新型3D纸基微流控分析器件的研制及应用

2016-10-16玄翠娟闫宏涛

分析科学学报 2016年1期

玄翠娟, 闫宏涛

(西北大学化学与材料科学学院，陕西西安 710069)

自2007年Martinez等[1]首次报道采用光刻法制作纸基微流控分析器件(μPADs)以来，μPADs以其制作简单，成本低，便携，易于存储和运输，操作简单快速等优点[2,3]，成为一种简单理想的分析测定平台，引起了人们的广泛研究兴趣。然而，具有样品的在线过滤和测定功能的纸基微流控分析器件鲜有报道[4]。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂及材料

V350型扫描仪(爱普生(上海)有限公司)；DSC-W100数码相机(SONY)；水浴锅(常州普天仪器制造有限公司金坛市晶玻实验仪器厂)。

棉线、棉涤线、尼龙线、涤纶线(Φ0.6 mm，白色)，市售。棉涤线亲水预处理：按照文献方法[7]，将一定长度的棉涤线浸入于50 mL 3.0%的十二烷基硫酸钠(SDS)和1.5%的NaOH混合溶液中，于90 ℃恒温水浴加热处理40 min。然后以水反复洗涤至中性，阴干、备用。

1.2 纸基微流控分析器件的制备

该分析器件主要由进样、检测部分和两个“开关元件”构成，如图1。进样部分为一储液微池(Φ6 mm)，并用一条10 mm长度的进样棉涤线引入待测样品。检测部分为过滤区(10×5 mm滤纸)和检测区(10×5 mm沉积有淀粉-KI的滤纸)。两个“开关元件”是将两条标有刻度的45 cm的涤纶线穿过两个折叠疏水纸(17×11 mm)构成。

如图1A所示，该分析器件整体组装在一个有机玻璃支架(40×19 mm)上，即在一块40×19 mm有机玻璃的上平面中间及其两边(距中间7 mm处)分别加工一个10×12 mm方形和两个Φ2 mm圆孔。然后，分别将进样储液微池固定于有机玻璃支架方形孔；两个“开关元件”分别从有机玻璃支架两端圆孔下面穿入并固定；过滤区和检测区粘贴于有机玻璃支架两端的“开关元件”上。

图1 3D -μPAD器件制备示意图(A)和整个器件实物图(B)Fig.1 Schematic of fabrication of the 3D -μPAD(A) and Photograph of the device(B)

测定时，储液微池中的待测样品溶液通过棉涤线微流控通道迁移到过滤区。此时，提升“开关元件”的涤纶线(“开关元件”的作用是使样品溶液和沉积的淀粉-KI反应开始，故文中称之为“开关元件”。)，使经过滤区的样品溶液与沉积有淀粉-KI检测区反应显色后，进行图像软件处理，计算灰度值进行测定。

为了避免环境光照等对于该分析器件检测区沉积的淀粉-KI的影响，该分析器件除了进样储液微池外露，其余部分置于纸质微型盒内，并储存于4 ℃避光环境备用。

1.3 测定方法

图2 碘酸根测定过程示意图Fig.2 Diagram of the process for determination of iodate

2 结果与讨论

2.1 纸基微流控分析器件制备条件

2.1.1储液微池和棉涤线进样通道该纸基微流控分析器件是利用棉涤线通道的毛细作用以及液体的重力作用进行进样。依据公式：V=hπr2(其中，V为溶液体积，h为储液微池中液体的高度，r为储液微池的半径)可知，储液微池直径越小，相同体积的溶液在池中的高度越高，则重力作用越大，进样速率越快；且棉涤线进样通道长度过长，则挥发及吸附损失大。综合考虑储液微池体积和棉涤线的进样通道长度，实验分别选择储液微池尺寸为直径6 mm，高度3.1 mm(最大容量为90 μL)，棉涤线进样通道长度为10 mm。

