紡織基微流體的修飾與改性

唐蓉　羅琪　王烜　李偉　洪少力

摘要：微流體對生化反應(yīng)起著重要的作用，紡織基微流體因其結(jié)構(gòu)可調(diào)，為微流體生化反應(yīng)提供了新的工具。然而傳統(tǒng)的紡織基微流體，因其親水性有限并且非特異性吸附嚴(yán)重，限制了其在生化領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過在紡織纖維上修飾硝酸纖維素，利用硝酸纖維素對蛋白和核酸的特異性結(jié)合能力，以及對非特異性吸附的降低，改善其在生化領(lǐng)域中的應(yīng)用。并且將等離子體處理和多層硝酸纖維素修飾相結(jié)合，調(diào)控紡織基微流體的流體特性，為紡織基微流體材料在生化領(lǐng)域中的應(yīng)用提供新的途徑。

關(guān)鍵詞：紡織；微流體；硝酸纖維素；等離子體；生化檢測

中圖分類號：TS195.644? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：2097-2911-（2023）02-0050-07

Fabrication and Modification of Textile-based Microfluidics

TANG Rong ， LUO Qi， WANG Xuan ， LI Wei， HONG ShaoLi *

（Hubei Key Laboratory of Biomass Fibers and Eco-Deying&Finishing， College of Chemistry and Chemistry Engineering，Wuhan Textile University，Wuhan 430200，China）

Abstract：Microfluidic flow plays an important role in biochemical reaction. Textile-based microfluidics pro- vide a new tool for microfluidic biochemical reaction due to its adjustable structure. However， traditional textile- based microfluidics have limited hydrophilicity and severe non-specific adsorption， which limits their applica- tion in the field of biochemistry. The textile fiber was modified with multilayer nitrocellulose， enhancing pro- teins and nucleic acids binding ability and reducing nonspecific adsorption to expand its application in biochemi- cal field. Combining with plasma treatment and multilayer cellulose nitrate modification， the fluid characteris- tics of textile-based microfluidics could be regulated， which provides a new way for the application of textile- based materials in biochemical field.

Key words： textile；microfluidic；nitrocellulose；plasma；biodetection

引言

微流體在生化反應(yīng)中起著重要的作用，直接影響反應(yīng)速率和效率。近年來，一些諸如微流控芯片和免疫層析試紙條等新的流體控制技術(shù)的出現(xiàn)，為微流體在生化領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了新的機(jī)遇[1-2]。其中，特別是基于微流體的層析試紙條的出現(xiàn)，前移了疾病的防控端口，為疾病的快速診斷提供了新的技術(shù)手段。目前，層析試紙條主要是依賴于硝酸纖維素膜進(jìn)行制作，硝酸纖維素是一種聚合物，能夠以非共價不可逆的方式與核酸和蛋白質(zhì)結(jié)合，60多年來一直在傳統(tǒng)的印跡和結(jié)合中應(yīng)用[3-5]?；谙跛崂w維素膜（NC膜）的層析試紙條已廣泛應(yīng)用于各類生物分子檢測中，例如甲型流感快檢試劑卡、新型冠狀病毒抗原檢測試劑盒等[6]，為人類抗擊流行性疾病起到了重要的防護(hù)作用。然而，基于硝酸纖維素膜的試紙條受其膜結(jié)構(gòu)的限制，使得流體的調(diào)控有限，逐漸成為其影響檢測性能的一個瓶頸，因此亟需開發(fā)新的檢測試紙條的制作方法。

