CN107589113B

CN107589113B - 一种纸基双模式检测铅离子的方法

Info

Publication number: CN107589113B
Application number: CN201710859260.8A
Authority: CN
Inventors: 于京华; 徐金梦; 张彦; 孔庆坤; 葛慎光
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: CN107589113A

Abstract

本发明公开了一种纸基双模式检测铅离子的方法。利用蜡打印和激光切割技术在纸上制备疏水区域和亲水区域，并借助丝网印刷技术，印制三电极。通过多种方法对纸芯片的不同区域进行功能化，利用3,3’,5,5’‑四甲基联苯胺的显色作用可以实现对铅离子的可视化预判。利用铅离子和DNA酶的特异性识别作用以及葡萄糖氧化酶对葡萄糖的特异性催化，借助电化学工作站可以实现对待测物的超灵敏检测。

Description

一种纸基双模式检测铅离子的方法

技术领域

本发明涉及一种纸基双模式检测铅离子的方法，属于铅离子的检测技术领域。

背景技术

铅离子是环境中重要的有毒重金属离子污染物，其对人体尤其是儿童健康的危害已引起社会的广泛关注。铅离子超标影响智力发育和骨骼发育，导致消化不良、内分泌失调、免疫功能下降等。因此，对铅离子浓度的分析与检测对人体健康和环境保护有着重要意义。

目前检测铅离子的方法主要有离子印记法、电化学生物传感器法、原子吸收光谱法、荧光光谱法等。尽管这些方法选择性强、灵敏度高、分析范围广，但上述方法对铅离子浓度进行检测需要特定的设备，设备本身较为昂贵，不具有经济性；另外，上述方法测定周期长，分析过程较为复杂，无法实现铅离子的实时测定。

微流控纸芯片作为新型设备能够通过毛细作用实现无动力流体运输，网状分布的纤维能够储存试剂，高的表面积与体积比可以提高比色测定的检测限，并且具有制作过程简单、易携带、成本低、生物相容性和生物降解能力好等优点，可以用于环境质量监控、水质分析和疾病检测等领域。

发明内容

针对目前存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理，成本低廉，操作简便，环境友好且灵敏度高的纸基双模式设备的构建方法，其特征是包括以下步骤：

1. 在计算机上利用Adobe Illustrator CS4软件设计十字形疏水蜡打印图案并利用喷蜡打印机将其批量打印到裁剪的A4尺寸滤纸上，随后将其在加热板加热至蜡融化并渗透整个纸的厚度，形成疏水墙，样式如附图1所示，其中1为通道板，2为检测板，3为参比板，4、5为遮光板；其中通道板用来辅助液体流动，使得检测板工作区域的液体流动到比色条以实现可视化预判，遮光板用来防止外部光源对可视化反应的干扰，检测板与参比板结合可以实现对目标物的精准检测。

2.采用丝网印刷的方法将工作电极印刷到检测板，参比电极和对电极印刷到参比板，将通道板中的由蓝色疏水图案包围的白色圆形区域居中进行打孔，孔直径比圆形区域直径小1 mm；将由蓝色疏水图案包围的白色矩形区域b 居中进行切割，宽度比矩形区域的宽度小0.5 mm。

3. 在参比板的矩形连接端口背面通过种子溶液生长法生长花状金纳米粒子，具体生长步骤为：首先将80 mL 二次水加热至90 ℃，并加入0.8 mL质量分数为 1% 的氯金酸溶液，继续加热至96 ℃保持1 min，最后加入2.8 mL 质量分数为1%的柠檬酸钠，并加热8min得到金种子溶液，将20 μL金种子溶液滴加在工作区域，静置晾干，重复三次；其次将100μL 200 mmol/L的抗坏血酸和100 μL 质量分数为1%的氯金酸溶液混合，并取20 μL滴加到带有种子溶液的工作区域，静置30 min，用二次水水冲洗3次。

4.对检测板的白色圆形工作区域进行功能化，首先通过种子溶液生长法生长花状金纳米粒子，参考步骤3，其次将由1-5 μmol/mL DNA链P1, 1-5 mmol/L三（2-羧乙基）膦和pH 8.0的缓冲溶液组成的混合溶液滴加到金纳米粒子修饰的工作区域，自然晾干后继续滴加1-5 mmol/L的封闭液，用pH 8.0的缓冲溶液多次冲洗工作区域并自然晾干，最后，取适量DNA链P2/还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物于工作区域，并于37℃保持2小时，将工作区域浸入pH 8.0的缓冲溶液中5-10分钟以减少非特异性吸附。

