貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 戎小鳳 陳 葡 程桂仙 周鳳雛

滴定緩沖機(jī)理研究

貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 戎小鳳 陳 葡 程桂仙 周鳳雛

本論文采用噴墨打印法設(shè)計(jì)一款帶有緩沖區(qū)域的紙質(zhì)傳感器，通過(guò)對(duì)緩沖機(jī)理的深入研究，確定其緩沖長(zhǎng)度。并基于酶催化葡萄糖實(shí)驗(yàn)，比較不同圖案反應(yīng)區(qū)中顏色分布的詳細(xì)情況來(lái)確認(rèn)反應(yīng)物質(zhì)的均勻性改善程度，從而使裸眼或計(jì)算機(jī)軟件分析低濃度試劑時(shí)變得準(zhǔn)確。

傳感器；緩沖機(jī)理；長(zhǎng)度；低濃度

1 引言

目前紙質(zhì)微流控已成為當(dāng)代傳感器技術(shù)的一種重要方法[1]。其目的是為貧困、邊遠(yuǎn)地區(qū)提供一種非常便利，快捷，比較容易操作的檢測(cè)平臺(tái)。紙質(zhì)微流控技術(shù)的基本原理是運(yùn)用疏水聚合物來(lái)限定親水區(qū)域，從而人為操控流體的空間分布[2]。絕大部分的比色紙質(zhì)微流控設(shè)備在做試驗(yàn)分析的時(shí)候，普遍需要重復(fù)十多次來(lái)獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)論。而造成這種誤差的本質(zhì)原因是傳感物質(zhì)在反應(yīng)區(qū)中造成的非均勻堆疊，從而影響了化學(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行。另外傳感物質(zhì)都只能直接滴定在某個(gè)反應(yīng)的區(qū)域中，而液體的快速流動(dòng)會(huì)將反應(yīng)物質(zhì)沖擊到遠(yuǎn)離滴定點(diǎn)的其他地區(qū)，從而造成所謂的不均勻分布。

基于以上原因，本文將設(shè)計(jì)一種較復(fù)雜圖案的紙質(zhì)生物傳感器，使得緩沖區(qū)域內(nèi)流體流速降低，進(jìn)而提高反應(yīng)物質(zhì)均勻分布。并通過(guò)對(duì)這種緩沖機(jī)理的研究，確定其緩沖長(zhǎng)度，從而使之應(yīng)用于紙質(zhì)傳感器的設(shè)計(jì)中。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，試劑如果通過(guò)一定的緩沖區(qū)域再進(jìn)入反應(yīng)區(qū)進(jìn)行色變反應(yīng)，顏色分布的均勻性有巨大的改善。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

烷基烯酮二聚體（AKD）；正庚烷；EPSON V370掃描儀；中速定量濾紙；D-葡萄糖（超純級(jí)）；葡萄糖氧化酶(＞180U/mg)；辣根過(guò)氧化酶(＞300unit/mg)；碘化鉀（＞99.99%）；烘干箱；噴墨打印機(jī)。

2.2 制備紙質(zhì)傳感器

首先配置體積比為2%的AKD-正庚烷混合試劑，加入噴墨打印機(jī)墨盒中。并使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)則的圖樣，打印圖案再濾紙，將制備好的濾紙圖樣放置于溫度為100C°的烘干箱中，烘烤10分鐘后使之固化AKD，固化的AKD起到限制流體流動(dòng)的作用。沒(méi)有AKD的部分為親水區(qū)域，用于流體流動(dòng)和和化學(xué)反應(yīng)。比色反應(yīng)參考文獻(xiàn)[3]中的葡萄糖檢測(cè)模型。葡萄糖與氧氣在葡萄糖氧化酶（GOD）催化下反應(yīng)生成葡萄糖酸和H2O2，H2O2與碘離子在辣根過(guò)氧化酶（HRP）催化下反應(yīng)生成褐色碘，反應(yīng)區(qū)表面由微黃變?yōu)楹稚?。色變信息被成像設(shè)備捕獲，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件分析色差來(lái)獲得樣品濃度信息。

3 結(jié)果和討論

3.1 緩沖機(jī)理

圖1 流體壓強(qiáng)變化圖

流體進(jìn)入紙質(zhì)介質(zhì)，接觸角的變化造成流體前端壓強(qiáng)的變化，直接改變了流體流速的大小。但是，通過(guò)設(shè)置一條流道，讓反應(yīng)物質(zhì)經(jīng)過(guò)流道，再進(jìn)入有效區(qū)域的方法，能很大地改善流體進(jìn)入紙質(zhì)介質(zhì)的流速情況[4]。其流道的長(zhǎng)度由著名的Lucas-Washburn方程決定：

