CN114160220A - 基于水凝胶和微流控的Ca2+离子检测纸芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纸基微流控分析技术领域，具体涉及基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片及其制备方法。采用本发明方法制备的纸芯片基于水凝胶和微流控，当溶液中含有钙离子，Ca2⁺溶液通过海藻酸钠溶液时，靶标离子Ca²⁺同海藻酸钠反应形成凝胶小球，降低海藻酸钠溶液中海藻酸钠的含量，同时降低了海藻酸钠溶液的黏着性，液体的流速不再受到海藻酸钠溶液的影响，溶液在纸芯片上的流速加快。根据检测一定时间内溶液流过距离同Ca²⁺的浓度成一定的函数关系，定量地检测Ca²⁺的浓度。通过该方法制备的纸基微流控检测纸芯片具有低成本，易操作，选择性强等优势，为快速检测人体汗液，环境水或生活用水中的Ca²⁺提供了新的研究思路。

Description

基于水凝胶和微流控的Ca2+离子检测纸芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于纸基微流控分析技术领域，具体涉及基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片及其制备方法。

背景技术

食品加工业，制造业，农业灌溉以及家庭用水等众多应用领域中都需要对Ca²⁺进行检测。随着生活提高，越来越多的人开始注重家庭用水是否是硬水即水中的Ca²⁺和Mg²⁺含量是否过高，在企业生产中，规模庞大的企业可以购买或租聘昂贵的实验设备来对溶液中的Ca²⁺进行检测，而这些设备对于普通百姓来说过于昂贵，如果仅仅进行家庭用水检测是得不偿失。因此需要一种成本低廉，操作简单，精确度较高的检测方法来代替传统的检测设备。

纸芯片全称为纸基微流控分析设备(Microfluidic paper-based analyticaldevices，μPADs)或者纸芯片微流控(Paper based microfluidics)，自从2007年被研发出来以后，受到广泛关注。其相对于传统的微流控分析设备和微流控芯片具有成本低廉，易于储存，便于运输，操作简单等优势。近年来在食品检测，农药残留，环境检测等方面均有很好的商业化应用和前景。

结合水凝胶之后，纸基分析平台便可以完成定性，半定量，定量等分析，由于水凝胶特异性强，可以准确的识别靶标分子、离子。因此水凝胶和纸芯片的结合会使纸芯片廉价，易操作等优势上获得特异性强，可以实现定量分析等新功能。

使用金属离子破坏水凝胶结构来改变其通透性，离子浓度高的溶液流速快，离子浓度低的溶液流速慢。但是这种方法是均在毛细玻璃管上进行实验，还不能够在纸芯片上实现。究其原因有两个：

1)水凝胶包含大量水分，如果制备成凝胶薄膜无法长时间保存在纸芯片上。

2)纸芯片中的纤维孔洞形成了无数的毛细通道，这些通道不规则无法设计和预测溶液地流动。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片及其制备方法。通过该方法制备的纸基微流控检测纸芯片具有低成本，易操作，选择性强等优势，为快速检测人体汗液，环境水或生活用水中的Ca²⁺提供了新的研究思路。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，包括：

选取用于制备纸芯片的纸张；

在用于制备纸芯片纸张的特定区域绘制水凝胶阀门，所述水凝胶阀门是在纸张上形成的海藻酸钠阻隔带，在海藻酸钠阻隔带上海藻酸钠均匀分布；

将含海藻酸钠阻隔带的纸张裁剪成规格一致的纸带；

在纸带表面制备疏水层，以实现纸带表面疏水化，获得Ca²⁺离子检测纸芯片。

进一步地，绘制水凝胶阀门的方法包括：

1)配制质量分数为1-5％的无氧海藻酸钠溶液；

2)控制点胶针头匀速均匀的将无氧海藻酸钠溶液滴出；

3)在点胶针头能够匀速均匀地滴出无氧海藻酸钠溶液后，控制点胶针头在纸张上匀速运动形成海藻酸钠阻隔带，以确保在同一条海藻酸钠阻隔带上任意相同面积区域内的海藻酸钠的量是相同的。