5. 取适量15-25 mmol/L 3,3’,5,5’-四甲基联苯胺和 6-10 mmol/L H₂O₂滴加到比色条，并自然晾干；其次将含有铅离子的待测溶液滴加于工作区域中，将通道板沿虚线对折于检测板上部，样式如附图2 所示，将 pH 8.0的缓冲溶液通过通道板直径为5-8 mm的白色圆形区域滴加于检测板的工作区域，液体通过通道Ⅰ流入检测板的比色条，10秒后将比色条置于颜色采集窗口，读取颜色灰度值。

6. 将参比板沿虚线对折于检测板下部，样式如附图3 所示，将葡萄糖和鲁米诺加入到pH 8.0的缓冲溶液，完全溶解后取适量所得溶液滴加到检测板的圆形亲水工作区域中，将此纸基双模式设备连接电化学工作站精准检测铅离子浓度。

7. 分别绘制电化学发光强度和灰度与铅离子浓度的标准曲线，完成铅离子的测定。

本发明的有益效果：

1. 一种纸基双模式设备可对铅离子进行可视化预判和精准检测，可视化预判测定铅离子在允许浓度范围内即无需进行精准检测，降低了实验成本。

2. 通过改变离子特异性DNA酶，可实现对其他重金属离子的分析与检测。

3. 相比于传统的玻碳电极和玻璃电极，纸基材原料丰富、质量轻、廉价、易折叠、可降解。

4. 纸基传感器柔韧灵活，携带方便，可以剪裁、弯曲、折叠和可塑，后处理简单，不会对环境造成污染。

5. 纸张通常是白色的，背景信号低，有利于进行比色检测。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细描述：

图1是疏水蜡打印图案上丝网印刷工作电极、参比电极、对电极。

图2是微流控设备可视化检测目标物折叠示意图。

图3是微流控设备精准检测目标物折叠示意图。

具体实施方式

实施例1（自来水中的铅离子）

一种操作简单、检测速度快、成本低廉的纸基双模式检测铅离子的方法，包括以下步骤：

2. 采用丝网印刷的方法将碳工作电极印刷到检测板，Ag/AgCl参比电极和碳对电极印刷到参比板，将通道板中的由蓝色疏水图案包围的白色圆形区域居中进行打孔，孔直径比圆形区域直径小1 mm；将由蓝色疏水图案包围的白色矩形区域b 居中进行切割，宽度比矩形区域的宽度小0.5 mm。

4. 对检测板的白色圆形工作区域进行功能化，首先通过种子溶液生长法生长花状金纳米粒子，参考步骤3，其次，在生长有金纳米粒子的工作区域修饰DNA链P1，具体步骤为：取20 μL由30 μL 1μmol/mL P1, 500 μL 1 mmol/L三（2-羧乙基）膦和500 μL pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液组成得混合溶液滴加到金纳米粒子修饰的工作区域，并自然晾干后继续滴加20 μL 1 mmol/L的巯基己醇封闭液，用10 mmol/L pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液多次冲洗工作区域并自然晾干；最后，在工作区域修饰DNA链P2/还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物，具体步骤为：称取105 mg聚乙烯吡咯烷酮，300 mg 溴化钾, 57 mg 氯钯酸钠分散于10 mL 二次水中，使其完全溶解；将上述得到的混合溶液置于油浴锅中80 ℃磁力搅拌下反应3小时，冷却至室温，用乙醇和二次水洗涤出去多余的溴离子；将由1.0 mL 上述Pd种子溶液，5.0 mL二次水，5 mg 聚乙烯吡咯烷酮，3.0 mg 抗坏血酸组成的混合溶液置于20 mL圆底烧瓶中，在油浴锅中95 ℃磁力搅拌下反应20 min，用移液枪取268 μL 24.3 mmol/L的氯金酸溶液加入圆底烧瓶，继续于95 ℃下加热15min，冷却至室温，用乙醇和二次水洗涤数次得到PdAu纳米粒子，4 ℃保存；将由2.5 mL2.0 mg/mL氧化石墨烯溶液，7.5 mL二次水，10 mL聚乙烯亚胺，100 μL 氨水组成的混合溶液于室温磁力搅拌下反应30 min后置于油浴锅中60 ℃磁力搅拌下反应12小时，加入300 μL PdAu纳米粒子并于油浴锅中60 ℃下反应12小时，得到的溶液用乙醇和二次水洗涤数次得到还原氧化石墨烯/PdAu复合物；将由1.0 mL 1.0 mg/mL 氧化石墨烯/PdAu复合物, 1.0mL 100 µg/mL 葡萄糖氧化酶组成的混合溶液磁力搅拌下反应2小时，加入5.0 mL 封闭液超声处理2小时，用乙醇和二次水洗涤数次，得到rGO-PdAu-GOx 纳米复合物，最后，10 µL10 mmol/L P2用1.5µL10 mmol/L 的三(2-羧乙基)膦和pH 5.2的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液活化以断裂二硫键，向其中加入 1.0 mL 还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物于磁力搅拌下反应16小时，将其加入250 µL 100 mmol/L氯化钠溶液和250 µL pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液中过夜，经过数次离心洗涤得到DNA链P2/还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物；取20 μL DNA链P2/还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物工作区域，并于37 ℃保持2小时，将工作区域浸入pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液中5-10分钟以减少非特异性吸附，所述的DNA链P1碱基序列如核苷酸序列表所示，其中其5’端修饰上1个巯基和6个亚甲基，所述的DNA链P2碱基序列如核苷酸序列表所示，其中其5’端修饰有1个巯基和6个亚甲基，且自左向右第十个碱基A代表腺嘌呤核糖核酸。

