新型3D紙基微流控分析器件的研制及應(yīng)用

玄翠娟, 閆宏濤

(西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710069)

自2007年Martinez等[1]首次報道采用光刻法制作紙基微流控分析器件(μPADs)以來，μPADs以其制作簡單，成本低，便攜，易于存儲和運輸，操作簡單快速等優(yōu)點[2,3]，成為一種簡單理想的分析測定平臺，引起了人們的廣泛研究興趣。然而，具有樣品的在線過濾和測定功能的紙基微流控分析器件鮮有報道[4]。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑及材料

V350型掃描儀(愛普生(上海)有限公司)；DSC-W100數(shù)碼相機(SONY)；水浴鍋(常州普天儀器制造有限公司金壇市晶玻實驗儀器廠)。

棉線、棉滌線、尼龍線、滌綸線(Φ0.6 mm，白色)，市售。棉滌線親水預(yù)處理：按照文獻方法[7]，將一定長度的棉滌線浸入于50 mL 3.0%的十二烷基硫酸鈉(SDS)和1.5%的NaOH混合溶液中，于90 ℃恒溫水浴加熱處理40 min。然后以水反復(fù)洗滌至中性，陰干、備用。

1.2 紙基微流控分析器件的制備

該分析器件主要由進樣、檢測部分和兩個“開關(guān)元件”構(gòu)成，如圖1。進樣部分為一儲液微池(Φ6 mm)，并用一條10 mm長度的進樣棉滌線引入待測樣品。檢測部分為過濾區(qū)(10×5 mm濾紙)和檢測區(qū)(10×5 mm沉積有淀粉-KI的濾紙)。兩個“開關(guān)元件”是將兩條標(biāo)有刻度的45 cm的滌綸線穿過兩個折疊疏水紙(17×11 mm)構(gòu)成。

如圖1A所示，該分析器件整體組裝在一個有機玻璃支架(40×19 mm)上，即在一塊40×19 mm有機玻璃的上平面中間及其兩邊(距中間7 mm處)分別加工一個10×12 mm方形和兩個Φ2 mm圓孔。然后，分別將進樣儲液微池固定于有機玻璃支架方形孔；兩個“開關(guān)元件”分別從有機玻璃支架兩端圓孔下面穿入并固定；過濾區(qū)和檢測區(qū)粘貼于有機玻璃支架兩端的“開關(guān)元件”上。

圖1 3D -μPAD器件制備示意圖(A)和整個器件實物圖(B)Fig.1 Schematic of fabrication of the 3D -μPAD(A) and Photograph of the device(B)

測定時，儲液微池中的待測樣品溶液通過棉滌線微流控通道遷移到過濾區(qū)。此時，提升“開關(guān)元件”的滌綸線(“開關(guān)元件”的作用是使樣品溶液和沉積的淀粉-KI反應(yīng)開始，故文中稱之為“開關(guān)元件”。)，使經(jīng)過濾區(qū)的樣品溶液與沉積有淀粉-KI檢測區(qū)反應(yīng)顯色后，進行圖像軟件處理，計算灰度值進行測定。

為了避免環(huán)境光照等對于該分析器件檢測區(qū)沉積的淀粉-KI的影響，該分析器件除了進樣儲液微池外露，其余部分置于紙質(zhì)微型盒內(nèi)，并儲存于4 ℃避光環(huán)境備用。

1.3 測定方法

圖2 碘酸根測定過程示意圖Fig.2 Diagram of the process for determination of iodate

2 結(jié)果與討論

2.1 紙基微流控分析器件制備條件

2.1.1儲液微池和棉滌線進樣通道該紙基微流控分析器件是利用棉滌線通道的毛細(xì)作用以及液體的重力作用進行進樣。依據(jù)公式：V=hπr2(其中，V為溶液體積，h為儲液微池中液體的高度，r為儲液微池的半徑)可知，儲液微池直徑越小，相同體積的溶液在池中的高度越高，則重力作用越大，進樣速率越快；且棉滌線進樣通道長度過長，則揮發(fā)及吸附損失大。綜合考慮儲液微池體積和棉滌線的進樣通道長度，實驗分別選擇儲液微池尺寸為直徑6 mm，高度3.1 mm(最大容量為90 μL)，棉滌線進樣通道長度為10 mm。

2.1.2棉滌線進樣通道的親水性處理實驗選擇棉滌線作為微流控進樣通道[8]，將樣品溶液從儲液微池輸送到過濾區(qū)。由于商品棉滌線在加工過程中經(jīng)過一定的工藝處理，殘留的紡織化學(xué)品及棉纖維中存在的蠟質(zhì)等對線的親水性有一定的影響。為了增強進樣棉滌線通道的親水性，實驗采用表面活性劑和NaOH混合溶液對其進行親水性處理[7]，即將一定長度的棉滌線浸入到50 mL 3.0%的SDS和1.5%的NaOH混合溶液中，90 ℃恒溫水浴加熱處理40 min，取出用水清洗至中性，陰干、備用。