纖維因其擁有低成本、柔軟等特點(diǎn)，不需要建立疏水屏障，可以通過毛細(xì)作用沿著纖維流動[7]。并且，利用紡織編織技術(shù)就可以很容易地轉(zhuǎn)換成三維結(jié)構(gòu)，為微流體更多功能的控制提供了新的思路。其中，天然棉線是重要的纖維原料，具有較好的生物相容性、柔韌性，屬于親水纖維。但天然棉線表面包被蠟質(zhì)，這些蠟阻礙了液體的運(yùn)輸。等離子體表面處理技術(shù)不僅可以去除棉線表面的蠟質(zhì)，還能增加棉線表面的親水基團(tuán)含量，為解決棉線的親水性提供了方案[8]。目前，RECHES9]等人和LI[10]等人基于纖維提出了一些纖維基微流體分析方法。但是，其纖維表面未經(jīng)修飾，在生物檢測中應(yīng)用存在嚴(yán)重的非特異性吸附，對其應(yīng)用造成了巨大的障礙。因此對紡織基微流體進(jìn)行修飾和改性，對于紡織基微流體在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。

在過去的十多年工作中，我們一直聚焦微流體在生化檢測中的應(yīng)用[11-28]?；谇捌诘难芯炕A(chǔ)，本研究通過將棉線纖維進(jìn)行紡織編織，結(jié)合硝酸纖維素包覆和等離子體處理，實現(xiàn)對紡織基微流體進(jìn)行修飾與改性。等離子體處理能夠改善纖維的親水性能，但是研究中發(fā)現(xiàn)經(jīng)等離子體處理后的棉線與空氣長時間接觸后親水性會明顯下降，影響紡織基微流體的穩(wěn)定性。本研究將紡織纖維包覆上一層硝酸纖維素膜，然后進(jìn)行等離子體處理。為實現(xiàn)等離子體處理之后的表面與空氣的相對隔絕，將處理之后的表面再次包覆上硝酸纖維素，成功地解決了纖維微流體穩(wěn)定性的問題，為纖維基檢測試紙條的開發(fā)提供了基礎(chǔ)。并且，通過硝酸纖維素處理，對纖維表面進(jìn)行了改性處理，使其既保持了對蛋白質(zhì)有較強(qiáng)的結(jié)合能力，也能夠降低其在生物檢測中的非特異性吸附。為紡織基微流體芯片在生物領(lǐng)域中的開發(fā)和使用提供了新的思路。

1實驗部分

1.1實驗原料與試劑

本研究使用的棉線是來自市購直徑為0.6 mm的100%純棉螺紋棉線；

硝酸纖維素（粘度1.1，酸度0.047%，含氮量11.99%，湖北雪飛化工有限公司）；

丙酮（含量99.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；

乙醇（體積分?jǐn)?shù)95%，上海振興化工一廠）；食用色素（連云港新愛食品科技有限公司）；

量子點(diǎn)（武漢珈源量子點(diǎn)技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司）。

1.2設(shè)備與儀器

SGA598-SD型半自動打樣機(jī)（江陰市通源紡機(jī)有限公司）

KRUSS 標(biāo)準(zhǔn)型接觸角測量儀（DSA20）；

等離子體（深圳市束光科技有限公司）；

倒置熒光顯微鏡（日本尼康公司）。

F320熒光分光光度計

1.3實驗過程

1.3.1硝酸纖維素溶液制備

本研究使用醇酮體積比為1∶1混合溶劑作為硝酸纖維素的溶劑。在通風(fēng)櫥中用量筒分別量取相同體積乙醇和丙酮于廣口瓶中并混合均勻形成醇酮混合溶劑備用，用電子天平分別稱取硝酸纖維素于醇酮混合溶劑中，用玻璃棒攪拌使其完全溶解，配成一系列質(zhì)量比的溶液。硝酸纖維素是一種極易燃易爆炸的?；?，使用固體硝酸纖維素及制備好的硝酸纖維素溶液需注意安全，并且均需要儲存在冰箱中備用。

1.3.2微流體織物條帶制備

本研究采用平紋組織編織方法編織實驗中所需的微流體織物條帶，圖1（a）展示了該平紋組織示意圖，其由經(jīng)線和緯線一上一下交織而成。本研究的經(jīng)線和緯線均使用0.6 mm的100%純棉螺紋棉線，采用50號鋼筘，經(jīng)線數(shù)目為8，在半自動打樣機(jī)上進(jìn)行編織，圖1（b）為編織成的平紋組織實物圖。

