纸基微流控芯片同时测定消费品中的总铬和双酚A

王 婉 张 庆 李海玉 王志娟 刘雅慧 吕 庆 李文涛

（中国检验检疫科学研究院 北京 100176）

1 前言

利用纸研制的纸基微流控芯片及其应用已成为微流控芯片技术研究的新领域。 纸基微流控芯片由于其廉价易得、制备简单、轻便实用、样品消耗少、无需流体驱动装置、可一次性使用、环境中易降解等优点，在医学快速诊断[1]、食品安全快速检测[2]以及环境质量快速监控[3]等领域具有巨大的潜在应用价值。目前，最常见、最成熟的制备技术有光刻[4，5]、喷墨打印[6，7]、丝网印刷[8，9]、激光 切割[10]、等离 子处 理[11]、蜡印[12，13]等。 然而这些制作方法很难兼顾实际应用中对工艺简便和成本低廉的要求。因此，开发一种成本低廉、操作简单、轻便实用、通道分辨率高、延展性好、环境易降解的制作方法，对于纸基微流控芯片的发展具有十分重要的意义。

微流控芯片的检测技术是对被测组分定性或定量评价的关键，是微流控芯片技术的重要组成部分。基于不同检测联用技术原理，可用于微流控芯片检测联用的技术有光学[14，15]、电化学[16]和质谱技术[17，18]。发展灵敏度高、响应速度快、性能稳定可靠、简单易得、成本低的检测联用技术，是当今的研究趋势。 虽然现阶段对纸基芯片的应用已有部分研究，但在实际分析中，仍需要结合不同的检测技术进行特殊的表面活化或修饰，增加了芯片的制作成本和难度，限制了纸基芯片的应用，在检测方法的灵敏度和兼容性上，还存在很多不足，多目标物的测试范围比较局限。 所以，还需在纸基芯片多组分同时检测和多方法兼容性方面进行进一步探索。

本文基于办公用激光打印机，开发了一种简单快速的纸基微流控芯片的制备方法，并构建了双模式比色-电化学检测平台，分别检测铬离子和双酚A。在加样区滴加混合溶液，溶液流动至比色检测区，铬离子可发生显色反应，流动至电化学检测区域，外接电化学工作站可对双酚A 进行检测，从而实现对多目标物的双模式检测。 该方法简单、便携、分析速度快、可一次性使用，能够很好地应用于临床即时诊断、食品安全和环境监控等领域。

2 试验部分

2.1 仪器与试剂

仪器：激光打印机（HP 1020 LaserJet，惠普）；送风定温恒温箱（DKN612C，yamato）；真空离子溅射仪（108auto，Cressington）；电化学工作站（CS350，武汉科斯特）；液相色谱-质谱联用仪（美国waters 公司）；电感耦合等离子光谱仪（8300，美国PE 公司）；视频光学接触角测量仪（OCA20，德国dataphysics 公司）。

试剂：滤纸（Whatman No.1，厚度 180 μm，孔径11 μm，上海安谱科技股份有限公司）；双酚A 标准品、1，5-二苯基碳酰二肼（1，5-DPC）、邻苯二甲酸酐、聚二丙烯基二甲基氯化铵（PDDA）（美国Sigma-Aldrich 公司）；硝酸铈（成都艾科达化学试剂有限公司）；多壁碳纳米管（南京先丰纳米材料科技有限公司）；铬 Cr（VI）标准 储备 溶液 （1 000 mg/L，美国Accustandard 公司）；实验室用水为去离子水（电阻小于 18.2 MΩ，Milli-Q 纯水系统制备）。 除另有说明，试验所用的化学试剂均为分析纯。

2.2 试验方法

2.2.1 双模式检测平台的设计和制作

在双模式检测平台中，微流控芯片包含2 个通道：左侧显色区检测重金属离子铬，右侧连接电化学传感器，利用线性扫描伏安法（LSV）实现对双酚A的定量检测，详见图1。

微流控通道的制作：使用绘图软件AutoCAD 2013设计多通道微流控通道图案，用激光打印机将微通道图案打印在滤纸上，然后将印有微通道图形的滤纸置于烘箱中，在170℃下热固化处理90 min。 该芯片总体大小为35 mm×15 mm，左侧为比色检测区，右侧为电化学检测区，样品滴加直径为10 mm，预处理区为4 mm×3 mm，检测区直径为4 mm。

比色部分的表面修饰：在预处理区滴加1 μL 的0.35 mM 的硝酸铈铵溶液，在检测区依次滴加2 μL 1，5-DPC 和邻苯二甲酸酐混合溶液、2 μL 1%硫酸溶液、2 μL 5%PDDA，每次滴加后在室温下自然风干5 min。

电化学传感器的制作：将铜版纸裁剪成40 mm×10 mm 的小片，置于真空离子溅射仪中，在溅射电流30 mA，溅射时间80 s 的条件下镀金膜；再将带有直径为5 mm 圆孔的塑料胶带贴在电极上； 取10 μL 0.28%多壁碳纳米管分散液滴加于5 mm 圆孔内，在40℃烘箱中烘干15 min。

图1 双通道检测设计图和实物图

2.2.2 分析方法

在加样区滴加20 μL 待测溶液，待样品流经微流控管道，浸润反应区域，可进行下一步分析。

在比色检测区，铬离子显色5 min 后，使用智能手机将显色纸芯片拍摄成JPEG 格式，将照片导入电脑，使用ImageJ 软件进行颜色强度分析。 调整照片各显色区最优颜色阈值为0~180，再将图片转化为“8-bit”格式，然后将照片反转，最后得到照片的灰度强度。