2.1.3“開關(guān)元件”的疏水紙層數(shù)如上所述，兩個“開關(guān)元件”是將兩條標(biāo)有刻度的45 cm的滌綸線穿過兩個折疊疏水紙(17×11 mm)構(gòu)成?！伴_關(guān)元件”中的折疊疏水紙有兩個作用：其一是保證過濾區(qū)與檢測區(qū)之間的分隔，防止器件在測定前兩區(qū)間接觸；其次是通過“開關(guān)元件”開啟(提升)，以達到控制過濾、測定過程分別進行的目的。雖然過濾區(qū)與檢測區(qū)之間的疏水紙層數(shù)越多，越有利于過濾區(qū)和檢測區(qū)之間的分隔，防止接觸。但是疏水紙層數(shù)多，過濾區(qū)和檢測區(qū)則難以很好的接觸、反應(yīng)。疏水紙層數(shù)少，過濾區(qū)和檢測區(qū)溶液接觸反應(yīng)容易，但在測定前不能使過濾區(qū)和檢測區(qū)兩者良好的分隔。綜合考慮實驗選擇兩層疏水紙構(gòu)成“開關(guān)元件”。

2.1.4檢測區(qū)固定試劑體積實驗考察了檢測區(qū)固定淀粉-KI試劑體積對于測定的影響，結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，檢測區(qū)固化試劑的體積較小時，較小的試劑量不能很好地潤濕并沉積于整個檢測區(qū)，測定體系的灰度值??；固定試劑體積增大，測定體系的灰度值逐漸增大。固定的試劑大于25 μL，測定體系的灰度值趨于穩(wěn)定。因此，實驗選擇檢測區(qū)固定25 μL淀粉-KI溶液。

2.1.5器件的穩(wěn)定性實驗進行了該分析器件的穩(wěn)定性實驗。將其分別保存在室內(nèi)環(huán)境和避光密閉環(huán)境下(4 ℃)，連續(xù)進行15 d測定，其灰度值的變化如圖4所示。表明該分析器件在室內(nèi)自然環(huán)境保存時，體系的灰度值明顯呈持續(xù)上升趨勢。而保存在4 ℃避光密閉環(huán)境，體系的灰度值基本保持不變，穩(wěn)定性良好。實驗將該紙基微流控器件保存在4 ℃密閉避光環(huán)境。

圖3 檢測區(qū)固定試劑體積的影響Fig.3 Effects of the volume of reagent deposited onto the detection zone

圖4 器件的穩(wěn)定性:(A)室內(nèi)環(huán)境;(B)4 ℃,密封于黑色塑料袋中Fig.4 Stability of device:(A)indoor environment;(B)sealed in black plastic bag at 4 ℃

2.2 實驗條件的優(yōu)化

圖5 H2SO4濃度對碘酸根測定的影響Fig.5 Effects of the concentration of H2SO4 on the detection of iodate

圖6 KI濃度對碘酸根測定的影響Fig.6 Effects of the concentration of KI on the detection of iodate

2.2.4進樣時間的選擇實驗考察了進樣時間對測定的影響，如圖8所示。結(jié)果表明，進樣時間較短時，樣品不能完全充滿反應(yīng)區(qū)并與檢測區(qū)試劑反應(yīng)，不利于反應(yīng)的進行；隨著進樣時間增大，到達過濾區(qū)的樣品體積增大，易于過濾區(qū)待測溶液與檢測區(qū)試劑的反應(yīng)進行，灰度值亦逐漸增大。當(dāng)進樣時間為120 s時，體系灰度值基本趨于穩(wěn)定。因此，實驗選擇進樣時間為120 s。

圖7 淀粉濃度對碘酸根測定的影響Fig.7 Effects of the concentration of starch on iodate detection

圖8 進樣時間的影響Fig.8 Effects of the introduction time of sample on iodate detection

2.2.6儲液微池加入溶液體積的影響實驗是通過儲液微池的棉滌線進行進樣，儲液微池加入溶液體積對于測定亦有一定的影響。實驗考察了儲液微池中加入溶液體積對于測定的影響。結(jié)果表明，儲液微池中加入溶液體積在70～90 μL范圍，體系灰度值基本不變(按實驗采用的儲液微池尺寸計，最大容量為90 μL)。因此，實驗儲液微池加入樣品溶液無需嚴(yán)格計量。這樣，有利于該器件在資源缺乏地區(qū)應(yīng)用。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

2.4 干擾實驗

2.5 樣品的測定

表1 食鹽中碘酸根的測定(n=3)

3 結(jié)論