进一步地，步骤3)中，步骤3)中，采用写字机器人和微流泵结合，以控制点胶针头的移动速度以及溶液流速，具体为：

将无氧海藻酸钠溶液吸入注射器的针筒中，将针筒固定在微流泵上以实现无氧海藻酸钠溶液匀速流出，在针筒末端连接四氟毛细管，将鲁尔公接头的一端和所述四氟毛细管连接，将点胶针头和鲁尔公接头的另一端连接，最后将点胶针头固定在写字机器人悬臂上；

在写字机器人载物台上面放置一块工装，以使写字机器人的载物平台的平面度达到要求；

将工装放置在写字机器人的载物平台之后，将纸张放置在工装上用磁铁进行固定，控制写字机器人的落笔机械臂使点胶针头和纸张的距离控制在一定距离(如1-15mm)，进行移动绘制前，让溶液先行滴定一定时间，使溶液流速稳定且出液量均匀后在纸张上绘制海藻酸钠阻隔带，完成水凝胶阀门的添加。

进一步地，海藻酸钠阻隔带的数量为两条或两条以上，相邻海藻酸钠阻隔带之间的间距大于等于2.5mm。

进一步地，步骤3)中，采用30G点胶针头，悬臂移动速度为15.58mm min^-1的2-6倍速，微流泵溶液流速为250μl min^-1的3-7倍速。

进一步地，用于制备纸芯片的纸不与Ca²⁺反应，采用色谱层析纸、滤纸或使用微流体纺丝机制备出的仿生纤维膜。

进一步地，在纸带表面制备疏水层的方法具体为：采用蜡烛为疏水材料，将蜡烛涂抹在纸带正反面以及侧面，加热一定时间后使蜡均匀的铺满整个纸带，等到蜡烛凝固后将多余的蜡进行刮除。

进一步地，所述方法还包括：将覆盖膜、表面疏水化处理的纸带、底膜压扎在一起，以对纸带封闭保护。

基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片，所述纸芯片包括：

表面疏水化处理后的绘制有海藻酸钠阻隔带的纸带、覆盖膜、底膜，在所述海藻酸钠阻隔带上海藻酸钠分布均匀；

所述覆盖膜、所述纸带以及所述底膜依次压扎在一起，形成纸芯片。

进一步地，所述纸带采用色谱层析纸、滤纸或使用微流体纺丝机制备出的仿生纤维膜；采用蜡烛为疏水材料在纸带表面制备疏水层。

本发明的有益技术效果：

在纸带固定的位置处加入海藻酸钠粉末，当海藻酸钠粉末与溶液接触后就会形成海藻酸钠溶液，高浓度的海藻酸钠溶液具有很高的粘度。形成的高浓度海藻酸钠溶液减缓了溶液的流速。采用本发明方法制备的纸芯片基于水凝胶和微流控，当溶液中含有钙离子，Ca²⁺溶液通过海藻酸钠溶液的时，靶标离子Ca²⁺同海藻酸钠反应形成凝胶小球，降低海藻酸钠溶液中海藻酸钠的含量，同时降低了海藻酸钠溶液的黏着性，液体的流速不再受到海藻酸钠溶液的影响，溶液在纸芯片上的流速加快。根据检测一定时间内溶液流过距离同Ca²⁺的浓度成一定的函数关系，定量地检测Ca²⁺的浓度。

本发明中将纸芯片的纤维孔洞视作毛细管，采用毛细作用驱动溶液流经纸芯片，采用具有相同材质并且纤维孔洞大小一致的纸芯片来控制溶液的流速，继而可以实现定量检测。

附图说明

图1为本发明实施例中水凝胶阀门工作原理示意图；

图2为本发明实施例中绘制的符合要求的海藻酸钠阻隔带(两条)；

图3为本发明实施例中使用轧辊复合机制备纸芯片示意图；

图4为本发明实施例中溶液流经纸芯片1cm处所用的时间同Ca²⁺浓度对数指数关系(5次平行试验取均值)；

图5为本发明实施例中溶液流经纸芯片2cm处所用的时间同Ca²⁺浓度对数指数关系(5次平行试验取均值)；

图6为本发明实施例中溶液流经纸芯片3cm处所用的时间同Ca²⁺浓度对数指数关系(5次平行试验取均值)；

图7为本发明实施例中溶液流经纸芯片4cm处所用的时间同Ca²⁺浓度对数指数关系(5次平行试验取均值)；

图8为本发明实施例中空白纸芯片检测去氧纯净水；

图9为本发明实施例中双阀门去氧纯净水对照试验；

图10a为本发明实施例中Na²⁺，K²⁺，Mg²⁺三种离子溶液通过有水凝胶阀门纸芯片所用的时间；

图10b为本发明实施例中Na²⁺，K²⁺，Mg²⁺三种离子溶液通过没有水凝胶阀门纸芯片所用的时间。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明实施例提供一种基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，包括：

