CN114252437A - 一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置及其制备与应用，属于样品前处理和样品检测技术领域。该纸芯片从上至下包括样品相纸层和接收相纸层；所述样品相纸层上下两面和接收相纸层的上下两面均包括四周为疏水区域的亲水区域，所述样品相纸层和接收相纸层之间用于放置疏水性的支撑液膜；所述样品相纸层下表面的亲水区域和接收相纸层上表面的亲水区域在支撑液膜所在平面的投影边缘位于支撑液膜四周内。通过外加直流稳定电源后，使纸芯片形成通路。在电场力的作用下，目标分析物可以通过支撑膜上的膜溶剂，选择性的从样品相转移到接收相中。该方法以纸芯片作为检测平台，利用电膜萃取技术将待测物质分离富集。

Description

一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置及其制备与应用
技术领域
本发明属于样品前处理和样品检测技术领域，更具体地，涉及一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置及其制备与应用，尤其涉及一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置及其在生物样品、环境污染物和临床药物检测中的应用，主要是针对复杂样品中目标物的分离、富集及检测。
背景技术
随着社会发展的需要，快速检测方法已经广泛应用于各个领域，尤其在卫生检测领域发挥了重要作用。快速检测方法可以缓解固定实验室的压力，降低样品的检测费用，减小检测工作量等，主要是以快速、灵活、便捷为主要特征。2007年，Whitesides组第一次提出了纸芯片这个概念(Martinez AW,Phillips ST,Butte MJ.Patterned paper as aplatform for inexpensive,low-volume,portable bioassays.Angew Chem Int EdEngl.2007；46(8):1318-20.)。纸芯片是一种以纸质材料为基础的新型纸上分析平台，设计有微通道、反应区等组成的集成系统，与原始纸带设备相比，在准确度、可靠性和检测范围上有了显著的改进。因纸质材料的成分是惰性的纤维素，具有来源丰富、廉价、可再生、易处理等特点，是用于检测的极佳材料。纸芯片凭借其低成本、便携性、检测快速等优点，在快速检测方法中占有重要位置。目前纸芯片应用于各个领域，如对环境污染物、临床药物以及食品中超标物质等的检测发挥重要作用，特别是在医疗基础设施和技术人员有限的发展中地区以及在世界上缺乏医疗资源和基础设施的欠发达地区应用广泛。
目前使用的纸芯片，主要是通过亲疏水通道来分离样本。样本在通道运输过程中，会发生残留、蒸发等情况，会导致样本利用率降低，随着纸芯片运输通道的加长，疏水区域发生泄漏的可能性也会增加，对环境以及人体健康存在潜在威胁。另外当纸芯片与传统的比色法结合时，样品中的其他物质会对目标物的检测造成颜色干扰，导致检测结果不够精准甚至无效。传统的纸芯片在样品检测过程中对目标物无富集作用，所以较难实现低浓度样本的检测。
电膜萃取作为一种样品前处理技术，具有萃取时间短，高富集纯化等优势，已广泛应用于水、植物、食品、生物体液与组织等各类样品的前处理过程。该技术主要是以电场力为驱动力，带电离子在电场力的作用下快速的定向移动，达到目标物的分离和富集。电膜萃取技术可以很好的解决传统纸芯片在检测时存在的问题。所以电膜萃取技术与纸芯片相结合具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置，将纸芯片作为样品承载和检测平台，利用电膜萃取技术进行样品处理，实现待测液中目标物的快速分离和富集。本发明解决了纸芯片在检测复杂样品时，存在基质干扰或目标物浓度过低难以检测的问题，同时减少样品的泄漏，提高样本在检测中的利用率，实现了纸芯片对复杂样品中目标物的检测。
