一种纸芯片简易加工方法及在邻二氮菲-铁络合物组成测定中的应用

蔡龙飞，王 泳

（韩山师范学院化学系，广东潮州 521041）

纸芯片（Microfluidic Paper-based Analytical Devices,μPADs）分析是一类新发展起来的分析技术．与传统分析方法相比，纸芯片具有加工简单快速、使用方便、价格低廉、试剂和样品消耗少等优点．自哈佛大学Whitesides 课题组于2007年首次提出纸芯片的概念以来[1]，该技术得到了世界范围内广大科学家特别是分析化学家的重视，在医学临床检测[2]、环境分析[3]及食品分析[4]等方面得到了较为广泛的应用和发展．正因为其在各种分析检测中的广泛应用特别是在发展中国家或落后地区具有较强的应用潜力，在高校甚至中等学校中开展纸芯片实验教学显得日益重要．

选择一种简单、合适的加工方法在纸芯片实验教学中非常重要．纸芯片的加工方法有很多种，各有优缺点．目前文献报道的主要有3类加工方法．第1种是采用喷蜡打印[5,6]、光刻[7,8]、激光刻蚀[9]或等离子体处理[10]等手段．这些方法一般需要使用像喷蜡打印机、光刻机等比较昂贵的仪器，并且这些昂贵仪器常需要由专业人员使用与维护．显然这些方法皆不适于用作教学实验中纸芯片加工．第2类是采用喷墨打印的方式将疏水试剂等打印在滤纸上制作纸芯片[11,12]．这类方法可用于纸芯片的批量加工，但是使用时需改装打印机．其次配制疏水溶液用的有机溶剂易损坏打印机，缩短打印机寿命．第3类加工方法是在金属模的辅助下形成亲疏水区域[13,14]．这一类方法加工简单，亦不需要贵重的仪器设备，但是加工金属模需要有专门的比较昂贵的加工仪器．因此这类方法亦不适于用作纸芯片实验教学中的加工．

目前国内外开展纸芯片实验教学的报道还极少．韩山师范学院化学系已开始了纸芯片的实验教学尝试，在教学实践中，先用打印机在滤纸上打印图案，再由学生用蜡笔沿图案描绘，然后加热使蜡渗透形成疏水墙．初学者使用这种方法加工纸芯片易出现通道堵塞情况．历年的教学实践表明，对于初学者，这种方法的首次加工成功率不会超过30%．本文提出了一种纸芯片简易加工技术，该技术在最优化条件下可提高芯片加工的成功率．先用小刀将滤纸裁切成中间镂空的滤纸模，将其浸泡于十八烷基三甲氧基硅烷的正庚烷溶液后在上面再覆盖一层滤纸．加热使滤纸模上的疏水剂挥发渗透进入覆盖在其上的滤纸．将该方法加工出的芯片成功地应用于铁-邻二氮菲络合物的组成的测定．

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

十八烷基三甲氧基硅烷液体（trimethoxyoctadecylsilane）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司；0.03 mol/L 的邻二氮菲储备液：准确称取0.297 3 g邻二氮菲固体，溶于装有约30 mL 乙醇（甲醇）的烧杯中，转移至50 mL的容量瓶中，以蒸馏水定容至50 mL；10%盐酸羟胺溶液：称取5.00 g盐酸羟胺固体用少量蒸馏水溶解，稀释至50 mL；NaAc溶液：1 mol/L；铁标准储备液（0.01 mol/L）：准确称取0.241 1 g 铁盐NH4Fe（SO4）2·12H2O 置于烧杯中，加入10 mL 6 mol/L HCl 和少量水，稀释至刻度；亚铁标准溶液（2.0×10-4mol/L）：移取1.00 mL 0.01 mol/L 的铁标准储备液于50 mL 容量瓶中，加入10 mL 10%的盐酸羟胺溶液，用蒸馏水定容至刻度，摇匀，静置5 min；邻二氮菲标准工作液：分别移取1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00 及5.00 mL 0.03 mol/L 的邻二氮菲储备液于50 mL 容量瓶中，再分别加入5.00 mL 1 mol/L 的NaAC水溶液，加水稀释至刻度，摇匀，邻二氮菲浓度分别为6.0×10-4、9.0×10-4、1.2×10-4、1.5×10-4、1.8×10-4、2.1×10-4、2.4×10-4及3.0×10-4mol/L.