选取用于制备纸芯片的纸张；

在用于制备纸芯片纸张的特定区域绘制水凝胶阀门，所述水凝胶阀门是在纸张上形成的海藻酸钠阻隔带，在海藻酸钠阻隔带上海藻酸钠均匀分布；

将含海藻酸钠阻隔带的纸张裁剪成规格一致的纸带；每条纸带上均含有海藻酸钠阻隔带，且海藻酸钠阻隔带在每条纸带上的分布位置、距离纸带边缘的距离均一致；优选地，裁剪后纸带的宽度为2Mm。

在纸带表面制备疏水层，以实现纸带表面疏水化，获得Ca²⁺离子检测纸芯片。

在本实施例中，绘制水凝胶阀门的方法包括：

1)配制质量分数为1-5％的无氧海藻酸钠溶液；

优选地，所述无氧海藻酸钠溶液的制备方法为：1)将0.8g的海藻酸钠溶液添加到39.2g的去氧水中，90℃恒温震荡12小时，制得质量分数为2％的海藻酸钠溶液。2)将制备好的海藻酸钠溶液开盖放置于真空干燥箱，进行抽真空去氧1小时获得无氧海藻酸钠溶液。

2)控制点胶针头匀速均匀的将无氧海藻酸钠溶液滴出；

3)在点胶针头能够匀速均匀地滴出无氧海藻酸钠溶液后，控制点胶针头在纸张上匀速运动形成海藻酸钠阻隔带，以确保在同一条海藻酸钠阻隔带上任意相同面积区域内的海藻酸钠的量是相同的。

优选地，步骤3)中，采用写字机器人和微流泵结合，以控制点胶针头的移动速度以及溶液流速，具体为：

将无氧海藻酸钠溶液吸入注射器的针筒中，将针筒固定在微流泵上以实现无氧海藻酸钠溶液匀速流出，在针筒末端连接四氟毛细管，将鲁尔公接头的一端和所述四氟毛细管连接，将点胶针头和鲁尔公接头的另一端连接，最后将点胶针头固定在写字机器人悬臂上；优选地，用将四氟毛细管中间的部分固定以防止其在实验过程中晃动产生误差，具体地，可以将四氟毛细管穿过筒状的笔杆中，用胶水将两者固定或其他固定方式。

在写字机器人载物台上面放置一块工装，以使写字机器人的载物平台的平面度达到要求；

将工装放置在写字机器人的载物平台之后，将纸张放置在工装上用磁铁进行固定，控制写字机器人的落笔机械臂使点胶针头和纸张的距离控制在一定距离(如1-15mm)，进行移动绘制前，让溶液先行滴定一定时间，使溶液流速稳定且出液量均匀后在纸张上绘制海藻酸钠阻隔带，完成水凝胶阀门的添加。

优选地，四氟毛细管(聚四氟乙烯PTFE)的型号为：内径0.5mm，外径0.9mm；peek鲁尔接头型号为1/16；工程结构写字机器人型号为淳真CZ6890A。

将点胶针头固定在微流泵上，移动速度可以精确到0.01mm min^-1，但是移动速度上限很低，并且移动的距离也是有限的(小于11cm)，限制了一次实验制备的纸芯片的数量。而在本发明中，采用写字机器人和微流泵结合的方式在纸带的特定区域添加水凝胶阀门，精度能够控制在0.05mm min^-1，虽然精度不如微流泵，但是移动距离能够达到30cm，在同一批水凝胶阀门制备完成后可以满足制作大量纸芯片的要求。

在本实施例中，海藻酸钠阻隔带的数量为两条或两条以上，相邻海藻酸钠阻隔带之间的间距大于等于2.5mm。

因为单条海藻酸钠阀门阻挡溶液的成功率比较低，导致最终求得的拟合函数的相关度很低，因此进行了实验的优化，设计具有多条海藻酸钠阻隔带的纸芯片。

绘制的海藻酸钠阻隔带的数量为两条时，在绘制完第一条海藻酸钠区域条带(即海藻酸钠阻隔带)后迅速进行冻干，在完成对一条海藻酸钠区域条带冻干后，进行第二条海藻酸钠区域条带的绘制，绘制第二条海藻酸钠区域条带完毕后，将含有海藻酸钠条带的层析纸放入真空冷冻干燥机中进行冻干。如图2为制好的水凝胶阀门(两条海藻酸钠阻隔带)。