1.3.3織物條帶的修飾與改性

在實驗中選擇兩種方式進(jìn)行織物條帶的修飾與改性。第一是將棉線纖維單獨(dú)浸入硝酸纖維素溶液進(jìn)行修飾，然后在紡織機(jī)器上進(jìn)行編織。另一種是將編織好的織物條帶在硝酸纖維素中浸泡一段時間后取出，使其表面包覆一層硝酸纖維素薄膜，然后在70℃熱臺上進(jìn)行烘干固化。隨后，采用等離子體對織物條帶進(jìn)行親水改性，探究不同處理時間對其影響。將處理之后的條帶，隨后馬上浸泡在硝酸纖維素溶液中，浸泡時間采用10 min 。然后在70℃熱臺上進(jìn)行再次烘干固化，使其等離子處理后的表面與空氣隔絕。

1.3.4織物條帶的測試方法

為測定親水性的強(qiáng)弱，研究中采用芯吸速率（v）進(jìn)行表征，芯吸是通過毛細(xì)管作用自發(fā)將液體吸收到多孔介質(zhì)中的一種現(xiàn)象，一般發(fā)生在親水性纖維組成的紡織品中。芯吸速率是表征織物親水性最直接、簡單的方法，其數(shù)值等于液體通過毛細(xì)作用爬升織物高度與時間的比值[29]。

實驗中將織物條帶一段系在鐵架臺上，另一端自然下垂并接觸水面，測量并計算兩分鐘內(nèi)的芯吸速率值。由于去離子水在織物條帶中顯色不明顯，肉眼不能很好的觀察，本研究在用于測定親水性的去離子水中加入了少量食用色素作為指示劑，測量色素溶液相同時間條件下在紡織條帶上爬升的距離。

為進(jìn)一步了解織物表面的親水性，利用接觸角進(jìn)行進(jìn)一步表征，液體在親水織物表面會被鋪展開來被織物吸收，通過測量物品表面與液體之間的接觸角大小，得到可量化的接觸角值來表征物品的表面潤濕性，本研究采用KRUSS 標(biāo)準(zhǔn)型接觸角測量儀（DSA20）通過觀察紡織品表面接觸角的變化情況了解其親水性。

1.3.5硝酸纖維素包覆效果觀察

為探究硝酸纖維素在棉線表面的修飾效果，將熒光性能優(yōu)異的熒光量子點(diǎn)，加入到硝酸纖維素溶液中，使硝酸纖維素實現(xiàn)熒光標(biāo)記，經(jīng)修飾之后，通過倒置熒光顯微鏡的熒光激發(fā)，對處理前后的樣品表面的熒光情況進(jìn)行觀察，通過熒光情況可以判斷硝酸纖維素的修飾情況。

1.3.6硝化纖維素處理對非特異性吸附的影響測定

為探究硝化纖維素處理對非特異性吸附的影響，利用熒光標(biāo)記法對硝酸纖維素修飾前后的織物條帶進(jìn)行吸附測試。由于量子點(diǎn)是無機(jī)半導(dǎo)體熒光材料，收集洗滌溶液進(jìn)行熒光強(qiáng)度測定，可以用于對非特異性吸附效果研究。將200μL量子點(diǎn)無機(jī)半導(dǎo)體熒光材料標(biāo)記的溶液分別加入雙層硝化纖維素的織物條帶和未修飾的織物條帶進(jìn)行吸附，隨后將織物條帶用10 mL溶液洗滌10 min，收集洗滌溶液，通過熒光分光光度計分別測定洗滌液的熒光光譜，從而對硝酸纖維素處理前后對降低非特異性吸附效果進(jìn)行評估。

2結(jié)果與分析

2.1不同濃度硝酸纖維處理對親水效果的影響

為了探究硝酸纖維素濃度對微流體親水性的影響，我們配制了一系列不同濃度的硝酸纖維素，然后計算其不同濃度條件下的芯吸速率。表1結(jié)果顯示，在濃度為0.8%時，紡織基微流體具有很好的芯吸速率，并且隨著硝酸纖維素濃度增高，其包覆在織物表面不穩(wěn)定，容易脫落，因此最終我們選擇濃度為0.8%的硝酸纖維素進(jìn)行紡織基微流體的改性。

