蔡龍飛，王 泳

（韓山師范學(xué)院化學(xué)系，廣東潮州 521041）

紙芯片（Microfluidic Paper-based Analytical Devices,μPADs）分析是一類新發(fā)展起來(lái)的分析技術(shù)．與傳統(tǒng)分析方法相比，紙芯片具有加工簡(jiǎn)單快速、使用方便、價(jià)格低廉、試劑和樣品消耗少等優(yōu)點(diǎn)．自哈佛大學(xué)Whitesides 課題組于2007年首次提出紙芯片的概念以來(lái)[1]，該技術(shù)得到了世界范圍內(nèi)廣大科學(xué)家特別是分析化學(xué)家的重視，在醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)[2]、環(huán)境分析[3]及食品分析[4]等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展．正因?yàn)槠湓诟鞣N分析檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用特別是在發(fā)展中國(guó)家或落后地區(qū)具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力，在高校甚至中等學(xué)校中開展紙芯片實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得日益重要．

選擇一種簡(jiǎn)單、合適的加工方法在紙芯片實(shí)驗(yàn)教學(xué)中非常重要．紙芯片的加工方法有很多種，各有優(yōu)缺點(diǎn)．目前文獻(xiàn)報(bào)道的主要有3類加工方法．第1種是采用噴蠟打印[5,6]、光刻[7,8]、激光刻蝕[9]或等離子體處理[10]等手段．這些方法一般需要使用像噴蠟打印機(jī)、光刻機(jī)等比較昂貴的儀器，并且這些昂貴儀器常需要由專業(yè)人員使用與維護(hù)．顯然這些方法皆不適于用作教學(xué)實(shí)驗(yàn)中紙芯片加工．第2類是采用噴墨打印的方式將疏水試劑等打印在濾紙上制作紙芯片[11,12]．這類方法可用于紙芯片的批量加工，但是使用時(shí)需改裝打印機(jī)．其次配制疏水溶液用的有機(jī)溶劑易損壞打印機(jī)，縮短打印機(jī)壽命．第3類加工方法是在金屬模的輔助下形成親疏水區(qū)域[13,14]．這一類方法加工簡(jiǎn)單，亦不需要貴重的儀器設(shè)備，但是加工金屬模需要有專門的比較昂貴的加工儀器．因此這類方法亦不適于用作紙芯片實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的加工．

目前國(guó)內(nèi)外開展紙芯片實(shí)驗(yàn)教學(xué)的報(bào)道還極少．韓山師范學(xué)院化學(xué)系已開始了紙芯片的實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試，在教學(xué)實(shí)踐中，先用打印機(jī)在濾紙上打印圖案，再由學(xué)生用蠟筆沿圖案描繪，然后加熱使蠟滲透形成疏水墻．初學(xué)者使用這種方法加工紙芯片易出現(xiàn)通道堵塞情況．歷年的教學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)于初學(xué)者，這種方法的首次加工成功率不會(huì)超過30%．本文提出了一種紙芯片簡(jiǎn)易加工技術(shù)，該技術(shù)在最優(yōu)化條件下可提高芯片加工的成功率．先用小刀將濾紙裁切成中間鏤空的濾紙模，將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蓋一層濾紙．加熱使濾紙模上的疏水劑揮發(fā)滲透進(jìn)入覆蓋在其上的濾紙．將該方法加工出的芯片成功地應(yīng)用于鐵-鄰二氮菲絡(luò)合物的組成的測(cè)定．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

十八烷基三甲氧基硅烷液體（trimethoxyoctadecylsilane）購(gòu)自阿拉丁試劑（上海）有限公司；0.03 mol/L 的鄰二氮菲儲(chǔ)備液：準(zhǔn)確稱取0.297 3 g鄰二氮菲固體，溶于裝有約30 mL 乙醇（甲醇）的燒杯中，轉(zhuǎn)移至50 mL的容量瓶中，以蒸餾水定容至50 mL；10%鹽酸羥胺溶液：稱取5.00 g鹽酸羥胺固體用少量蒸餾水溶解，稀釋至50 mL；NaAc溶液：1 mol/L；鐵標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（0.01 mol/L）：準(zhǔn)確稱取0.241 1 g 鐵鹽NH4Fe（SO4）2·12H2O 置于燒杯中，加入10 mL 6 mol/L HCl 和少量水，稀釋至刻度；亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液（2.0×10-4mol/L）：移取1.00 mL 0.01 mol/L 的鐵標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于50 mL 容量瓶中，加入10 mL 10%的鹽酸羥胺溶液，用蒸餾水定容至刻度，搖勻，靜置5 min；鄰二氮菲標(biāo)準(zhǔn)工作液：分別移取1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00 及5.00 mL 0.03 mol/L 的鄰二氮菲儲(chǔ)備液于50 mL 容量瓶中，再分別加入5.00 mL 1 mol/L 的NaAC水溶液，加水稀釋至刻度，搖勻，鄰二氮菲濃度分別為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.