如果有两条以上，也按照每绘制完一条后迅速冻干再绘制下一条的方法，这样可以保证海藻酸钠条带中的水分不会因为在绘制第二条区域条带时自然蒸发，实现了去除水分的同时保持层析纸的结构不会发生改变。

在绘制水凝胶阀门时，液体以凝胶针头为中心向周围扩散，因此设置大于等于2.5mm的间隔可以有效防止新的水凝胶阀门和第一条水凝胶阀门重合。

在本实施例中，步骤3)中，采用30G点胶针头，悬臂移动速度为15.58mm min-1的2-6倍速，微流泵溶液流速为250μl min-1的3-7倍速。

写字机器人一次性可绘制30cm的海藻酸钠区域，高浓度的海藻酸钠中水分很少，绘制时间过长会导致前面绘制完毕的海藻酸钠区域中的水分自然蒸发破坏纸芯片结构，因此绘制较长的海藻酸钠区域时，需要将写字机器人的悬臂移动速度够快，同时对微流泵的速度也有要求；上述限定的点胶针头的型号、悬臂移动速度以及微流泵溶液流速是成功制备出符合要求的水凝胶阀门的关键参数；通过以下实验确定上述关键参数：

以悬臂移动速度15.58mm min^-1为基础速度，微流泵溶液流速250μl min^-1为基础速度，成倍速的加快移动速度和流速。

溶液流速扩大5倍，移动速度扩大10倍之后制得的水凝胶阀门裸眼无法看到。扩大同样倍速(5倍)制得的水凝胶阀门并不明显，并且32G的点胶针头绘制出来的海藻酸钠区域并不连续，有明显的断裂痕迹。为了研究为何会出现断裂区域，对绘制过程进行观察。

对使用32G点胶针头绘制完的海藻酸钠区域进行分析，在5倍移动速度4倍溶液流速下，点胶针头流出的溶液大部分形成了点状，没有连成线，5倍溶液流速4倍移动速度的情况下无法连成线，降低速度会导致无法及时冻干海藻酸钠区域，而加大溶液的出液速度会导致海藻酸钠的区域变宽，最后形成的水凝胶阀门宽度过大。因此32G点胶针头不满足实验条件。

由于27G的点胶针头内径太大，导致溶液出液量明显增大，同时绘制的水凝胶阀门因为出液量太大无法控制其形状，海藻酸钠条带宽度不一。

30G点胶针头在10倍移动速度5倍溶液流速下的水凝胶阀门不明显，在4倍移动速度，5倍溶液流速下连续性较好，并且水凝胶阀门十分明显。因此本实施例采用30G点胶针头4倍移动速度和5倍溶液流速来制作水凝胶阀门。另外根据实验总结，将采用30G点胶针头在2-6移动倍速，微流泵溶液流速为250μl min-1的3-7倍速的条件下，能够制备获得符合要求的水凝胶阀门。

在本实施例中，用于制备纸芯片的纸不与Ca²⁺反应，采用色谱层析纸、滤纸或使用微流体纺丝机制备出的仿生纤维膜。

在获取实验数据，进行实验分析时，纸芯片的制作因为层析纸上的纤维分布不均匀，并且粗大的纤维会导致溶液流速有显著的改变，同时导致水凝胶阀门冻干后形状有所变化。若采用纤维分布更加均匀的滤纸或使用微流体纺丝机制备出的仿生纤维膜检测效果将会更加准确，纸芯片的成功率也会大大增加。关于用于制备纸芯片的纸，在选择时应需要具备以下条件：