3???? 0.8? 0.0157

2.2硝酸纖維素包覆效果的表征

為探究硝酸纖維素修飾改性的效果，通過將熒光標(biāo)記的硝酸纖維素對紡織纖維進(jìn)行修飾之后，我們將其放置到倒置熒光顯微鏡中進(jìn)行觀察。通過熒光激發(fā)量子點(diǎn)，我們可以在紡織條帶表面觀察到明顯的熒光信號，如圖2，并且整個棉線纖維呈現(xiàn)均勻的熒光信號，由此可以證明硝酸纖維素均勻的修飾在紡織基微流體表面。

2.3不同等離子體處理時間對親水性的影響

等離子不僅可以去除棉線表面的蠟質(zhì)，還能增加棉線表面的親水基團(tuán)含量，有效增強(qiáng)了棉線的親水性。在實驗中，我們探究了等離子不同處理時間對親水性的影響。選用硝化纖維素濃度為0.8%處理過的織物，用等離子體分別處理45 s、240 s、480 s、720 s之后，測定其芯吸速率，發(fā)現(xiàn)其芯吸速率呈現(xiàn)先升高后降低的特定，當(dāng)處理時間為240 s 時，其速率為最快，達(dá)到0.1000 cm · s-1。長時間的等離子體處理，可能破壞了纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，反而影響了親水性。因此，后續(xù)的等離子體的處理時間我們選擇為240 s。

進(jìn)一步，我們對不同時間等離子體處理表面的接觸角進(jìn)行測定，我們由圖3可以看出，在相同時間條件下，240 s 等離子體處理的棉線上的水珠很快就被完全吸收，而480 s、720 s等離子體處理的棉線上的水珠幾乎沒有變化，而且在這兩個條件下的水珠明顯比240 s處理的棉線上的水珠接觸角更大，水珠更接近球形。由此可以看出240 s等離子體處理是本實驗的最佳條件。

2.4不同硝酸纖維修飾方式的影響

在實驗過程中，我們探究了不同硝酸纖維素修飾方式的影響，第一組將棉線進(jìn)行等離子體處理，然后硝酸纖維素包覆后進(jìn)行編織，如圖4（a）。第二組，是將編織成的紡織條帶包覆一層硝酸纖維素然后進(jìn)行等離子體處理，如圖4（b）。第三組選擇將編織成的紡織條帶包覆一層硝酸纖維素進(jìn)行等離子體處理后再包覆一層硝酸纖維素，如圖4（c）。從三組結(jié)果中，我們可以明顯觀察到通過將硝酸纖維素包覆之后進(jìn)行等離子體處理，然后對條帶進(jìn)行再次包覆，其親水效果最好。其原因是將等離子體處理的表面與空氣進(jìn)行了隔絕，能夠更好的保持表面的親水性能，使其親水效果能夠更加優(yōu)異，能夠滿足在快速檢測中的微流體親水性能。

2.5硝酸纖維對降低非特異性吸附的影響

通過將相同體積和濃度量子點(diǎn)熒光標(biāo)記的溶液對硝酸纖維素修飾前后的織物條帶進(jìn)行吸附，然后進(jìn)行洗滌，收集洗滌溶液進(jìn)行熒光強(qiáng)度測定。從圖5可以看出硝酸纖維素處理之后的織物條帶上洗滌下來的熒光強(qiáng)度為8537.02，是未經(jīng)硝酸纖維素處理織物條帶洗滌溶液熒光強(qiáng)度的12倍，表明硝酸硝酸纖維素處理的織物條帶中有更大量的量子點(diǎn)洗滌下來，比未經(jīng)硝酸纖維素處理的織物條帶非特異性吸附的量子點(diǎn)更少。由此表明，硝酸纖維素的修飾可以大大降低非特異性的吸附，對于后續(xù)的生物應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