数显调温微电脑加热板（YH-946B型）；FA2004N型电子天平；数码照相机（佳能ixus95is）．

1.2 纸芯片加工

（1）纸模加工：用CorelDRAW软件设计纸芯片通道构型，排版后打印在裁剪为A4纸大小的滤纸上.裁切打印有芯片图案的滤纸，使之成为中间有图案的滤纸片（5cm×5cm）．用小刀将打印的图案裁切（图1A），加工成中间镂空的滤纸模（图1B）．

图1 纸模的加工与加工好的纸芯片

（2）将模子浸泡在2.0%十八烷基三甲氧基硅烷的正庚烷溶液（含5%乙酸乙酯）中，待滤纸湿透后取出，放置在干净的表面皿上使正庚烷挥发至干．将模子置于一片洁净的玻璃片上，再将一片干净的5cm×5cm滤纸片覆盖于模子上，然后在纸模上覆盖另外一片洁净的玻璃片．

（3）加热：打开YH-946B 数显调温微电脑加热板，调设温度为100 ℃，待温度达到设定温度后，将以上准备好的玻璃夹持芯片放置于加热板上加热，35 min后取下芯片，冷却至室温．放置两小时后备用．

1.3 邻二氮菲亚铁络合物组成的测定方法

准确移取60 μL亚铁标准溶液缓慢滴加到纸芯片图案的中间区域，让溶液自由扩散到八个测定区域，使纸芯片亲水区域均匀润湿，并稍微风干．在8个检测区域分别滴加1.3 μL不同浓度的邻二氮菲溶液，显色后用相机拍照.利用ImageJ软件对图像检测区的灰度进行提取，以灰度值对n(Phen)/n(Fe)作图，求出络合比.

2 结果与讨论

2.1 试剂加入量的确定与计算

因纸芯片容纳液体具有一定的限度，因此需对其最佳加入体积进行测定，本实验分别移取10 μL、20 μL、30 μL、40 μL、50 μL、60 μL的2.0×10-4mol/L铁标准溶液于中间区域进行测试，最终如图2所示，最佳体积为60 μL.

图2 亚铁溶液加入体积的优化

由于用等摩尔比法测定邻二氮菲-亚铁的络合比需使得测量区域邻二氮菲与亚铁离子的摩尔比是确定可知的，故需计算每个测量点的亚铁标准溶液的体积，从而确定邻二氮菲在测量点的加入体积，根据软件测量与计算，测量区域的面积与芯片亲水部分总面积比约为0.064 9，即可计算出每个测量点的铁标准溶液的体积为3.9 μL．因此在各检测区域分别加入1.3 μL邻二氮菲溶液，可计算出各检测区域的邻二氮菲与亚铁离子的摩尔比分别为1、1.5、2、2.5、3、3.5、4和5.经试验1.3 μL亦可润湿整个检测区，而不渗透至通道处．

2.2 铁-邻二氮菲络合比测定

按照前述铁-邻二氮菲络合比测定方法对络合比进行测定，纸芯片上显色分析结果如图3A所示.

利用ImageJ软件提取各检测区域的灰度值并扣除背景灰度值，作灰度-邻二氮菲/铁摩尔比关系曲线（图3B），做切线求出交点，交点的横坐标即为络合物中邻二氮菲与亚铁离子络合比．利用ori⁃gin9.0 的定位读数功能，可读得交点的坐标值如图3B 所示，因此求得phen-Fe（Ⅱ）的络合比约为Phen∶Fe（Ⅱ）=3∶1，与相关文献基本吻合.

图3 邻二氮菲-铁络合比测定结果.

3 结论

本文通过自制纸模结合十八烷基三甲氧基硅烷制作纸芯片，加工工艺简单、价格低廉．非常适合于发展中国家和落后偏远地区纸芯片的制作和应用．将该简易方法加工的纸芯片用于邻二氮菲-亚铁络合比的测定，测定结果与理论值一致，证明该加工技术在纸芯片实验教学中具有较强的应用前景．实验指导教师亦可根据各自实验教学需要设计一些有关临床分析（如葡萄糖检测和蛋白质分析等）、食品分析及环境分析等的教学实验.

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