數(shù)顯調(diào)溫微電腦加熱板（YH-946B型）；FA2004N型電子天平；數(shù)碼照相機(jī)（佳能ixus95is）．

1.2 紙芯片加工

（1）紙模加工：用CorelDRAW軟件設(shè)計(jì)紙芯片通道構(gòu)型，排版后打印在裁剪為A4紙大小的濾紙上.裁切打印有芯片圖案的濾紙，使之成為中間有圖案的濾紙片（5cm×5cm）．用小刀將打印的圖案裁切（圖1A），加工成中間鏤空的濾紙模（圖1B）．

圖1 紙模的加工與加工好的紙芯片

（2）將模子浸泡在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，待濾紙濕透后取出，放置在干凈的表面皿上使正庚烷揮發(fā)至干．將模子置于一片潔凈的玻璃片上，再將一片干凈的5cm×5cm濾紙片覆蓋于模子上，然后在紙模上覆蓋另外一片潔凈的玻璃片．

（3）加熱：打開YH-946B 數(shù)顯調(diào)溫微電腦加熱板，調(diào)設(shè)溫度為100 ℃，待溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，將以上準(zhǔn)備好的玻璃夾持芯片放置于加熱板上加熱，35 min后取下芯片，冷卻至室溫．放置兩小時(shí)后備用．

1.3 鄰二氮菲亞鐵絡(luò)合物組成的測(cè)定方法

準(zhǔn)確移取60 μL亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液緩慢滴加到紙芯片圖案的中間區(qū)域，讓溶液自由擴(kuò)散到八個(gè)測(cè)定區(qū)域，使紙芯片親水區(qū)域均勻潤(rùn)濕，并稍微風(fēng)干．在8個(gè)檢測(cè)區(qū)域分別滴加1.3 μL不同濃度的鄰二氮菲溶液，顯色后用相機(jī)拍照.利用ImageJ軟件對(duì)圖像檢測(cè)區(qū)的灰度進(jìn)行提取，以灰度值對(duì)n(Phen)/n(Fe)作圖，求出絡(luò)合比.

2 結(jié)果與討論

2.1 試劑加入量的確定與計(jì)算

因紙芯片容納液體具有一定的限度，因此需對(duì)其最佳加入體積進(jìn)行測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)分別移取10 μL、20 μL、30 μL、40 μL、50 μL、60 μL的2.0×10-4mol/L鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液于中間區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，最終如圖2所示，最佳體積為60 μL.

圖2 亞鐵溶液加入體積的優(yōu)化

由于用等摩爾比法測(cè)定鄰二氮菲-亞鐵的絡(luò)合比需使得測(cè)量區(qū)域鄰二氮菲與亞鐵離子的摩爾比是確定可知的，故需計(jì)算每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，從而確定鄰二氮菲在測(cè)量點(diǎn)的加入體積，根據(jù)軟件測(cè)量與計(jì)算，測(cè)量區(qū)域的面積與芯片親水部分總面積比約為0.064 9，即可計(jì)算出每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積為3.9 μL．因此在各檢測(cè)區(qū)域分別加入1.3 μL鄰二氮菲溶液，可計(jì)算出各檢測(cè)區(qū)域的鄰二氮菲與亞鐵離子的摩爾比分別為1、1.5、2、2.5、3、3.5、4和5.經(jīng)試驗(yàn)1.3 μL亦可潤(rùn)濕整個(gè)檢測(cè)區(qū)，而不滲透至通道處．

2.2 鐵-鄰二氮菲絡(luò)合比測(cè)定

按照前述鐵-鄰二氮菲絡(luò)合比測(cè)定方法對(duì)絡(luò)合比進(jìn)行測(cè)定，紙芯片上顯色分析結(jié)果如圖3A所示.