按照本发明的第一方面，提供了一种结合电膜萃取技术的纸芯片，该纸芯片从上至下包括样品相纸层和接收相纸层；所述样品相纸层上下两面和接收相纸层的上下两面均包括四周为疏水区域的亲水区域，所述样品相纸层和接收相纸层之间用于放置疏水性的支撑液膜，且当疏水性的支撑液膜位于所述样品相纸层和接收相纸层之间时，所述样品相纸层下表面的亲水区域和接收相纸层上表面的亲水区域在支撑液膜所在平面的投影边缘位于支撑液膜四周内；
所述样品相纸层的亲水区域用于与直流电源的正极连接，所述接收相纸层的亲水区域用于与直流电源的负极连接；或者所述样品相纸层的亲水区域用于与直流电源的负极连接，所述接收相纸层的亲水区域用于与直流电源的正极连接。
优选地，所述疏水性的支撑液膜为聚合物多孔膜。
优选地，所述聚合物多孔膜为聚丙烯纤维膜。
优选地，所述样品相纸层的各面亲水区域和接收相纸层各面的亲水区域的面积为30mm2-50 mm2。
根据本发明另一方面，提供了任一所述的结合电膜萃取技术的纸芯片的制备方法，在纸片上标记出检测所需的亲水区域和围绕所述亲水区域四周的疏水区域或者将疏水材料涂布至疏水区域，使熔融态的疏水性高分子聚合物浸润疏水区域，即得到包含四周都是疏水区域的亲水区域的样品相纸层和接收相纸层；
所述样品相纸层和接收相纸层之间用于放置疏水性的支撑液膜，且当疏水性的支撑液膜位于所述样品相纸层和接收相纸层之间时，所述样品相纸层下表面的亲水区域和接收相纸层上表面的亲水区域在支撑液膜所在平面的投影边缘位于支撑液膜四周内；
所述样品相纸层的亲水区域用于与直流电源的正极连接，接收相纸层的亲水区域用于与直流电源的负极连接；或者样品相纸层的亲水区域用于与直流电源的负极连接，接收相纸层的亲水区域用于与直流电源的正极连接。
优选地，所述疏水性高分子聚合物为石蜡。
根据本发明另一方面，提供了任一所述的结合电膜萃取技术的纸芯片的应用，包括以下步骤：
(1)在样品相纸层任意一面的亲水区域和接收相纸层任意一面的亲水区域分别滴加待测液和接收液，在支撑液膜上涂上膜溶剂，并将支撑液膜置于样品相纸层和接收相纸层之间，使所述样品相纸层下表面的亲水区域和接收相纸层上表面的亲水区域在支撑液膜所在平面的投影边缘位于支撑液膜四周内；所述膜溶剂为能够溶解待测液中的目标物的溶剂，且所述膜溶剂不与待测液中的溶剂和接收液中的溶剂互溶；所述接收液为能够溶解待测液中的目标物的溶剂；
(2)若待测液中的目标物带正电荷，即将样品相纸层的亲水区域与直流电源的正极连接，将接收相纸层的亲水区域与直流电源的负极连接；若待测液中的目标物带负电荷，即将样品相纸层的亲水区域与直流电源的负极连接，将接收相纸层的亲水区域与直流电源的正极连接；打开直流电源进行电膜萃取，使目标物从样品相纸层的亲水区域穿过支撑液膜，并迁移到接收相纸层的亲水区域，即完成目标物的萃取。
优选地，所述步骤(2)之后，还包括在接收相纸层的亲水区域加入显色剂，显色后将分离后的目标物利用RGB颜色模型来进行定量分析。
优选地，步骤(1)中，在滴加待测液之前，还包括调节待测液pH的步骤，使待测液中的目标物离子化。
优选地，所述待测液和接收液的上样体积为5μl-20μl；所述膜溶剂的体积为2μl-4μl；所述萃取过程中直流电压为2V-80V。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明公开了一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置及其在生物样品、环境污染物和临床药物检测中的应用，属于样品前处理和样品检测技术领域。该方法是把纸芯片技术和电膜萃取技术相结合，建立一个简单、高效的快速检测平台。本发明的纸芯片是以石蜡作为疏水聚合物，在纸张上面构建亲疏水区域。整个装置分上下两层，上层装载样品相，下层装载接收相。装置运行过程中，样品相和接收相中间夹一层含微孔结构的聚丙烯纤维膜作为支撑膜，然后将两条电极分别接入样品相和接收相，外加直流稳定电源后使纸芯片形成通路。在电场力的作用下，目标分析物可以通过支撑膜上的膜溶剂，选择性的从样品相转移到接收相中。该方法以纸芯片作为检测平台，利用电膜萃取技术将待测物质分离富集，最后在接收相中加入显色剂，将显色图像利用RGB颜色模型来完成定量分析，或将分离后的待测物直接用仪器进行分析。将纸芯片和电膜萃取技术的结合，解决了检测过程中样品存在基质干扰的问题，实现了复杂样品的直接检测。
