert med de C-Cl-deler (figur 3 (a)).
Raman-spektrene ble oppsamlet for ytterligere å validere feste av C-Cl-deler til PMMA. Som vist i Figure 3 (b), ble to karakteristiske topper er forbundet med CCl to asymmetriske strekking vibrasjon observert ved 682 cm-1 og 718 cm-1 i spekteret for det modifiserte PMMA og som i rimelig god overensstemmelse med resultatene rapportert av Willis m.fl. . 22 og Hendra et al. 23 med andre ord, kunne feste av C-Cl-deler til PMMA skal lykkes oppnådd etter modifisering.
Videre, for å avklare utvinning mekanisme foreslått i denne studien, ble XANES analyse ansatt. Som antydet i figur 4, kan interaksjonen mellom de sterkt elektronegative C-Cl-deler og de positivt ladede metallioner bli bekreftet ved tilstedeværelse av den dominerende absorpsjon kanten i XANES spekteret som svarer til den modifiserte PMMA behandlet med Mn 2+ ioner. Således ville dipol-elektrostatiske interaksjoner kan faktisk anvendes på on-chip utvinning for tress metallanalysene. De detaljerte analyseresultatene av vannprøver samlet inn fra to elver i Taiwan har blitt beskrevet andre steder. 16
Så langt vi kjenner til, er dette første forsøk på å utnytte en innovativ arbeids strategi i on-chip SPE reaksjon for bestemmelse av spormetallioner, og at den utviklede enheten var betydelig holdbare sammenlignet med andre on-chip SPE teknikker (dvs. mer enn 160 analytiske verk kan oppnås uten nevneverdig forringelse når det gjelder utvinning effektivitet). Ikke desto mindre, fordi en slik ekstraksjon mekanisme er i hovedsak avhengig av samspillet mellom de sterkt elektronegative C-Cl-deler og de positivt ladede metallioner, ble den foreslåtte teknikk antas å være uegnet for ekstraksjon av de negativt ladede hittil.
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. |