纸基微流控芯片同时检测土壤中铬和铁_郭晓利.pdf
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1、2023 年第 4 期分析测试重金属离子因其不能被降解且会在生态系统中累积,已成为最主要的环境污染源之一。它们通过食物链传播,最终导致食品污染,诱发各种慢性疾病,威胁人类的健康和生命 1。因此,准确检测并监测环境中的重金属极为重要。目前,重金属离子的检测主要是原子光谱法、质谱等技术,能够准确检测重金属离子的含量,为环境样本分析提供可靠的依据 2。但这些技术依赖于价格昂贵的专用设备和专业技术人员的操控。因此,在缺乏足够基础设施、专家和适当环境处理的发展中国家和偏远地区,迫切需要操作简单、成本低、便于携带的检测平台。纸基微流控芯片的出现,为重金属离子的检测提供了新的研究平台。纸基微流控芯片是以纸张
2、作为基底材料的一种新型微流控芯片,与传统微流控芯片相比,具有操作简单、成本低、便携、可一次性使用、无需额外驱动力等天然优势,现已成功应用于环境监测、食品分析、生物医学诊断等众多领域。2007年,Whitesizes 团队 3 首次提出纸基微流控芯片的概念,采用光刻法将疏水的 SU8 光刻胶按照预设图案刻在亲水的纸张上,构成亲疏水间隔的结构,即纸基微流控芯片,并成功将其用于蛋白质的检测。之后,各团队致力于研究纸基微流控芯片,先后开发了多种芯片加工技术,可将其归为两类:(1)通过物理或化学方法局部填堵纸张内部空隙形成的疏水屏障来构建亲水通道 4;(2)加工技术无需额外引入疏水材纸基微流控芯片同时检
3、测土壤中铬和铁*郭晓利1,2,王高红3,王伟峰1,解丹萍1,2,翟云会1,2(1.西安文理学院 化学工程学院,陕西 西安 710065;2.西安市食品安全检测与风险评估重点实验室,陕西 西安 710065;3.陕西省地质调查实验中心,陕西 西安 710199)摘要:本文设计并构建了一个基于纸基微流控芯片的便携化重金属离子检测平台,并采用比色法进行多种离子的同时检测。利用机械裁剪法,选用速写纸作为芯片材料,加工出具有 5 个检测区的梅花形纸基微流控芯片,同时搭建便携化检测盒为芯片和拍照提供支撑平台。在优化后的条件下,实现了土壤样品中铬离子和铁离子的同时检测,结果与分光光度法测定结果一致,验证了本
4、文便携化检测平台的实用性和可靠性。关键词:纸基微流控芯片;重金属离子检测;同时检测;便携化检测平台中图分类号:O657.3文献标识码:ASimultaneous determination of chromium and iron in soil by paper based microfluidic chip*GUO Xiao-li1,2,WANG Gao-hong3,WANG Wei-feng1,XIE Dan-ping1,2,ZHAI Yun-hui1,2(1.College of Chemical Engineering,Xian University,Xian 710065,Chin
5、a;2.Xian Key Laboratory of Food Safety Testing andRisk Assessment,Xian 710065,China;3.Shaanxi Institute of Geological Survey Experiment Center,Xian 710199,China)Abstract:In this paper,a portable heavy metal ion detection platform based on paper-based microfluidic chipwas designed and constructed,and
6、 a variety of heavy metal ions are detected simultaneously by colorimetricmethod.Through the mechanical cutting method,using the sketched paper,a quincunx paper-based chip with fivedetection areas was obtained.Then,a portable detection box was built to provide a platform for the chip and photography
7、.Under optimized conditions,the simultaneous detection of chromium and iron ions in soil samples was realized,and the results were consistent with the results of spectrophotometry,which verified the practicability andreliability of the portable detection platform in this paper.Key words:paper-based