2.1.2棉涤线进样通道的亲水性处理实验选择棉涤线作为微流控进样通道[8]，将样品溶液从储液微池输送到过滤区。由于商品棉涤线在加工过程中经过一定的工艺处理，残留的纺织化学品及棉纤维中存在的蜡质等对线的亲水性有一定的影响。为了增强进样棉涤线通道的亲水性，实验采用表面活性剂和NaOH混合溶液对其进行亲水性处理[7]，即将一定长度的棉涤线浸入到50 mL 3.0%的SDS和1.5%的NaOH混合溶液中，90 ℃恒温水浴加热处理40 min，取出用水清洗至中性，阴干、备用。

2.1.3“开关元件”的疏水纸层数如上所述，两个“开关元件”是将两条标有刻度的45 cm的涤纶线穿过两个折叠疏水纸(17×11 mm)构成。“开关元件”中的折叠疏水纸有两个作用：其一是保证过滤区与检测区之间的分隔，防止器件在测定前两区间接触；其次是通过“开关元件”开启(提升)，以达到控制过滤、测定过程分别进行的目的。虽然过滤区与检测区之间的疏水纸层数越多，越有利于过滤区和检测区之间的分隔，防止接触。但是疏水纸层数多，过滤区和检测区则难以很好的接触、反应。疏水纸层数少，过滤区和检测区溶液接触反应容易，但在测定前不能使过滤区和检测区两者良好的分隔。综合考虑实验选择两层疏水纸构成“开关元件”。

2.1.4检测区固定试剂体积实验考察了检测区固定淀粉-KI试剂体积对于测定的影响，结果如图3所示。结果表明，检测区固化试剂的体积较小时，较小的试剂量不能很好地润湿并沉积于整个检测区，测定体系的灰度值小；固定试剂体积增大，测定体系的灰度值逐渐增大。固定的试剂大于25 μL，测定体系的灰度值趋于稳定。因此，实验选择检测区固定25 μL淀粉-KI溶液。

2.1.5器件的稳定性实验进行了该分析器件的稳定性实验。将其分别保存在室内环境和避光密闭环境下(4 ℃)，连续进行15 d测定，其灰度值的变化如图4所示。表明该分析器件在室内自然环境保存时，体系的灰度值明显呈持续上升趋势。而保存在4 ℃避光密闭环境，体系的灰度值基本保持不变，稳定性良好。实验将该纸基微流控器件保存在4 ℃密闭避光环境。

图3 检测区固定试剂体积的影响Fig.3 Effects of the volume of reagent deposited onto the detection zone

图4 器件的稳定性:(A)室内环境;(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 实验条件的优化

图5 H2SO4浓度对碘酸根测定的影响Fig.5 Effects of the concentration of H2SO4 on the detection of iodate

图6 KI浓度对碘酸根测定的影响Fig.6 Effects of the concentration of KI on the detection of iodate

2.2.4进样时间的选择实验考察了进样时间对测定的影响，如图8所示。结果表明，进样时间较短时，样品不能完全充满反应区并与检测区试剂反应，不利于反应的进行；随着进样时间增大，到达过滤区的样品体积增大，易于过滤区待测溶液与检测区试剂的反应进行，灰度值亦逐渐增大。当进样时间为120 s时，体系灰度值基本趋于稳定。因此，实验选择进样时间为120 s。

图7 淀粉浓度对碘酸根测定的影响Fig.7 Effects of the concentration of starch on iodate detection

图8 进样时间的影响Fig.8 Effects of the introduction time of sample on iodate detection

2.2.6储液微池加入溶液体积的影响实验是通过储液微池的棉涤线进行进样，储液微池加入溶液体积对于测定亦有一定的影响。实验考察了储液微池中加入溶液体积对于测定的影响。结果表明，储液微池中加入溶液体积在70～90 μL范围，体系灰度值基本不变(按实验采用的储液微池尺寸计，最大容量为90 μL)。因此，实验储液微池加入样品溶液无需严格计量。这样，有利于该器件在资源缺乏地区应用。