(2)本发明首次把电膜萃取技术与纸芯片相结合，充分发挥了电膜萃取技术在样品前处理中的作用。电膜萃取技术主要是以电场力作为驱动力，使待测液中离子化的被测物定向移动，穿过支撑膜上的膜溶剂，选择性的从样品相转移到接收相中，解决了常规纸芯片对于检测复杂样品时选择性低的问题，扩展了纸芯片这种微型检测平台的使用范围，使纸芯片检测技术具有更广阔的应用前景。
(3)本发明把电膜萃取技术与纸芯片相结合，不需要亲疏水通道来分离样品，避免样品在运输通道的残留，以及减少样品的蒸发等情况，很大程度的提高了样品的利用率。
(4)本发明把电膜萃取技术与纸芯片相结合，实现了微型平台将样品的前处理和检测过程一体化，且操作简单，对样品检测人员的要求较低，适用于普通大众使用。
(5)本发明把电膜萃取技术与纸芯片相结合，利用电膜萃取技术对样品的富集和纯化作用，提高了纸芯片在样品检测时的灵敏度，实现了对更低浓度样品的检测。
(6)本发明把电膜萃取技术与纸芯片相结合，借助纸芯片的低成本、便携性、检测快速的特性，大大降低了检测过程中花费的经济、时间等成本，很适用于现场检测。
附图说明
图1为本发明结合电膜萃取技术的纸芯片装置示意图。
图2为本发明在纸芯片上的电膜萃取技术原理图(以萃取硫离子为例)。
图3为本发明搭建的基于纸芯片的电膜萃取装置。
图4为本发明实施例萃取血样中硫离子后应用RGB颜色模型的结果。
图5为本发明实施例萃取农药中甲胺磷的结果。
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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置的制备方法，包括以下步骤：
(1)取提前裁剪好的纸片上标记出检测所需的亲疏水区域，使石蜡完全浸润疏水区域，保留亲水区域；浸润完成后将纸片冷却3min-5min；在纸片的疏水区域做四个针孔，目的是固定导线，实现电膜萃取技术与纸芯片的结合；
(2)将两条导线一端接在纸芯片的样品相和接收相中，另一端连接相应的电极输出线；用长尾夹将导线夹紧，防止导线脱落，保证整个反应过程中纸片位置的固定。
一些实施中，所述制备所需的纸片类型为实验室用滤纸，滤纸的孔径由目标分析物决定。
一些实施例中，所述亲水区域的面积不宜过大或过小，保持在30mm2-50 mm2。
一些实施例中，所述熔融态的石蜡温度保持在80℃-85℃。
一些实施例中，所述连接在纸片上的导线为铂丝、铜丝或其他化学性质稳定，并且有良好延展性和导电性的材料。
本发明结合电膜萃取技术的纸芯片装置的应用，包括以下步骤：
(1)取搭建好的纸芯片装置，中间加入涂有膜溶剂的支撑膜；上下两层的亲水区域分别加入待测液和接受液；打开直流稳压电源进行电膜萃取，目标分析物从上层的待测液中穿过支撑膜，迁移到下层的接受液中；
(2)完成目标分析物的分离富集后，加入显色剂，将显色图像利用RGB颜色模型来进行定量分析。
一些实施例中，所述支撑液膜材料为聚丙烯纤维膜或其他机械强度与化学稳定性高的聚合物多孔膜材料。
一些实施例中，所述待测液和接受液的上样体积保持在5μl-20μl。
一些实施例中，所述支撑液膜上涂膜溶剂的量为2μl-4μl。
一些实施例中，所述萃取过程中直流电压为2V-80V。
一些实施例中，所述连接在纸片上的导线与液体的接触面积越少，萃取效果越稳定。
本发明为一种结合电膜萃取技术的纸芯片在生物样品、环境重要污染物检测中的应用，其操作步骤包括：
(1)纸芯片装置的制备
将滤纸对折，裁剪为3cm×3cm的双层正方形，在正方形内标记出6mm×6mm的亲水区域；加热石蜡至80℃-85℃，用镊子将上述纸片竖着浸润在熔融态的石蜡中，四个方向分别浸润停留3s-7s，保留中间标记的亲水区域，保证疏水区域完全浸润；完成浸润后将纸片拿出来，打开冷却3min-5min，在双层纸片的疏水区域用大头针做四个针孔，用于两条导线的固定，即可得到可用的双层纸芯片。
(2)结合电膜萃取技术的纸芯片装置的搭建
纸芯片完成之后，在双层纸片的中间加入1cm×1cm的聚丙烯纤维膜，该膜将纸片的上下两层隔开。将导线穿过针孔，一端接在纸片的样品相和接收相中，另一端连接相应的电极输出线；用长尾夹将两侧的导线夹紧，防止导线脱落，保证整个反应过程中纸片位置固定(如图3所示)。