8、microfluidic chip;heavy metal ion detection;simultaneous detection;portabledetection platformDOI:10.16247/ki.23-1171/tq.20230425收稿日期:2022-11-08基金项目:陕西省教育厅自然科学研究项目(20JK0869);陕西省地质调查院公益性地质调查项目(202115):秦巴地区中药材生产基地生态环境影响评价;环境污染监测与治理创新团队(205210003);西安文理学院博士科研启动金作者简介:郭晓利(1986-),女,讲师,2018 年毕业于浙江大学化学专业,博士研究
9、生,研究方向:微流控分析。Sum 331 No.4化学工程师ChemicalEngineer2023 年第 4 期2023 年第 4 期质,通过物理机械切割的途径来构建亲水通道5,芯片加工有激光切割法、电子/手工刀切割法、压花法6等。比色法在基于纸基微流控芯片的检测平台中应用最广泛。随着智能化的发展和推广,其设备已从传统的相机、扫描仪、分光光度计等发展到智能手机 7 进行检测,这为价廉、易推广、便携化检测平台的实现提供了新的检测途径。本文针对环境样品中的重金属离子种类繁多的问题,设计具有多个反应检测区的纸基微流控芯片,采用比色法,利用智能手机作为检测工具,在自制便携化拍照盒内进行同时检测多种重
10、金属离子,并将该平台用于同时检测土壤中的铬和铁的含量,检测结果与分光光度法一致,具有较高的可靠性。1实验部分1.1仪器与试剂艾力中号 37A、23A 纸张压花器(台湾艾力有限公司);8K 速写纸(东莞盈彩印刷有限公司);11cm定性滤纸(抚顺市民政滤纸厂);6K 素描纸(上海晨光文具礼品有限公司)。Nova8 智能手机(华为技术有限公司);LS-T5YS-9W-A 型 LED 灯(中山市蓝鲨照明有限公司);Discovery-H 型单道移液器(上海力辰邦西仪器科技有限公司);MDS-6G 型微波消解仪(上海新仪微波化学科技有限公司);UV722G 型紫外分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司);
11、BS224S 型分析天平(赛多利斯科学仪器有限公司)。K2Cr2O2(天津安吉瑞化工有限公司);二苯氨基脲(上海麦克林生化科技有限公司);H2SO4(四川西陇科学有限公司);H3PO4、丙酮,国药集团化学试剂有限公司;NH4Fe(SO4)2 12H2O(西安化学试剂厂);盐酸羟胺(天津市大茂化学试剂厂);乙酸钠、1,10-邻菲罗啉,成都市科龙化工试剂厂;HAc(天津奥普升化工有限公司);无水乙醇(天津市天力化学试剂有限公司),以上试剂均为分析纯;实验用水为纯净水。100mg L-1Cr6+离子储备液准确称取 0.2830g标准品 K2Cr2O7溶于纯水中,定容至 1000mL;使用前,稀释至所
12、需浓度,并保证每 50mL 使用液中含0.5mL 的 H2SO4(1 1)和 0.5mL H3PO4(1 1);二苯氨基脲溶液(铬离子显色剂)称取 0.20g二苯氨基脲溶于50mL丙酮中,并用纯水稀释至100mL,放入冰箱避光保存;100mg L-1Fe3+离子储备液 准确称取 0.1760gNH4Fe(SO4)2 12H2O 于烧杯中,用纯水溶解,加入6mol L-1HCl 溶液 5mL,转移至 250mL 容量瓶中,定容;1,10-邻菲罗啉溶液(铁离子显色剂)称取0.15g 1,10-邻菲罗啉,先用 5mL 95%乙醇溶解,再用纯水稀释到 100mL;乙酸-乙酸钠、盐酸羟胺混合溶液的配制(
13、25mL)取已配好的盐酸羟胺(10%,现配现用)溶液 5mL,加入 20mL 乙酸-乙酸钠缓冲溶液(pH 值为4.5),每 50mL 反应体系中含该混合溶液 25mL。1.2实验方法1.2.1纸基微流控芯片的制作选择合适图案的压花器,将合适的纸放进压花器,手动按压压花器开关,即得到所需图案的纸张。本实验为实现多种离子同时检测,选择梅花形和菊花形的压花器,获得相应的纸基。1.2.2纸基微流控芯片的检测检测原理在酸性溶液中,Cr6+与二苯氨基脲反应,定量生成稳定的紫红色化合物,其最大吸收波长为540nm;在 pH 值为 39 的条件下,Fe2+能与 1,10-邻菲罗啉定量生成稳定的橙红色络合物,在
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