纺织基微流体的修饰与改性

唐蓉　罗琪　王烜　李伟　洪少力

摘要：微流体对生化反应起着重要的作用，纺织基微流体因其结构可调，为微流体生化反应提供了新的工具。然而传统的纺织基微流体，因其亲水性有限并且非特异性吸附严重，限制了其在生化领域中的应用。通过在纺织纤维上修饰硝酸纤维素，利用硝酸纤维素对蛋白和核酸的特异性结合能力，以及对非特异性吸附的降低，改善其在生化领域中的应用。并且将等离子体处理和多层硝酸纤维素修饰相结合，调控纺织基微流体的流体特性，为纺织基微流体材料在生化领域中的应用提供新的途径。

关键词：纺织；微流体；硝酸纤维素；等离子体；生化检测

中图分类号：TS195.644  文献标志码：A   文章编号：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

微流体在生化反应中起着重要的作用，直接影响反应速率和效率。近年来，一些诸如微流控芯片和免疫层析试纸条等新的流体控制技术的出现，为微流体在生化领域中的应用提供了新的机遇[1-2]。其中，特别是基于微流体的层析试纸条的出现，前移了疾病的防控端口，为疾病的快速诊断提供了新的技术手段。目前，层析试纸条主要是依赖于硝酸纤维素膜进行制作，硝酸纤维素是一种聚合物，能够以非共价不可逆的方式与核酸和蛋白质结合，60多年来一直在传统的印迹和结合中应用[3-5]。基于硝酸纤维素膜（NC膜）的层析试纸条已广泛应用于各类生物分子检测中，例如甲型流感快检试剂卡、新型冠状病毒抗原检测试剂盒等[6]，为人类抗击流行性疾病起到了重要的防护作用。然而，基于硝酸纤维素膜的试纸条受其膜结构的限制，使得流体的调控有限，逐渐成为其影响检测性能的一个瓶颈，因此亟需开发新的检测试纸条的制作方法。

纤维因其拥有低成本、柔软等特点，不需要建立疏水屏障，可以通过毛细作用沿着纤维流动[7]。并且，利用纺织编织技术就可以很容易地转换成三维结构，为微流体更多功能的控制提供了新的思路。其中，天然棉线是重要的纤维原料，具有较好的生物相容性、柔韧性，属于亲水纤维。但天然棉线表面包被蜡质，这些蜡阻碍了液体的运输。等离子体表面处理技术不仅可以去除棉线表面的蜡质，还能增加棉线表面的亲水基团含量，为解决棉线的亲水性提供了方案[8]。目前，RECHES9]等人和LI[10]等人基于纤维提出了一些纤维基微流体分析方法。但是，其纤维表面未经修饰，在生物检测中应用存在严重的非特异性吸附，对其应用造成了巨大的障碍。因此对纺织基微流体进行修饰和改性，对于纺织基微流体在生物领域中的应用起着至关重要的作用。

在过去的十多年工作中，我们一直聚焦微流体在生化检测中的应用[11-28]。基于前期的研究基础，本研究通过将棉线纤维进行纺织编织，结合硝酸纤维素包覆和等离子体处理，实现对纺织基微流体进行修饰与改性。等离子体处理能够改善纤维的亲水性能，但是研究中发现经等离子体处理后的棉线与空气长时间接触后亲水性会明显下降，影响纺织基微流体的稳定性。本研究将纺织纤维包覆上一层硝酸纤维素膜，然后进行等离子体处理。为实现等离子体处理之后的表面与空气的相对隔绝，将处理之后的表面再次包覆上硝酸纤维素，成功地解决了纤维微流体稳定性的问题，为纤维基检测试纸条的开发提供了基础。并且，通过硝酸纤维素处理，对纤维表面进行了改性处理，使其既保持了对蛋白质有较强的结合能力，也能够降低其在生物检测中的非特异性吸附。为纺织基微流体芯片在生物领域中的开发和使用提供了新的思路。