(3)目标分析物的分离、富集及检测
整个装置搭建好之后，在聚丙烯纤维膜上涂筛选好的膜溶剂3μl，纸芯片的上、下层亲水区域分别加入待测液和接受液15μl，打开直流稳压电源进行电膜萃取。在电场力的作用下，目标分析物从上层的待测液穿过支撑液膜迁移到下层的接受液中，实现目标分析物的分离和富集，该萃取过程需要的时间为5min-15min。完成目标分析物的分离富集后，加入显色剂并用手机拍照，利用RGB颜色模型来进行分析，或将分离后的待测物直接用仪器进行分析。
实施例1
利用本发明提供的结合电膜萃取技术的纸芯片装置在最优条件下萃取血样中的硫离子：
将滤纸对折，裁剪为3cm×3cm的双层正方形，在正方形内标记出6mm×6mm的亲水区域；加热石蜡至80℃，用镊子将上述纸片竖着浸润在熔融态的石蜡中，上下左右四个方向分别停留5s，保留中间标记的亲水区域，保证其余的疏水区域完全浸润；完成纸片四个方向的浸润，将纸片拿出来打开冷却3min，然后在双层纸片的疏水区域用大头针做四个针孔，用于两条导线的固定，完成后得到可用的双层纸芯片(如图1所示)。
纸芯片完成之后，在双层纸片的中间加入1cm×1cm的聚丙烯纤维膜，将两条导线穿过针孔进行固定，两条导线的位置分别在纸片的上层和下层，然后用长尾夹将两侧的导线夹紧。
图2为本发明在纸芯片上的电膜萃取技术原理图(以萃取硫离子为例)。整个装置搭建好之后，在纸芯片上层的亲水区域滴加提前用pH＝4的盐酸与血浆1：1稀释后的待测液15μl，下层的亲水区域滴加接收液，即pH＝12的氢氧化钠溶液15μl，在聚丙烯纤维膜中间涂筛选好的膜溶剂2μl，该实施例中使用的膜溶剂为正辛醇。打开直流稳压电源进行电膜萃取，选取的电压为9v，萃取时间为10min(如图3所示)。萃取完成后，滴加显色剂2％硝普钠，最后用手机拍照并通过软件Photoshop的三原色(红、绿、蓝)功能来量化硫离子的浓度(如图4所示)。
计算得到血样中的硫离子回收率为61.52％。
实施例2
利用本发明提供的结合电膜萃取技术的纸芯片装置在最优条件下萃取水样中的有机磷农药甲胺磷：
纸芯片装置搭建完成之后(同实施例1)，在双层纸片的中间加入1cm×1cm的聚丙烯纤维膜，将两条导线穿过针孔进行固定，两条导线的位置分别在纸片的上层和下层，然后用长尾夹将两侧的导线夹紧。整个装置搭建好之后，在纸芯片上层的亲水区域滴加待测液15μl，即提前用pH＝4盐酸PBS配制的甲胺磷标准溶液，下层的亲水区域滴加pH＝5的盐酸溶液15μl，在聚丙烯纤维膜中间涂筛选好的膜溶剂2μl，该实施例中使用的膜溶剂为邻硝基苯辛醚。打开直流稳压电源进行电膜萃取，选取的电压是60v，萃取时间为10min。萃取完成后，滴加提前配制好的显色剂吲哚乙酸酯，显色20min后，用手机拍照并通过软件Photoshop的三原色功能来量化甲胺磷的浓度(如图1所示)。该显色反应的原理是乙酰胆碱酯酶可以催化吲哚乙酸酯水解，生成蓝色的靛蓝，其颜色深浅与酶的活性有关，而有机磷农药能抑制酶的活性，对酶抑制效果和农药浓度正相关，所以最终纸片颜色的深浅与甲胺磷的浓度相关联。
计算得到甲胺磷的回收率为45％-55％(如图5所示)。
实施例3
利用本发明提供的结合电膜萃取技术的纸芯片装置在最优条件下萃取水样中的普萘洛尔：
纸芯片装置搭建完成之后(同实施例1)，在双层纸片的中间加入1cm×1cm的聚丙烯纤维膜，将两条导线穿过针孔进行固定，两条导线的位置分别在纸片的上层和下层，然后用长尾夹将两侧的导线夹紧。整个装置搭建好之后，在纸芯片上层的亲水区域滴加待测液15μl，即提前配制好的pH＝12的普萘洛尔溶液，下层的亲水区域滴加pH＝2的盐酸溶液15μl，在聚丙烯纤维膜中间涂筛选好的膜溶剂2μl，该实施例中使用的膜溶剂为邻硝基苯辛醚。打开直流稳压电源进行电膜萃取，选取的电压是60v，萃取时间为10min。萃取完成后，将接收相裁剪到2ml的离心管中洗脱，用荧光分光光度计进行定量检测(如图1所示)。
