CN108636467B - 一种氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微流控纸基芯片技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片及其应用。所述芯片包括层叠设置的进样保持架、进样滤膜、分散滤纸网络、分散保持架、反应区域、检测保持架、底视窗；其中分散滤纸网络由12条矩形滤纸通道组成；反应区域由12个等面积圆形滤纸片组成；其中矩形滤纸通道一端与进样滤膜连接，另一端与圆形滤纸片连接；其中分散保持架具有与进样滤膜、分散滤纸网络、反应区域相配合的通孔；检测保持架具有与反应区域相配合的通孔。本发明设计的三维纸基微流控芯片与基于氧化石墨烯的元素检测方法，可以有效改善连续流体流动所导致的边缘效应、提高痕量样本检测中信号分布均一性和信号强度。

Description

一种氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片及其应用
技术领域
本发明属于微流控纸基芯片技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片及其应用。
背景技术
纸基微流控芯片技术自2007年首次提出以来，因其具有成型快速、成本低廉、携带方便和分析高效等优点，在疾病诊断、食品监控和环境监测等领域具有极大的产业化应用前景。原理上，滤纸纤维固有的良好亲水性可自然驱动微流体流动，进而可以省略外接泵等设备，为分析实验便携化提供工具。结构上，单层芯片可完成样本进样和检测等步骤，但实际操作中存在样本输运不均匀等问题。特别对于圆形检测设计，往往存在边缘效应（由流体内部压差导致的边缘区样本富集程度高与中央区）等问题，一定程度上造成分析误差。若将多层芯片叠加，可制造出三维结构，即在纸张厚度方向上完成流体输运。这种三维结构可以缩短样本流动路径，并且改善样本分布的均一性，在操作流程复杂、需多种试剂混合等场合应用较多。
另一方面，作为石墨烯材料最主要的衍生物之一，氧化石墨烯纳米片近来已被证明具有极大的比表面积（理论上可达2630 m2/g）、较强的静电吸附能力和大量含氧官能团，这可以大幅改善常规材料表面对生化分子、金属阳离子的吸附能力，进而增强单位质量的样本反应信号强度，在痕量元素分析等方面具有重要价值。然而，目前尚未有基于三维纸基微流控芯片与氧化石墨烯材料的金属离子检测分析报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片及其在痕量元素分析上的应用。其在推动分析仪器便携化、集成化和批量化等方面具有实际意义；在拓展微流控技术的多领域工程实际应用方面具有重要价值。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
所述氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片，所述芯片包括层叠设置的进样保持架、进样滤膜、分散滤纸网络、分散保持架、反应区域、检测保持架、底视窗；其中进样保持架中间设置一个圆孔，进样滤膜放置于圆孔内；分散滤纸网络由12条矩形滤纸通道组成；反应区域由12个等面积圆形滤纸片组成；其中矩形滤纸通道一端与进样滤膜连接，另一端与圆形滤纸片连接；其中分散保持架具有与进样滤膜、分散滤纸网络、反应区域相配合的通孔；检测保持架具有与反应区域相配合的通孔。
所述进样滤膜为聚四氟乙烯材料，形状为圆形，直径为5.0 mm，厚度为0.3 mm。
所述进样保持架采用聚对苯二甲酸类塑料PET薄片，厚度为1.0 mm，进样保持架中间设置一个圆孔，圆孔直径为5.0mm。
所述12条矩形滤纸通道，每条通道长度为7.0 mm，滤纸厚度0.34 mm。
所述分散保持架由PET加工制得，厚度为0.3 mm。
所述12个等面积圆形滤纸片，每个圆形直径为3.0 mm，滤纸厚度为0.34 mm。
所述检测保持架采用PET薄片，厚度为0.3 mm。
所述底视窗选用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA材料。
所述的氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片在痕量元素分析上的应用，具体操作步骤包括：
（1）首先依次向反应区域的12个等面积圆形滤纸片涂布样本配体试剂和氧化石墨烯胶体溶液（质量比2:1），待溶液干燥后对进样保持架、进样滤膜、分散滤纸网络、分散保持架、反应区域、检测保持架、底视窗进行夹持封装；
（2）液相样本通过手工滴定或微量注射泵转移至进样滤膜，样本通过滤膜渗透至分散滤纸网络；
（3）液体样本通过分散滤纸网络向反应区域渗透；
（4）翻转芯片，将底视窗朝上，静置30s，观测12个等面积圆形滤纸片内颜色变化，最终由颜色强度推断得到被检测痕量元素浓度。
其中氧化石墨烯具有极高的比表面积，这为纸基微流控芯片上分子间化学反应提供更多场所，提高了单位体积内反应信号强度；并且氧化石墨烯纳米片边缘存在大量含氧官能团，改善了单一滤纸纤维结构的化学反应活性；对于金属阳离子等待检测物，阳离子较易迁移通过氧化石墨烯的双电子层结构，并由静电作用吸附在其表面，增强了痕量元素的富集程度；另外，氧化石墨烯纳米片为待检测样本提供了固相萃取环境，相对于纯液相混合，这种方法提高了待检测物与配体反应溶液的混合效率，也将提高单位体积内反应信号强度。
本发明的显著优点在于：
本发明设计的三维纸基微流控芯片与基于氧化石墨烯的元素检测方法，可以有效改善连续流体流动所导致的边缘效应、提高痕量样本检测中信号分布均一性和信号强度。相对于常规比色分析，本发明器件和方法将具有更低的样本检出限和更宽的线性动态区间。