1)具有一定的硬度同时具备适度的弹性，使纸芯片可以承载溶液。

2)不与Ca²⁺反应。

3)在液体中可以保持原始形状的能力，滴入溶液后，纸基底座上的形状以及纤维素通道的尺寸不可以因为水溶液产生大幅度形变。

4)较好的表面平整度，纤维素具有较好的一致性，适合后期对纸芯片进行修饰。

5)成本因控制在较低的范围，开发完备后可用于制作家用Ca²⁺检测芯片。

本实施例中采用Whatman1级色谱层析纸3001-861厚度为0.018mm，形状为20×20cm的正方形便于切割修饰，有效的避免了对材料的浪费。该款滤纸为中速滤纸，液体在滤纸中的流速适中，其孔径较大可以通过11μm的颗粒，形成的凝胶颗粒可以通过起孔隙。如果需要加快溶液流过的速度可以选用Whatman NO.4滤纸。

在本实施例中，在纸带表面制备疏水层的方法具体为：采用蜡烛为疏水材料，将蜡烛涂抹在纸带正反面以及侧面，加热一定时间后使蜡均匀的铺满整个纸带，等到蜡烛凝固后将多余的蜡进行刮除。

通过将纸带的正反以及侧面均涂抹疏水材料来达到使整个纸带表面疏水化从而可以保证溶液在纸带中通过毛细作用流动。用白色蜡烛时，因为蜡烛中没有润滑剂，颜料，碳酸钙等辅助材料所以蜡液可以均匀的铺满整个纸带表面，起到很好的疏水效果。优选地，采用白色蜡烛，白色蜡烛的颜色较浅不会影响裸眼的观察。

上述疏水材料的选择，是经过大量实验验证获得的，经过实验验证，蜡笔的蜡融化后既不能均匀覆盖在纸带表面也不能浸透纸带，并且会使纸带表面凹凸不平；油性墨水会导致纸带颜色变深无法辨别溶液液面的位置并且油性墨水会发生部分溶解现象；而蜡烛涂抹在纸带上后，进行加热融化可以均匀覆盖在纸带表面达到疏水效果，同时纸带表面平整。因此本发明采用蜡烛作为纸芯片疏水表面使用的疏水材料。

在本实施例中，所述方法还包括：将覆盖膜、表面疏水化处理后的纸带、底膜压扎在一起，以对纸带封闭保护。

具体地，覆盖膜、底膜的面积大于表面疏水化处理后的纸带的面积，将覆盖膜、表面疏水化处理后的纸带、底膜组装在一起之后通过加热层压机(古德092T)，轧制速度设为“1”档，温度为100℃，聚酯薄膜加热后与纸带粘在一起。将等大的覆盖膜和底膜把相对较小的纸带压紧制备，该方法可以使得处于中间夹层的纸芯片被覆盖膜和底膜完全包裹住，起到一定的保护作用，并且提供了必要的机械强度。

本实施例还提供一种基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片，采用上述方法制备，所述纸芯片包括：

表面疏水化处理后的绘制有海藻酸钠阻隔带的纸带、覆盖膜、底膜，在所述海藻酸钠阻隔带上海藻酸钠分布均匀；

所述覆盖膜、所述纸带以及所述底膜依次压扎在一起，形成纸芯片。

在本实施例中，所述纸带采用色谱层析纸、滤纸或使用微流体纺丝机制备出的仿生纤维膜；

采用蜡烛为疏水材料在纸带表面制备疏水层。

本发明提供基于水凝胶和微流控Ca²⁺检测实验，基于水凝胶和微流控的Ca²⁺浓度检测实验的目的为：

1)验证Ca²⁺检测设备是否和理论一样，可以进行Ca²⁺检测工作；

2)通过大量的实验数据将函数关系拟合出来；

3)实现Ca²⁺的检测并验证检测结果是否满足函数关系。

基于水凝胶和微流控的Ca²⁺浓度检测实验的前期准备工作包括三部分：

1)已经做好的纸基微流控水凝胶检测芯片

2)不同浓度的Ca²⁺溶液，以及50m M的Na⁺，K⁺，Mg²⁺。

3)实验器材生物洁净工作台，电子天平，移液枪，恒温混匀仪等。实验试剂的准备：

本次实验所需要的试剂为除氧水，NaCl，MgCl₂·6H₂O，KCl,以及CaO。

表1所需配置溶液的种类和浓度以及纸芯片的个数

基于水凝胶和微流控的Ca²⁺浓度检测实验：

实验制备的双水凝胶阀门检测钙离子溶液的实验得到数据如下：

表2检测H₂O，0.01，0.1，1，2，3，4，5mM浓度的Ca²⁺时记录的数据

表3检测10，20，30，40，50mM浓度的Ca²⁺时记录的数据

根据上述数据绘制成折线图4-7所示，在使用双水凝胶阀门之后，采用检测溶液到达固定距离所需要的时间来进行对Ca²⁺的定量检测，有上图4-7可知，溶液到1cm处所用的时间对应的Ca²⁺浓度所拟合出来的曲线函数为：