利用ImageJ軟件提取各檢測(cè)區(qū)域的灰度值并扣除背景灰度值，作灰度-鄰二氮菲/鐵摩爾比關(guān)系曲線（圖3B），做切線求出交點(diǎn)，交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為絡(luò)合物中鄰二氮菲與亞鐵離子絡(luò)合比．利用ori?gin9.0 的定位讀數(shù)功能，可讀得交點(diǎn)的坐標(biāo)值如圖3B 所示，因此求得phen-Fe（Ⅱ）的絡(luò)合比約為Phen∶Fe（Ⅱ）=3∶1，與相關(guān)文獻(xiàn)基本吻合.

圖3 鄰二氮菲-鐵絡(luò)合比測(cè)定結(jié)果.

3 結(jié)論

本文通過自制紙模結(jié)合十八烷基三甲氧基硅烷制作紙芯片，加工工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉．非常適合于發(fā)展中國(guó)家和落后偏遠(yuǎn)地區(qū)紙芯片的制作和應(yīng)用．將該簡(jiǎn)易方法加工的紙芯片用于鄰二氮菲-亞鐵絡(luò)合比的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果與理論值一致，證明該加工技術(shù)在紙芯片實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景．實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師亦可根據(jù)各自實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要設(shè)計(jì)一些有關(guān)臨床分析（如葡萄糖檢測(cè)和蛋白質(zhì)分析等）、食品分析及環(huán)境分析等的教學(xué)實(shí)驗(yàn).

[1]MARTINEZ A W,PHILLIPS S T,BUTTE M J,et al.Patterned paper as a platform for inexpensive,low-volume,portable bioassays[J].Angew.Chem.Int.Ed.,2007,46(8):1318-1320.

[2]TIAN L M, MORRISSEY J J, KATTUMENU R, et al.Bioplasmonic Paper as a Platform for Detection of Kidney Cancer Biomarkers[J].Anal.Chem.,2012,84(22):9928-9934.

[3]SAMEENOI Y,PANYMEESAMER P,SUPALAKORN N,et al.Microfluidic Paper-Based Analytical Device for Aerosol Oxidative Activity[J].Environ.Sci.Technol.,2013,47(2):932-940.

[4]JOKERST J C, ADKINS J A, BISHA B, et al.Development of a Paper-Based Analytical Device for Colorimetric Detection of Select Foodborne Pathogens[J].Anal.Chem.,2012,84(6):2900-2907.

[5]LU Y, SHI W W, JIANG L, et al.Rapid prototyping of paper-based microfluidics with wax for low-cost, portable bioassay[J].Electrophoresis,2009,30(9):1497-1500.

[6]CARRILHO E,MARTINEZ A W,WHITESIDES G M.Understanding Wax Printing:A Simple Micropatterning Process for Paper-Based Microfluidics[J].Anal.Chem.,2009,81(16):7091-7095.

[7]HE Q H,MA C C,HU X Q,et al.Method for Fabrication of Paper-Based Microfluidic Devices by Alkylsilane Self-Assembling and UV/O-3-Patterning[J].Anal.Chem.,2013,85(3):1327-1331.

[8]KLASNER S A,PRICE A K,HOEMAN K W,et al.Paper-based microfluidic devices for analysis of clinically relevant analytes present in urine and saliva[J].Anal.Bioanal.Chem.,2010,397(5):1821-1829.

[9]CHITNIS G, DING Z W, CHANG C L, et al.Laser-treated hydrophobic paper: an inexpensive microfluidic platform[J].Lab Chip,2011,11(6):1161-1165.

[10]LI X, TIAN J F, NGUYEN T, et al.Paper-Based Microfluidic Devices by Plasma Treatment[J].Anal.Chem., 2008, 80(23):9131-9134.

[11]LI X,TIAN J F,GARNIER G,et al.Fabrication of paper-based microfluidic sensors by printing[J].Colloid Surface B., 2010,76(2):564-570.

[12]ABE K, KOTERA K, SUZUKI K, et al.Inkjet-printed paperfluidic immuno-chemical sensing device[J].Anal.Bioanal.Chem.,2010,398(2):885-893.

[13]SONGJAROEN T,DUNGCHAI W,CHAILAPAKUL O,et al.Novel,simple and low-cost alternative method for fabrication of paper-based microfluidics by wax dipping[J].Talanta,2011,85(5):2587-2593.

[14]DUNGCHAI W,CHAILAPAKUL O,HENRY C S,A low-cost,simple,and rapid fabrication method for paper-based microfluidics using wax screen-printing[J].Analyst,2011,136(1):77-82.