5. 取20 μL 20 mmol/L 3,3’,5,5’-四甲基联苯胺和10 μL 5 mmol/L H₂O₂滴加到比色条，并自然晾干；取20 μL含有铅离子的待测溶液滴加到工作区域中，将通道板沿虚线对折于检测板上部，取40 μL pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液滴加于检测板的工作区域，液体通过通道Ⅰ流入检测板的比色条，10秒后将比色条置于颜色采集窗口，读取颜色灰度值。

6. 将参比板沿预留空白区域对折于检测板下部，取0.36 g葡萄糖和0.012 g鲁米诺加入到40 mL pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液，完全溶解后取20μL所得溶液滴加到检测板的圆形亲水工作区域中，将此纸基双模式设备连接到电化学工作站精准检测铅离子浓度。

采用本发明方法测得的结果见表1。

从表1中的结果可以看出：本发明一种纸基双模式检测铅离子的方法具有较好的准确性，可用于实际样品的测定。

序列表

<110> 济南大学

<120> 一种纸基双模式检测铅离子的方法

<130> 2017

<160> 2

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

<211> 36

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 1

tttcatctct tctccgagcc ggtcgaaata gtgagt 36

<210> 2

<211> 20

<212> DNA

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 2

actcactata ggaagagatg 20

Claims

1.一种纸基双模式检测铅离子的方法，其特征是包括以下步骤：

(1) 在计算机上利用Adobe Illustrator CS4软件设计一个十字形疏水蜡打印图案并利用喷蜡打印机将其批量打印到裁剪的A4尺寸滤纸上，随后将其在加热板加热至蜡融化并渗透整个纸的厚度，形成疏水墙，借助折纸技术构筑纸器件；该纸器件包含4部分，分别为通道板、检测板、参比板和遮光板，各板之间预留有空白区域以供折叠，其中检测板上印有圆形亲水工作区域和矩形亲水比色条，通道板用来辅助液体流动，使得检测板工作区域的液体流动到比色条以实现可视化预判，遮光板用来防止外部光源对可视化反应的干扰，检测板与参比板结合用于对目标物的精准检测；

(2) 采用丝网印刷的方法，将碳工作电极印刷到检测板，Ag/AgCl参比电极和碳对电极印刷到参比板，将通道板中疏水蜡包围的圆形亲水区域居中进行打孔，孔直径比圆形区域直径小1 mm；将疏水蜡包围的纵向矩形亲水区域居中进行切割，宽度比矩形区域的宽度小0.5 mm；

(3) 在参比板的矩形连接端口背面通过种子溶液生长法生长花状金纳米粒子，具体生长步骤为：首先将80 mL 二次水加热至90℃，并加入0.8 mL质量分数为 1% 的氯金酸溶液，继续加热至96 ℃保持1 min，最后加入2.8 mL 质量分数为1%的柠檬酸钠，并加热8 min得到金种子溶液，取20 μL得到的金种子溶液滴加在矩形连接端口背面，静置晾干，重复三次；将100 μL 200 mmol/L的抗坏血酸和100 μL 质量分数为1%的氯金酸溶液混合，取20 μL混合溶液滴加到修饰有金种子的矩形连接端口背面，静置30 min，用二次水冲洗3次；

(4) 对检测板的圆形亲水工作区域进行功能化，首先通过种子溶液生长法生长花状金纳米粒子，步骤参考(3)；其次，取20 μL由30 μL 1 μmol/mL DNA链P1, 500 μL 1 mmol/L三(2-羧乙基)膦和500 μL pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液组成的混合溶液滴加到金纳米粒子修饰的工作区域，自然晾干后继续滴加20 μL 1 mmol/L的巯基己醇封闭液，用10mmol/L pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液多次冲洗工作区域并自然晾干，所述的DNA链P1碱基序列如核苷酸序列表所示，其中其5’端修饰有1个巯基和6个亚甲基；