1实验部分

1.1实验原料与试剂

本研究使用的棉线是来自市购直径为0.6 mm的100%纯棉螺纹棉线；

硝酸纤维素（粘度1.1，酸度0.047%，含氮量11.99%，湖北雪飞化工有限公司）；

丙酮（含量99.5%，国药集团化学试剂有限公司）；

乙醇（体积分数95%，上海振兴化工一厂）；食用色素（连云港新爱食品科技有限公司）；

量子点（武汉珈源量子点技术开发有限责任公司）。

1.2设备与仪器

SGA598-SD型半自动打样机（江阴市通源纺机有限公司）

KRUSS 标准型接触角测量仪（DSA20）；

等离子体（深圳市束光科技有限公司）；

倒置荧光显微镜（日本尼康公司）。

F320荧光分光光度计

1.3实验过程

1.3.1硝酸纤维素溶液制备

本研究使用醇酮体积比为1∶1混合溶剂作为硝酸纤维素的溶剂。在通风橱中用量筒分别量取相同体积乙醇和丙酮于广口瓶中并混合均匀形成醇酮混合溶剂备用，用电子天平分别称取硝酸纤维素于醇酮混合溶剂中，用玻璃棒搅拌使其完全溶解，配成一系列质量比的溶液。硝酸纤维素是一种极易燃易爆炸的危化品，使用固体硝酸纤维素及制备好的硝酸纤维素溶液需注意安全，并且均需要储存在冰箱中备用。

1.3.2微流体织物条带制备

本研究采用平纹组织编织方法编织实验中所需的微流体织物条带，图1（a）展示了该平纹组织示意图，其由经线和纬线一上一下交织而成。本研究的经线和纬线均使用0.6 mm的100%纯棉螺纹棉线，采用50号钢筘，经线数目为8，在半自动打样机上进行编织，图1（b）为编织成的平纹组织实物图。

1.3.3织物条带的修饰与改性

在实验中选择两种方式进行织物条带的修饰与改性。第一是将棉线纤维单独浸入硝酸纤维素溶液进行修饰，然后在纺织机器上进行编织。另一种是将编织好的织物条带在硝酸纤维素中浸泡一段时间后取出，使其表面包覆一层硝酸纤维素薄膜，然后在70℃热台上进行烘干固化。随后，采用等离子体对织物条带进行亲水改性，探究不同处理时间对其影响。将处理之后的条带，随后马上浸泡在硝酸纤维素溶液中，浸泡时间采用10 min 。然后在70℃热台上进行再次烘干固化，使其等离子处理后的表面与空气隔绝。

1.3.4织物条带的测试方法

为测定亲水性的强弱，研究中采用芯吸速率（v）进行表征，芯吸是通过毛细管作用自发将液体吸收到多孔介质中的一种现象，一般发生在亲水性纤维组成的纺织品中。芯吸速率是表征织物亲水性最直接、简单的方法，其数值等于液体通过毛细作用爬升织物高度与时间的比值[29]。

实验中将织物条带一段系在铁架台上，另一端自然下垂并接触水面，测量并计算两分钟内的芯吸速率值。由于去离子水在织物条带中显色不明显，肉眼不能很好的观察，本研究在用于测定亲水性的去离子水中加入了少量食用色素作为指示剂，测量色素溶液相同时间条件下在纺织条带上爬升的距离。

为进一步了解织物表面的亲水性，利用接触角进行进一步表征，液体在亲水织物表面会被铺展开来被织物吸收，通过测量物品表面与液体之间的接触角大小，得到可量化的接触角值来表征物品的表面润湿性，本研究采用KRUSS 标准型接触角测量仪（DSA20）通过观察纺织品表面接触角的变化情况了解其亲水性。

1.3.5硝酸纤维素包覆效果观察

为探究硝酸纤维素在棉线表面的修饰效果，将荧光性能优异的荧光量子点，加入到硝酸纤维素溶液中，使硝酸纤维素实现荧光标记，经修饰之后，通过倒置荧光显微镜的荧光激发，对处理前后的样品表面的荧光情况进行观察，通过荧光情况可以判断硝酸纤维素的修饰情况。

1.3.6硝化纤维素处理对非特异性吸附的影响测定

为探究硝化纤维素处理对非特异性吸附的影响，利用荧光标记法对硝酸纤维素修饰前后的织物条带进行吸附测试。由于量子点是无机半导体荧光材料，收集洗涤溶液进行荧光强度测定，可以用于对非特异性吸附效果研究。将200μL量子点无机半导体荧光材料标记的溶液分别加入双层硝化纤维素的织物条带和未修饰的织物条带进行吸附，随后将织物条带用10 mL溶液洗涤10 min，收集洗涤溶液，通过荧光分光光度计分别测定洗涤液的荧光光谱，从而对硝酸纤维素处理前后对降低非特异性吸附效果进行评估。