相关系数为R²＝0.99075。

溶液到2cm处所用的时间对应的Ca²⁺浓度所拟合出来的曲线函数为：

相关系数为R²＝0.9995。

溶液到3cm处所用的时间对应的Ca²⁺浓度所拟合出来的曲线函数为：

相关系数为R²＝0.80297。

溶液到4cm处所用的时间对应的Ca²⁺浓度所拟合出来的曲线函数为：

相关系数为R²＝0.75647。

溶液流经5cm处时间太长，使得覆盖膜和疏水层之间形成毛细作用对纸芯片的检测产生影响，同时长时间的检测会导致操作期间的不稳定性增加；纸芯片旨在高效，微量，准确，耗时短，可降解环境友好，检测时间太长不满足本文的设计初衷，故只进行1～4cm处的时间进行比较。

综上可得，1cm，2cm，3cm处的时间和溶液浓度的对数具有很强指数关系，4cm处的时间和溶液浓度的并没有较强指数关系。2cm处具有很强的现行相关性，比其他位置拟合出来的函数相关性强很多，可以验证Ca²⁺浓度和流经纸芯片2cm处的时间之间的指数关系。对比及验证实验。

为了排除纯净水以及人体中常见的二价金属离子对该实验的影响，在进行Ca²⁺浓度检测实验后，进行对照实验，以验证水凝胶阀门的作用，对照实验分为两部分：

1)去氧纯净水对照实验

2)Mg²⁺，K⁺，Na⁺二价阳离子的抗干扰试验。

由图8-9可知，在没有水凝胶阀门的纸芯片上纯净水流速很快，流过距离的时间与距离成线性关系，加入水凝胶阀门后，纯净水流速明显降低，流过的距离和时间成指数关系，验证了水凝胶阀门确实具有阻挡纯净水的作用。

纸芯片的选择性以及靶向性决定了纸芯片是否可以准确的检测靶离子。为了探索该纸芯片的选择性和靶向性，本文通过对Na⁺，K⁺，Mg²⁺溶液进行检测。如图10a-b，对人体血液中的浓度最高的三种金属离子进行选择性分析实验，由实验可知，Na⁺，K⁺，Mg²⁺影响非常小，因此可以认为该设计方案中纸芯片只会对钙离子的浓度变化而产生浸润性改变，因此，该方法会特异性识别钙离子的浓度，其他离子的浓度不会影响结果。

为了进一步来验证本文的钙离子检测设备结果的可靠性和便利性，招募了10名没有使用过该纸芯片的志愿者对特定浓度(10mM)钙离子溶液进行10次独立的检测，经过简单的操作说明，对他们的测试结果进行统计，10名志愿者的测试结果的RSD(相对标准偏差)为3.8％，说明本发明设计的纸芯片检测仪器只需要简单的说明，人们就可以直接进行检测，不再需要复杂繁琐的教学，并且可以获得较为准确的测量数值，同时证明了基于水凝胶和微流控的Ca²⁺检测设备具有十分良好的重现性和稳定性。然后对同一样品(10mM)的相对响应进行了10次独立平行检测，用以验证基于水凝胶和微流控的Ca²⁺检测设备的准确性和鲁棒性。10次独立平行试验的RSD(相对标准偏差)为3.1％(n＝10)，说明了该检测装置具有很强的鲁棒性以及重现性。

通过检测不同浓度的钙离子溶液对新型可视定量传感装置进行了验证，通过不同的对不同浓度的钙离子溶液进行检测，将得到的数据拟合后求得浓度和时间的关系，志愿者只需要简单的说明便可以正确的进行检测，同时对特定浓度的钙离子溶液进行10次独立的检测，其相对标准偏差值很小说明该检测装置具有很强的鲁棒性和重现性。

综上所述，本发明通过实验验证了基于水凝胶和微流控的Ca²⁺检测原理，同时实现了0.1mM～100mM的定量检测，该钙离子检测纸芯片操作简单，无需专业人士或专业培训即可操作，误差小，可重现性强等优点，最为重要的是成本低廉，无论是纸芯片、水凝胶阀门或者是制作装置的所有器材均为平价品，其成本极低。在低成本的优势下，这种基于纸纤维材料和毛细作用进行调控的检测装置有望在广大市场进行大量的普及。