附图说明
图1为本发明氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片的结构示意图；
图中，1-进样滤膜，2-进样保持架，3-分散滤纸网络，4-分散保持架，5-反应区域，6-检测保持架，7-底视窗。
图2为场发射扫描电子显微镜观测得到的滤纸纤维与氧化石墨烯微观结构。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
所述氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片，所述芯片包括层叠设置的进样保持架、进样滤膜、分散滤纸网络、分散保持架、反应区域、检测保持架、底视窗；其中进样保持架中间设置一个圆孔，进样滤膜放置于圆孔内；分散滤纸网络由12条矩形滤纸通道组成；反应区域由12个等面积圆形滤纸片组成；其中矩形滤纸通道一端与进样滤膜连接，另一端与圆形滤纸片连接；其中分散保持架具有与进样滤膜、分散滤纸网络、反应区域相配合的通孔；检测保持架具有与反应区域相配合的通孔。
所述进样滤膜为聚四氟乙烯材料，形状为圆形，直径为5.0 mm，厚度为0.3 mm。
所述进样保持架采用聚对苯二甲酸类塑料PET薄片，厚度为1.0 mm，进样保持架中间设置一个圆孔，圆孔直径为5.0mm。
所述12条矩形滤纸通道，每条通道长度为7.0 mm，滤纸厚度0.34 mm。
所述分散保持架由PET加工制得，厚度为0.3 mm。
所述12个等面积圆形滤纸片，每个圆形直径为3.0 mm，滤纸厚度为0.34 mm。
所述检测保持架采用PET薄片，厚度为0.3 mm。
所述底视窗选用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA材料。
所述的氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片在痕量元素分析上的应用，具体操作步骤包括：
（1）首先依次向反应区域的12个等面积圆形滤纸片涂布样本配体试剂和氧化石墨烯胶体溶液（质量比2:1），待溶液干燥后对进样保持架、进样滤膜、分散滤纸网络、分散保持架、反应区域、检测保持架、底视窗进行夹持封装；
（2）液相样本通过手工滴定或微量注射泵转移至进样滤膜，样本通过滤膜渗透至分散滤纸网络；
（3）液体样本通过分散滤纸网络向反应区域渗透；
（4）翻转芯片，将底视窗朝上，静置30s，观测12个等面积圆形滤纸片内颜色变化，最终由颜色强度推断得到被检测痕量元素浓度。
应用此方法和器件，测得空气中PM2.5附着Fe, Cu, Ni元素含量可检查出限为16.6, 5.1, 9.9 ng，相较于非氧化石墨烯纸基微流控芯片检测方法，检出限降低了10倍左右。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片在痕量元素分析上的应用，其特征在于：所述芯片包括层叠设置的进样保持架、进样滤膜、分散滤纸网络、分散保持架、反应区域、检测保持架、底视窗；其中进样保持架中间设置一个圆孔，进样滤膜放置于圆孔内；分散滤纸网络由12条矩形滤纸通道组成；反应区域由12个等面积圆形滤纸片组成；其中矩形滤纸通道一端与进样滤膜连接，另一端与圆形滤纸片连接；其中分散保持架具有与进样滤膜、分散滤纸网络、反应区域相配合的通孔；检测保持架具有与反应区域相配合的通孔；
所述的氧化石墨烯纳米片增强三维纸基芯片在痕量元素分析上的应用，具体操作步骤包括：
（1）首先依次向反应区域的12个等面积圆形滤纸片涂布样本配体试剂和氧化石墨烯胶体溶液，其中配体试剂与氧化石墨烯胶体的质量比为2:1，待溶液干燥后对进样保持架、进样滤膜、分散滤纸网络、分散保持架、反应区域、检测保持架、底视窗进行夹持封装；
（2）液相样本通过手工滴定或微量注射泵转移至进样滤膜，样本通过滤膜渗透至分散滤纸网络；
（3）液体样本通过分散滤纸网络向反应区域渗透；
（4）翻转芯片，将底视窗朝上，静置30s，观测12个等面积圆形滤纸片内颜色变化，最终由颜色强度推断得到被检测痕量元素浓度。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述进样滤膜为聚四氟乙烯材料，形状为圆形，直径为5.0 mm，厚度为0.3 mm。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述进样保持架采用聚对苯二甲酸类塑料PET薄片，厚度为1.0 mm，进样保持架中间设置一个圆孔，圆孔直径为5.0mm。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述12条矩形滤纸通道，每条通道长度为7.0 mm，滤纸厚度0.34 mm。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述分散保持架由PET加工制得，厚度为0.3 mm。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述12个等面积圆形滤纸片，每个圆形直径为3.0 mm，滤纸厚度为0.34 mm。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述检测保持架采用PET薄片，厚度为0.3mm。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述底视窗选用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA材料。
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