2结果与分析

2.1不同浓度硝酸纤维处理对亲水效果的影响

为了探究硝酸纤维素浓度对微流体亲水性的影响，我们配制了一系列不同浓度的硝酸纤维素，然后计算其不同浓度条件下的芯吸速率。表1结果显示，在浓度为0.8%时，纺织基微流体具有很好的芯吸速率，并且随着硝酸纤维素浓度增高，其包覆在织物表面不稳定，容易脱落，因此最终我们选择浓度为0.8%的硝酸纤维素进行纺织基微流体的改性。

3     0.8  0.0157

2.2硝酸纤维素包覆效果的表征

为探究硝酸纤维素修饰改性的效果，通过将荧光标记的硝酸纤维素对纺织纤维进行修饰之后，我们将其放置到倒置荧光显微镜中进行观察。通过荧光激发量子点，我们可以在纺织条带表面观察到明显的荧光信号，如图2，并且整个棉线纤维呈现均匀的荧光信号，由此可以证明硝酸纤维素均匀的修饰在纺织基微流体表面。

2.3不同等离子体处理时间对亲水性的影响

等离子不仅可以去除棉线表面的蜡质，还能增加棉线表面的亲水基团含量，有效增强了棉线的亲水性。在实验中，我们探究了等离子不同处理时间对亲水性的影响。选用硝化纤维素浓度为0.8%处理过的织物，用等离子体分别处理45 s、240 s、480 s、720 s之后，测定其芯吸速率，发现其芯吸速率呈现先升高后降低的特定，当处理时间为240 s 时，其速率为最快，达到0.1000 cm · s-1。长时间的等离子体处理，可能破坏了纤维内部的结构，反而影响了亲水性。因此，后续的等离子体的处理时间我们选择为240 s。

进一步，我们对不同时间等离子体处理表面的接触角进行测定，我们由图3可以看出，在相同时间条件下，240 s 等离子体处理的棉线上的水珠很快就被完全吸收，而480 s、720 s等离子体处理的棉线上的水珠几乎没有变化，而且在这两个条件下的水珠明显比240 s处理的棉线上的水珠接触角更大，水珠更接近球形。由此可以看出240 s等离子体处理是本实验的最佳条件。

2.4不同硝酸纤维修饰方式的影响

在实验过程中，我们探究了不同硝酸纤维素修饰方式的影响，第一组将棉线进行等离子体处理，然后硝酸纤维素包覆后进行编织，如图4（a）。第二组，是将编织成的纺织条带包覆一层硝酸纤维素然后进行等离子体处理，如图4（b）。第三组选择将编织成的纺织条带包覆一层硝酸纤维素进行等离子体处理后再包覆一层硝酸纤维素，如图4（c）。从三组结果中，我们可以明显观察到通过将硝酸纤维素包覆之后进行等离子体处理，然后对条带进行再次包覆，其亲水效果最好。其原因是将等离子体处理的表面与空气进行了隔绝，能够更好的保持表面的亲水性能，使其亲水效果能够更加优异，能够满足在快速检测中的微流体亲水性能。

2.5硝酸纤维对降低非特异性吸附的影响

通过将相同体积和浓度量子点荧光标记的溶液对硝酸纤维素修饰前后的织物条带进行吸附，然后进行洗涤，收集洗涤溶液进行荧光强度测定。从图5可以看出硝酸纤维素处理之后的织物条带上洗涤下来的荧光强度为8537.02，是未经硝酸纤维素处理织物条带洗涤溶液荧光强度的12倍，表明硝酸硝酸纤维素处理的织物条带中有更大量的量子点洗涤下来，比未经硝酸纤维素处理的织物条带非特异性吸附的量子点更少。由此表明，硝酸纤维素的修饰可以大大降低非特异性的吸附，对于后续的生物应用提供了基础。

3结论

在该研究中，利用硝酸纤维素包覆织物条带，可以成功的将硝酸纤维素修饰在织物的表面，为其后续在生化检测中对蛋白质的结合和降低非特异性吸附提供了基底。并且，硝酸纤维素的包覆极大降低了非特异性吸附。同时，利用等离子体处理织物条带的不同方式，可以调控纺织基微流体的流体性能。并且，通过多层硝酸纤维素的包覆，将等离子体处理效果进一步稳定，极大地改善了织物条带中的微流体性能。后续可以通过纺织编织技术，进一步调控纺织基微流体的流体特性。以上这些工作，为后续织物条带在微流体生物领域中的应用提供了重要的依据。

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（责任编辑：周莉）