3結(jié)論

在該研究中，利用硝酸纖維素包覆織物條帶，可以成功的將硝酸纖維素修飾在織物的表面，為其后續(xù)在生化檢測中對蛋白質(zhì)的結(jié)合和降低非特異性吸附提供了基底。并且，硝酸纖維素的包覆極大降低了非特異性吸附。同時，利用等離子體處理織物條帶的不同方式，可以調(diào)控紡織基微流體的流體性能。并且，通過多層硝酸纖維素的包覆，將等離子體處理效果進(jìn)一步穩(wěn)定，極大地改善了織物條帶中的微流體性能。后續(xù)可以通過紡織編織技術(shù)，進(jìn)一步調(diào)控紡織基微流體的流體特性。以上這些工作，為后續(xù)織物條帶在微流體生物領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了重要的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]HU J， JIANG Y Z， WU L L， et al. Dual- signal readout nanospheres for rapid point-of-care detec- tion? ofebola virus? glycoprotein[J]. Analytical Chemistry， 2017， 89（24）：13105-13111.

[2]ZHANG R Q， LIU S L， ZHAO W， et al. A simple point-of-care microfluidic immunomagnetic fluo- rescence assay for pathogens[J]. Analytical Chem- istry， 2013， 85（5）：2645-51.

[3]Towbin H ， Staehelin T ， Gordon J . Electrophoret- ic transfer of proteins from polyacrylamide gels tonitrocellulose sheets： Procedure and some applica- tions 1979[J].Biotechnology （Reading，? Mass.），1992， 24：145-9.

[4]HAN X X， JIA H Y， WANG Y F， et al. Analytical technique for label- free multi- protein detection based on western blot and surface- enhanced ra- man scattering[J]. Analytical Chemistry， 2008， 80（8）：2799-2804.

[5]YIN L T， HU C Y， CHANG C H. A single layer ni- trocellulose substrate for fabricating protein chips. Sens[J]. Sensors and Actuators B， 2008， 130（1）：374-378.

[6]WU Y， ZHOU Y， LENG Y， et al.Emerging design strategies for constructing multiplex lateral flow test strip sensors[J]. BiosensBioelectron， 2020，157：112168.

[7]BALLERINI D R， LI X， SHEN W. Flow control concepts for thread-based microfluidic devices[J]. Biomicrofluidics， 2011， 5（1）：014105.

[8]XIAO G H， CHEN J， QIAO X D， et al. A wear- able， cotton thread/paper- based microfluidic de- vice coupled with smartphone for sweat glucose sensing[J]. Cellulose， 2019， 26（7）：4553-4562.

[9]RECHES M， MIRICA K A， DASGUPTA R， et al. Thread as a matrix for biomedical assays[J]. ACS Applied Materials & Interfaces， 2010， 2（6）：1722-1728.

[10]LI X， TIAN J， SHEN W. Thread as a versatile material for low- cost microfluidic diagnostics. ACS Appl[J]. Acs Applied Materials &Interfac- es， 2010， 2（1）：1-6.

[11]GUO P L， TANG M， HONG S L， et al. Combina- tion of dynamic magnetophoretic separation and stationary magnetic trap for highly sensitive and selective detection of Salmonella typhimurium in complex matrix[J]. Biosensors and Bioelectron- ics.2015， 74：628-36.

[12]TANG M， WEN C Y， WU L L， et al. A chip as- sisted immunomagnetic separation system for theefficient capture and in situ identification of cir- culating tumor cells[J]. Lab Chip， 2016， 16（7）：1214-23.

[13]洪少力，龐代文， 張志凌.磁控微流控芯片的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].分析科學(xué)學(xué)報， 2016， 32（6）：877-884.

HONG S L， PANG D W， ZHANG Z L. The re- search status and application of magnetic field controlled microfludic chip[J].Journal of Analyti- cal Science， 2016， 32（6）：877-884.

[14]HONG S L， WAN Y T， TANG M， et al. Multi- functional screening platform for the highly effi- cient discovery of aptamers with high affinity and specificity[J]. Analytical Chemistry， 2017， 89（12）：6535-6542.