本发明完成了基于水凝胶和微流控的Ca²⁺检测实验，验证了溶液中Ca²⁺浓度的对数同流经纸芯片的时间的函数关系，完成了Ca²⁺的浓度检测，Ca²⁺检测装置的最大相对误差为3.4％，满足相对误差在0～10％的技术要求。同时验证了纸芯片的实用性和便利性，满足市场大规模推广的要求。

Claims (10)

1.基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，包括：

选取用于制备纸芯片的纸张；

在用于制备纸芯片纸张的特定区域绘制水凝胶阀门，所述水凝胶阀门是在纸张上形成的海藻酸钠阻隔带，在海藻酸钠阻隔带上海藻酸钠均匀分布；

将含海藻酸钠阻隔带的纸张裁剪成规格一致的纸带；

在纸带表面制备疏水层，以实现纸带表面疏水化，获得Ca²⁺离子检测纸芯片。

2.根据权利要求1所述基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，绘制水凝胶阀门的方法包括：

1)配制质量分数为1-5％的无氧海藻酸钠溶液；

2)控制点胶针头匀速均匀的将无氧海藻酸钠溶液滴出；

3)在点胶针头能够匀速均匀地滴出无氧海藻酸钠溶液后，控制点胶针头在纸张上匀速运动形成海藻酸钠阻隔带，以确保在同一条海藻酸钠阻隔带上任意相同面积区域内的海藻酸钠的量是相同的。

3.根据权利要求2所述基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，步骤3)中，采用写字机器人和微流泵结合，以控制点胶针头的移动速度以及溶液流速，具体为：

将无氧海藻酸钠溶液吸入注射器的针筒中，将针筒固定在微流泵上以实现无氧海藻酸钠溶液匀速流出，在针筒末端连接四氟毛细管，将鲁尔公接头的一端和所述四氟毛细管连接，将点胶针头和鲁尔公接头的另一端连接，最后将点胶针头固定在写字机器人悬臂上；

在写字机器人载物台上面放置一块工装，以使写字机器人的载物平台的平面度达到要求；

将工装放置在写字机器人的载物平台之后，将纸张放置在工装上用磁铁进行固定，控制写字机器人的落笔机械臂使点胶针头和纸张的距离控制在一定距离，进行移动绘制前，让溶液先行滴定一定时间，使溶液流速稳定且出液量均匀后在纸张上绘制海藻酸钠阻隔带，完成水凝胶阀门的添加。

4.根据权利要求1-3任一项所述基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，海藻酸钠阻隔带的数量为两条或两条以上，相邻海藻酸钠阻隔带之间的间距大于等于2.5mm。

5.根据权利要求1所述基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，步骤3)中，采用30G点胶针头，悬臂移动速度为15.58mm min^-1的2-6倍速，微流泵溶液流速为250μlmin^-1的3-7倍速。

6.根据权利要求1所述基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，用于制备纸芯片的纸不与Ca²⁺反应，采用色谱层析纸、滤纸或使用微流体纺丝机制备出的仿生纤维膜。

7.根据权利要求1所述基于水凝胶和微流控的Ca2+离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，在纸带表面制备疏水层的方法具体为：采用蜡烛为疏水材料，将蜡烛涂抹在纸带正反面以及侧面，加热一定时间后使蜡均匀的铺满整个纸带，等到蜡烛凝固后将多余的蜡进行刮除。

8.根据权利要求1所述基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：将覆盖膜、表面疏水化处理的纸带、底膜压扎在一起，以对纸带封闭保护。

9.基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片，其特征在于，所述纸芯片包括：

表面疏水化处理后的绘制有海藻酸钠阻隔带的纸带、覆盖膜、底膜，在所述海藻酸钠阻隔带上海藻酸钠分布均匀；

所述覆盖膜、所述纸带以及所述底膜依次压扎在一起，形成纸芯片。

10.根据权利要求9所述基于水凝胶和微流控的Ca²⁺离子检测纸芯片，其特征在于，所述纸带采用色谱层析纸、滤纸或使用微流体纺丝机制备出的仿生纤维膜；采用蜡烛为疏水材料在纸带表面制备疏水层。

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