(5) 在检测板圆形亲水工作区域修饰DNA链P2/还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物，具体步骤为：称取105 mg聚乙烯吡咯烷酮，300 mg 溴化钾，57 mg 氯钯酸钠分散于10 mL 二次水中，使其完全溶解；将上述得到的混合溶液置于80 ℃油浴锅中磁力搅拌作用下反应3小时，冷却至室温，用乙醇和二次水洗涤除去多余的溴离子，得到Pd种子溶液；将由1.0 mL 上述Pd种子溶液，5.0 mL二次水，5 mg 聚乙烯吡咯烷酮，3.0 mg 抗坏血酸组成的混合溶液置于20 mL圆底烧瓶中，在95 ℃油浴锅中磁力搅拌作用下反应20min，用移液枪取268 μL 24.3 mmol/L的氯金酸溶液加入圆底烧瓶，继续于95 ℃下加热15min，冷却至室温，用乙醇和二次水洗涤数次得到PdAu纳米粒子，4 ℃保存；将由2.5 mL 2.0mg/mL氧化石墨烯溶液，7.5 mL二次水，10 mL聚乙烯亚胺，100 μL 氨水组成的混合溶液于室温磁力搅拌作用下反应30 min后加热至60 ℃反应12小时，加入300 μL PdAu纳米粒子并于60 ℃环境下反应12小时，将所得溶液用乙醇和二次水洗涤数次得到还原氧化石墨烯/PdAu复合物；将由1.0 mL 1.0 mg/mL 还原氧化石墨烯/PdAu复合物, 1.0 mL 100 µg/mL葡萄糖氧化酶组成的混合溶液在磁力搅拌作用下反应2小时，加入5.0 mL 封闭液超声处理2小时，用乙醇和二次水洗涤数次，得到还原氧化石墨烯/PdAu/葡萄糖氧化酶纳米复合物；最后，取1.5 µL 10 mmol/L 的三(2-羧乙基)膦和1.0 µL 0.1 M 的pH 5.2的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液滴加到10 µL 10 mmol/L DNA链P2中反应2小时，继续向其中加入 1.0 mL还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物于磁力搅拌作用下反应16小时，将所得溶液加入到250 µL 100 mmol/L氯化钠溶液和250 µL pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液中反应24 小时，经过数次离心洗涤得到DNA链P2/还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物，所述的DNA链P2碱基序列如核苷酸序列表所示，其中其5’端修饰有1个巯基和6个亚甲基，且自左向右第十个碱基A代表腺嘌呤核糖核酸；

(6) 在步骤(4)的基础上继续对检测板的圆形亲水工作区域进行功能化，取20 μL步骤(5)得到的DNA链P2/还原氧化石墨烯/PdAu纳米粒子/葡萄糖氧化酶纳米复合物滴加到检测板圆形亲水工作区域，并于37 ℃环境反应2小时，将此工作区域浸入10 mmol/L pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液中5-10分钟以减少非特异性吸附；

(7) 取20 μL 20 mmol/L 3,3’,5,5’-四甲基联苯胺和10 μL 5mmol/L H₂O₂滴加到检测板矩形亲水比色条，并自然晾干；取20 μL含有铅离子的待测溶液滴加于检测板的圆形亲水工作区域反应30 min，将通道板沿预留空白区域对折于检测板上部，取40 μL pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液滴加到检测板的圆形亲水工作区域，液体通过通道板的亲水通道流入检测板的比色条，10秒后将比色条置于颜色采集窗口，读取颜色灰度值；

(8) 将参比板沿预留空白区域对折于检测板下部，取0.36 g葡萄糖和0.012 g鲁米诺加入到40 mL pH 8.0的三（羟甲基）氨基甲烷缓冲溶液，完全溶解后取20μL所得溶液滴加到检测板的圆形亲水工作区域中，将此纸基双模式设备连接到电化学工作站精准检测铅离子浓度；

(9) 分别绘制电化学发光强度和灰度与铅离子浓度的标准曲线，完成铅离子的双模式测定。

2.根据权利要求1所述一种纸基双模式检测铅离子的方法，其特征是所述纸器件的总尺寸为（60 mm-70 mm）×（60 mm-70 mm），其中通道板由疏水蜡包围的圆形亲水区域直径为5-7 mm，圆孔直径为4-6 mm；纵向矩形亲水区域宽度为1-3 mm,长度为14-16 mm，检测板圆形亲水工作区域直径为5.5-7.5 mm，比色条宽度为1-3 mm，长度为14-16 mm，参比板圆形亲水区域直径为9-11mm，矩形亲水区域长度为2-4 mm。