[15]HONG S L， ZHANG Y N， LIU Y H. et al. Cellu- lar-beacon-mediated counting for the ultrasensi- tive detection of ebola virus on an integrated mi- cromagnetic platform[J]. Analytical? Chemistry， 2018， 90（12）：7310-7317.

[16]HOU Y H， WANG J J， JIANG Y Z， et al. A colo- rimetric and electrochemical immunosensor for point-of-care detection of enterovirus 71[J]. Bio-sensors & Bioelectronics， 2018， 99：186-192.

[17]LIU F， WANG S， LU Z， et al. A simple pyramid- shaped microchamber towards? highly efficient isolation of circulating tumor cells from breast cancer patients[J]. Biomed Microdevices， 2018， 20（4）：83.

[18]ZHANG R Q， HONG S L， WEN C Y， et al. Rap- id detection and subtyping of multiple influenza viruses on a microfluidic chip integrated with controllable micro-magnetic field[J]. Biosensors & Bioelectronics， 2018， 100（Supplement C）：348-354.

[19]HONG S L， XIANG M Q， TANG M， et al. Ebola virus aptamers： from highly efficient selection to application on magnetism- controlled chips[J]. Anal Chem， 2019， 91（5）：3367-3373.

[20]HONG SL， TANG M， CHEN Z， etal. High-perfor- mance multiplex microvalves fabrication and us- ing for tumor cells staining on a microfluidicchip [J]. Biomedical Microdevices，2019， 21（4）：87.

[21]TANG M， LIU F， LEI J， et al. Simple and conve- nient microfluidic flow rate measurement based on microbubble image velocimetry[J]. Microflu- idics and Nanofluidics， 2019， 23（4）：87.

[22]向夢琦， 洪少力， 董浩宇， 等.核酸適配體在微流控芯片中篩選及病毒性疾病中應(yīng)用[J].分析科學(xué)學(xué)報，2019， 35（6）：753-758.

XIANG M Q， HONG S L， DONG， H. Y， et al. Aptamers： Screening in microfluidic chips and application in viral disease[J].Journal of Analyti- cal Science，2019， （6）：753-758.

[23]WANG S， AI Z， ZHANG Z， et al. Simultaneous and automated detection of influenza A virus hemagglutinin H7 and H9 based on magnetism and size mediated microfluidic chip[J]. Sensorsand Actuators B Chemica， 2020， 308：127675.

[24]WANG S， HONG S， CAI S， et al. Negative de- pletion mediated brightfield circulating tumour cell? identification? strategy? on? microparticle-based microfluidic chip[J]. Journal of Nanobio-technology， 2020， 18（1）：70.

[25]HONG S L， ZHANG N， QIN L， et al. An auto- mated detection of influenza virus based on 3-D magnetophoretic separation and magnetic label [J]. Analyst， 2021， 146（3）：930-936.

[26]TANG M， CHEN J， LEI J， et al. Precise and con- venient size barcode on microfluidic chip for multiplex biomarker detection[J]. The Analyst， 2021， 146（19）：5892-5897.

[27]HONG S L， YU Z L， BAO Z H， et al. One-step detection of oral ulcers and oral cancer derived exosomes on wedge- shaped and high magnetic field gradient mediated chip[J]. Sensors and Ac-tuators， B. Chemical， 2022， 357：131403.

[28]HONG S L， ZHANG M F， WANG X， et al. Mag- netic- based microfluidic chip： A powerful tool for pathogen detection and affinity reagents selec-tion[J]. Crit RevAnal Chem， 2023， 1-12.

[29]馬吉康， 房寬峻，劉秀明， 等.棉紗線垂直芯吸效應(yīng)研究[J].針織工業(yè)，2021， （2）：60-64.

MA J K， FANG K J， LIU X M， et al. Research on vertical wicking effect of cotton yarn[J].Knitting Industry，2021，（2）：60-64.

（責(zé)任編輯：周莉）