用于水样中痕量金属分析的偶极辅助固相萃取微芯片的制备

本方案的总体目标是利用偶极离子相互作用，制备一种用于检测水样中痕量金属离子的创新固相萃取微芯片。该方法为芯片固相萃取技术在痕量金属离子分析中的应用提供了一种交互式工作策略。所开发的芯片仅通过偶极电极静电作用力来富集金属离子。

这些专业通常仅在芯片上进行快速指令操作。此类操作包括固定相的活化以及结构化介质维护所需的再生步骤。演示该操作流程的将是来自Soon博士实验室的研究生周昱辰（Yu-Chen Chuang）和赵佩君（Pei-Chun Chao）。

首先，使用计算机辅助设计（CAD）软件绘制芯片的网络图案，如图所示。聚焦激光光源，然后将一块 2 mm 厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板材安装在激光微加工系统的工作台上。在 CAD 软件中选择打印，然后使用微加工系统的控制面板将功率设置为 45% 或 4.5 瓦，速度设置为 13% 或 99.06 mm/s，笔模式设置为矢量（VECT）模式。

根据制造商的说明，使用激光微加工系统对PMMA板材进行加工。此处显示了加工设备与板材的横截面示意图。接下来，在已加工图案的板材上钻三个直径为1/16英寸的孔，用于底部板上的样品入口、缓冲液入口和LU入口。

然后在盖板上钻一个用于汇流出口的孔。将加工好的板件浸入一升0.1% SDS溶液中，并通过振荡器进行超声波振荡处理十分钟。随后将SDS溶液更换为去离子水。

使用超声波振荡器震荡十分钟。将残留的去离子水更换为一升新鲜的去离子水，然后将加工好的板片再次浸入其中，在超声波震荡条件下处理十分钟，此步骤共进行第三次。随后，用温和的氮气流吹扫每块清洗后的板片两分钟以使其干燥。

干燥后，用肉眼对齐两个加工好的平板，然后使用长尾夹将这两个平板夹在两块玻璃板之间进行压紧。由于后续步骤中光化学反应会对芯片通道进行修饰，因此应极为小心地操作基底，以防止表面受损。若受到辐射照射，可能会妨碍实验进程。

接下来，在105摄氏度下加压30分钟，使两块板粘合。然后将该夹心结构冷却至室温，并取下文件夹夹和玻璃板。将外径为1/16英寸的聚醚醚酮管插入通路孔中。

然后将双组分环氧基粘合剂的两种组分充分混合，并使用该双组分环氧基粘合剂固定导管。在室温下静置，使环氧树脂固化12小时。将管路穿过蠕动泵并插入饱和氢氧化钠溶液中。

以每分钟100微升的流速向通道中输送氢氧化钠溶液，持续12小时。去除残留的氢氧化钠溶液，然后用去离子水冲洗通道内部。随后去除残留的去离子水，并向微芯片中注入0.5摩尔/升的硝酸溶液。

去除残留的硝酸溶液，然后在避光条件下搭建系统，将50%丙烯酰胺溶液导入微芯片中。以每分钟100微升的流速将丙烯酰胺溶液注入微芯片，持续8小时。随后去除残留的丙烯酰胺溶液，并用去离子水冲洗通道内部。

冲洗结束后，通过微芯片泵入空气以去除残留的去离子水，然后用自制的光掩模覆盖微芯片，使提取通道的特定区域能够暴露于光照下。接下来，取一个抑制剂去除固相萃取柱，使用泵以至少三倍柱体积的乙醇冲洗萃取柱。随后用三倍柱体积的1:1二氯乙烯冲洗萃取柱。

由于1:1-二氯乙烯在抑制剂去除后会变得不稳定，因此含氯的固相萃取柱应尽快使用。接下来，将1 mL的1:1-二氯乙烯通过处理过的萃取柱，然后将洗脱组分收集至用铝箔包裹的20 mL样品瓶中。

然后，将491 µL的1:1二氯乙烯样品转移至含有12 mg AIBN、3.18 mL乙醇和1.65 mL正己烷的溶液中，置于100 mL玻璃瓶内。使用注射器向芯片通道注入约200 µL含氯的SPE生成溶液。随后，将微芯片暴露于最大发射波长为365 nm的紫外光下照射10分钟。

通过向通道中注入200微升含有SPE形成溶液的新鲜氯溶液，替换残留溶液，并再次将微芯片暴露于紫外光辐射下10分钟。重复此过程共18次。最后，使用蠕动泵以每分钟100微升的流速用乙醇冲洗通道内部30分钟。

当冲洗结束后，通过微芯片泵入空气以去除残留的乙醇。使用蠕动泵除去残余溶液后，将制备好的微芯片存放在自封袋中以备后续使用。在逐步生长过程中，采用接触角测量来监测表面变化。

接触角的变化明显表明，在改性过程中表面发生了变化。最终产物的接触角测得为80.3度。通过激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析，确认了改性PMMA上存在碳氯基团。

与消融原始PMMA所得结果相比，消融经碳氯基团修饰的PMMA时，明显观察到氯的特征信号。通过拉曼光谱进一步验证碳氯基团是否成功连接至PMMA。在修饰后PMMA的光谱中，观察到两个与碳氯不对称伸缩振动相关的特征峰，分别位于682 cm⁻¹和718 cm⁻¹，表明碳氯基团已成功连接。

用于痕量金属分析的芯片上萃取过程中的重要偶极静电相互作用，可通过X射线吸收近边结构进行测量。结果表明，经修饰的表面与二价锰离子具有较强的相互作用。观看本视频后，您应能够充分理解如何制备偶极辅助固相萃取（SPE）微芯片。该技术为环境科学领域的研究人员提供了有效手段，可用于检测天然水体中导致严重污染的金属离子及其毒理学分布。

一旦掌握，该技术可应用于环境管理和污染预防。