在电化学检测区，应用线性扫描伏安法（LSV）检测双酚A，静置时间为300 s，电压范围为0.2~0.8 V，扫描速率为100 mV/s。

2.2.3 实际样品检测

将塑料样品粉碎，并用去离子水彻底清洗。称取1.00 g 塑料粉末置于密封玻璃容器， 加入20 mL 0.07 M 盐酸溶液，70℃水浴振荡 48 h。 用 0.22 μm 醋酸纤维素膜过滤后，收集滤液进行分析。

3 结果与讨论

3.1 芯片制作方法的优化

在热固化处理过程中，墨粉中的热塑性聚合物（SA）受热融化并在滤纸的垂直和水平方向扩散，随着热固化时间的延长，SA 可从滤纸表面渗透到滤纸底部，形成“疏水墙”。而墨粉中黑色的氧化铁停留在滤纸的表面，同时可以指示通道的形状，详见图2。

图2 滤纸疏水化机理示意图

SA 的迁移率随温度的升高而增大，同时，当温度高于170℃时，滤纸会变黄，影响试验结果，所以选择170℃作为热固化温度。

在热固化温度为170℃条件下，考察热固化时间对SA 渗透性能的影响。 图3a 给出了印有墨粉图案的背面的表面接触角，热固化时间0~90 min，接触角随着时间增加而增大；当热固化时间大于90 min以后，接触角基本处于稳定状态。 因此，在热固化温度170℃条件下，最优热固化时间为90 min。

SA 随着温度的升高，流动性增强，在水平和垂直方向上的扩散机理，如图3b 所示。 绘图软件设计并打印出的亲水通道的宽度设定值为Ws，在热固化过程中，墨粉中的热塑性聚合物沿着水平和垂直方向扩散，最终在印有墨粉的一侧形成的的亲水通道宽度值为Wt，墨粉背面形成的亲水通道宽度值为Wb。由于SA 在加热过程中为流体状态，在垂直方向上渗透扩散形式为倒锥形，所以制备的亲水通道宽度值，Wb大于Wt。 考察了在热固化过程中，印有墨粉滤纸的顶部亲水通道宽度Wt和底部亲水通道宽度Wb与设定亲水通宽度Ws之间的线性关系，如图3c、d所示。在制备完成的通道内滴加0.1 M 的铁氰化钾液，在室温下自然风干后，亲水通道变为黄色，用智能手机拍摄正面和背面照片，然后使用Adobe Acrobat Reader软件打开通道照片，使用测量工具，计算黄色亲水通道的宽度值。 由计算结果可得，该方法制备的纸基微流控芯片的亲水通道，印有墨粉一面的实际亲水通道宽度值Wb总是大于背面亲水通道宽度值Wt，该试验结果也成功验证了设计的墨粉中SA 在通道内的流动机理。

3.2 双模式比色-电化学检测

无论是环境监控还是消费品质控，总铬和双酚A都是备受关注的有害物质[19，20]。 总铬常用的检测方法是电感耦合等离子体光谱法和原子吸收光谱法，双酚A 的主要检测方法为液相色谱-质谱法和气相色谱-质谱法。这些方法虽然灵敏度高，但仪器昂贵，且需要专业人员进行操作。 目前还没有纸基微流控芯片用于同时检测这2 种物质的报道，本文将采用总铬和双酚A 为模型，验证双模式纸基微流控检测平台的实用性。

图3 热固化时间与SA 渗透性能关系

对于铬离子的检测为：在预处理区滴加硝酸铈铵，将所有价态的铬氧化为Cr（Ⅵ），流至检测区与显色剂1，5-DPC 反应生成深紫色络合物。 颜色强度与Cr（Ⅵ）浓度的对数呈现良好的线性关系。 检测范围为5~80 mg/L，线性方程为y=33.7x+18.5（相关系数R2=0.993）检出限为 1.7 mg/L（信噪比 S/N=3），各浓度下的重现性均在5.2%以下（n=4），详见图4。

在另一侧通道，用电化学法检测双酚A。不同浓度双酚A 的伏安曲线如图5a 所示，在0.5~20 mg/L 内，氧化峰电流随着浓度的增大而增强，峰强度与双酚A 浓度呈线性关系（图5b），线性方程为y=2.257x-0.371（R2=0.998），方法检出限为 0.16 mg/L（S/N=3），各浓度下的重现性均低于7.0%（n=4）。

图4 比色检测中Cr (Ⅵ) 标准曲线和显色图片

该双模式检测方法可以在一个芯片上同时进行比色检测总铬和电化学检测双酚A，芯片简单便携，可一次性使用，方法分析速度快，成本低廉，在环境污染检测和玩具检测等领域均有广阔的应用前景。

3.3 实际样品检测

应用上述方法，对红色聚丙烯（PP）塑料玩具、蓝色聚氯乙烯（PVC）塑料水杯中的总铬和双酚A 进行检测，并将得到的结果分别与电感耦合等离子体光谱法（ICP）和超高效液相色谱-质谱法（UPLC-MS）进行比对，结果详见表1。 在PP 样品中检测到总铬和双酚A，结果与标准方法基本一致，其余样品均未检出待测物。为进一步验证方法准确性，对阴性PVC样品进行了加标回收试验。 总铬的回收率为95.8%～101.4%，双酚A 的回收率分别为92.5%～98.2%。

图5 电化学检测双酚A 的伏安曲线（a）及标准曲线（b）

表1 实际样品中双酚A 和总铬的检测（n=3）

4 结论

本文利用激光打印法制备纸基微流控芯片，构建了一种比色-电化学双模式检测平台，可实现多目标物的同时检测。 以总铬和双酚A 为模型验证了方法的可行性，加样后样品流至比色检测区，实现了对总铬的检测；流至电化学检测区，通过外接电化学工作站，可采集到双酚A 的电化学信号。 该方法极大地扩展了纸基微流控芯片的应用范围。