實(shí)際物理過(guò)程為液體接觸紙基前的那一刻，液體以近似球形的方式被吸附在移液器槍頭上。當(dāng)液體接觸紙質(zhì)介質(zhì)后，紙質(zhì)介質(zhì)將槍頭上的液體吸取至紙質(zhì)介質(zhì)中。這一過(guò)程耗時(shí)極短，液體的形狀快速變化，液體受力不平衡方向被確定為箭頭所指方向。當(dāng)穩(wěn)定時(shí)，已經(jīng)被紙質(zhì)介質(zhì)吸取部分體積的液體形成拱形，接觸角被假設(shè)為直角。這時(shí)液體前進(jìn)面所受壓強(qiáng)被決定，是箭頭末端橫截面所受大氣壓強(qiáng)與毛細(xì)吸力壓強(qiáng)的差值。當(dāng)干燥紙質(zhì)介質(zhì)不停吸取拱形水珠時(shí)，造成接觸角不停減小，降低。當(dāng)接觸角為零時(shí)，將固定在[5]。因此，接觸角變化期間，液體傳輸?shù)穆烦桃矊?huì)被深刻的研究，其機(jī)理如圖1所示。

球形液體從移液器到紙質(zhì)界面上時(shí)，存在形變和需要穩(wěn)定形態(tài)的時(shí)間，這一時(shí)間極短，在建模分析時(shí)被忽略。因此可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的線性方程描述了過(guò)程中接觸角與時(shí)間的關(guān)系。

為方便手工操作，箭頭長(zhǎng)方形區(qū)域?qū)挾仍O(shè)定為3mm，滴定液體體積為5.5uL，接觸角變化過(guò)程持續(xù)約1.5s。水表面張力=72.8mN/m；平均孔半徑=4.5μm；水粘度在25°時(shí)為=8.9×10-4Pa·sec[6]，最終計(jì)算得到L=8.9mm。為了降低試劑的耗量，流道長(zhǎng)度被設(shè)計(jì)成8mm，三角形邊長(zhǎng)也設(shè)計(jì)為8mm。圖2是時(shí)間與緩沖距離關(guān)系曲線關(guān)系圖。

圖2 時(shí)間與緩沖距離關(guān)系曲線

3.2 不同圖案對(duì)均勻度的改善效果

圖3制作兩種圖案的紙質(zhì)器件，一種為簡(jiǎn)單正正方形，邊長(zhǎng)8mm。一種為箭頭型，長(zhǎng)方形區(qū)域3x10mm。分別使用兩種紙質(zhì)平臺(tái)制作葡萄糖傳感器。傳感器在中心處滴定葡萄糖試劑，箭頭形狀的傳感器在箭頭末端滴定葡萄糖試劑，葡萄糖濃度分別為7mM和9mM。常溫反應(yīng)25分鐘后，分析正方形區(qū)域的顏色標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果如圖，實(shí)心正方形數(shù)據(jù)點(diǎn)為1傳感器的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，空心正方形為箭頭形傳感器標(biāo)準(zhǔn)偏差值。通過(guò)一段路程的緩沖，反應(yīng)區(qū)均勻性有20個(gè)灰度的提升。實(shí)心正方形傳感器的顏色分布較為明顯，褐色較多分布在三角形邊緣。試劑進(jìn)入箭頭圖案的傳感器，顏色在反應(yīng)區(qū)中較為均勻。

圖3 均勻性改善圖

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)緩沖效果的機(jī)理研究，確定其緩沖長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)一種帶有緩沖效果的紙質(zhì)器件。這種緩沖器件，可以改善其物質(zhì)均勻性，從而降低紙質(zhì)傳感器在檢測(cè)分析中的重復(fù)次數(shù)。

[1]P．vonLode,Clin．Biochem．2005,38,591-606．

[2]D．Mabey,R．W．Peeling,A．Ustianowski,M．D．Perkins,Nat．Rev．Microbiol．2004,2,231-240．

[3]A．S．Daar,H．Thorsteinsdottir,D．K．Martin,A．C．Smith,S．Nast,P．A．Singer,Nat．Genet．2002,32,229-232．

[4]R．C．Willis,Anal．Chem．2006,78,5261-5265．

[5]Fenton,E．M．;Mascarenas,M．R．;L_opez,G．P．;Sibbett,S．S．ACSAppl．Mater,Interfaces2009,1,124．

[6]Martinez,A．W．;Phillips,S．T．;Butte,M．J．;Whitesides,G．M．Angew．Chem．,Int．Ed．2007,14,1364．