计算得到水样中普萘洛尔的回收率为78.84％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结合电膜萃取技术的纸芯片，其特征在于，该纸芯片从上至下包括样品相纸层和接收相纸层；所述样品相纸层上下两面和接收相纸层的上下两面均包括四周为疏水区域的亲水区域，所述样品相纸层和接收相纸层之间用于放置疏水性的支撑液膜，且当疏水性的支撑液膜位于所述样品相纸层和接收相纸层之间时，所述样品相纸层下表面的亲水区域和接收相纸层上表面的亲水区域在支撑液膜所在平面的投影边缘位于支撑液膜四周内；
所述样品相纸层的亲水区域用于与直流电源的正极连接，所述接收相纸层的亲水区域用于与直流电源的负极连接；或者所述样品相纸层的亲水区域用于与直流电源的负极连接，所述接收相纸层的亲水区域用于与直流电源的正极连接。
2.如权利要求1所述的结合电膜萃取技术的纸芯片，其特征在于，所述疏水性的支撑液膜为聚合物多孔膜。
3.如权利要求2所述的结合电膜萃取技术的纸芯片，其特征在于，所述聚合物多孔膜为聚丙烯纤维膜。
4.如权利要求1所述的结合电膜萃取技术的纸芯片，其特征在于，所述样品相纸层的各面亲水区域和接收相纸层各面的亲水区域的面积为30mm2-50mm2。
5.如权利要求1-4任一所述的结合电膜萃取技术的纸芯片的制备方法，其特征在于，在纸片上标记出检测所需的亲水区域和围绕所述亲水区域四周的疏水区域，使熔融态的疏水性高分子聚合物浸润疏水区域或者将疏水材料涂布至疏水区域，即得到包含四周都是疏水区域的亲水区域的样品相纸层和接收相纸层；
所述样品相纸层和接收相纸层之间用于放置疏水性的支撑液膜，且当疏水性的支撑液膜位于所述样品相纸层和接收相纸层之间时，所述样品相纸层下表面的亲水区域和接收相纸层上表面的亲水区域在支撑液膜所在平面的投影边缘位于支撑液膜四周内；
所述样品相纸层的亲水区域用于与直流电源的正极连接，接收相纸层的亲水区域用于与直流电源的负极连接；或者样品相纸层的亲水区域用于与直流电源的负极连接，接收相纸层的亲水区域用于与直流电源的正极连接。
6.如权利要求5所述的结合电膜萃取技术的纸芯片的制备方法，其特征在于，所述疏水性高分子聚合物为石蜡。
7.如权利要求1-4任一所述的结合电膜萃取技术的纸芯片的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在样品相纸层的任意一面的亲水区域和接收相纸层任意一面的亲水区域分别滴加待测液和接收液，在支撑液膜上涂上膜溶剂，并将支撑液膜置于样品相纸层和接收相纸层之间，使所述样品相纸层下表面的亲水区域和接收相纸层上表面的亲水区域在支撑液膜所在平面的投影边缘位于支撑液膜四周内；所述膜溶剂为能够溶解待测液中的目标物的溶剂，且所述膜溶剂不与待测液中的溶剂和接收液中的溶剂互溶；所述接收液为能够溶解待测液中的目标物的溶剂；
(2)若待测液中的目标物带正电荷，即将样品相纸层的亲水区域与直流电源的正极连接，将接收相纸层的亲水区域与直流电源的负极连接；若待测液中的目标物带负电荷，即将样品相纸层的亲水区域与直流电源的负极连接，将接收相纸层的亲水区域与直流电源的正极连接；打开直流电源进行电膜萃取，使目标物从样品相纸层的亲水区域穿过支撑液膜，并迁移到接收相纸层的亲水区域，即完成目标物的萃取。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述步骤(2)之后，还包括在接收相纸层的亲水区域加入显色剂，显色后将分离后的目标物利用RGB颜色模型来进行定量分析。
9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤(1)中，在滴加待测液之前，还包括调节待测液pH的步骤，使待测液中的目标物离子化。
10.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述待测液和接收液的上样体积为5μl-20μl；所述膜溶剂的体积为2μl-4μl；所述萃取过程中直流电压为2V-80V。
CN202111581536.3A 2021-12-22 2021-12-22 一种结合电膜萃取技术的纸芯片装置及其制备与应用 Pending CN114252437A (zh)

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