一種基於離子印跡包被量子點檢測液體樣品的微流控紙晶片及其製備方法與流程

2023-12-02 04:21:01 2

本發明屬於材料科學與工程和微流控晶片技術領域，具體來說是一種基於離子印跡包被量子點檢測液體樣品的微流控紙晶片及其製備方法。

背景技術：

微流控晶片技術是把化學、生物、醫學分析等過程中的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的晶片上，自動完成分析過程。微流控紙晶片作為微流控晶片的一個重要分支，目前被廣泛應用到許多領域；紙作為分析的基底材料有成本低廉、生物相容性好、可降解、化學性能良好等優點。通過在紙晶片上構建微流通道，試樣可以在設計的通道內通過毛細作用力流動，不需要藉助外部動力，可自動驅動待測樣品。在現場檢測和經濟欠發達地區，紙晶片有著很好的應用前景。關於紙晶片的檢測手段主要有比色法、電化學法、化學發光和螢光等。目前以比色和電化學法研究比較多。這是因為在傳統的化學反應中，關於比色和電化學法的研究體系比較多。藉助成型的檢測手段，紙晶片可以應用到不同的領域。作為新型的納米螢光材料，量子點因具有螢光特性和量子效應激起了廣大研究人員的興趣。目前，將量子點用於高選擇性、高特異性標記細胞和生物分子的技術上，對非特異性背景進行弱化等，取得了巨大的進步。將其作為具有良好螢光效果的信號材料，與紙晶片作為微管路系統相結合形成螢光型微流控紙晶片，用於快速識別和測定重金屬離子有著巨大的應用潛力。

在水體和生物液體重金屬離子分析技術中，離子印跡晶片是一種高效率、高通量、微型化和自動化的新型分析手段。目前液體重金屬離子分析方法主要是儀器分析，分析重金屬離子的主要儀器有:原子吸收分光光度計，元素在熱解石墨爐中被加熱原子化，成為基態原子蒸汽，對空心陰極燈發射的特徵輻射進行選擇性吸收。在一定濃度範圍內，其吸收強度與試液中被測元素的含量成正比，利用這樣的定量關係，從而進行中微量重金屬元素的分析。但是測定每種元素均需要相應的空心陰極燈，這對檢測工作帶來不便。一種是電感耦合等離子質譜儀，是以等離子體為離子源的一種質譜型元素分析方法。主要用於進行多種重金屬元素的同時測定，並可與其他色譜分離技術聯用，進行元素價態分析。還有一種是原子螢光光譜儀，原子螢光光譜法是通過測量待測元素的原子蒸氣在輻射能激發下產生的螢光發射強度，來確定待測元素含量的方法。通過Y型紙晶片輸水通道將含有重金屬離子的待測液同時集中在不同待測區，重金屬離子通過表面吸附、電荷轉移等方式可以實現對量子點螢光的猝滅，同時通過結合離子印跡技術對其進行選擇性識別，因此可以通過螢光的變化實現對重金屬離子的選擇性識別和定量檢測。因此，具有良好螢光效果的量子點和具有優異選擇性的離子印跡材料相結合，在納米技術、生物醫療技術和環境監測等領域都有著強大的生命力和廣闊的應用前景。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於離子印跡包被量子點檢測液體樣品的微流控紙晶片及其製備方法。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種基於離子印跡包被量子點檢測液體樣品的微流控紙晶片，檢測液體樣品的微流控紙晶片為通過醯胺鍵的成鍵方式和溶膠凝膠方式將離子印跡層包被量子點的結構固定於具有噴蠟Y型微流通道的玻璃纖維表面，即得檢測液體樣品的微流控紙晶片。

上述，含有Y型流路通道的紙晶片可以進行試劑的引入和樣品運輸，並實現一個樣品中不同離子的同時響應，最終得到基於量子點的離子印跡微流控紙晶片。

一種基於離子印跡包被量子點檢測液體樣品的微流控紙晶片的製備方法，首先對酸活化過的紙晶片的玻璃纖維紙基底的玻璃纖維表面進行氨基改性，併合成表面帶有羧基的CdTe量子點，再採用溶膠凝膠方式和表面離子印跡方式在經氨基改性紙晶片的表面合成離子印跡層，而後將表面經印跡包被量子點殼層修飾的改性紙晶片固定在具有噴蠟Y型微流通道的紙晶片上，即得到離子印跡微流控紙晶片。

優選：將經過酸活化的玻璃纖維紙晶片基底紙浸泡於乙醇水溶液中，然後向浸泡液中加入3-氨丙基三乙氧基矽烷，進行振蕩反應使氨基接枝在紙晶片表面；而後將經鹽酸1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺和N-羥基琥珀醯亞胺活化的量子點溶液加入到氨基改性的基底紙中，並同時用離子印跡的方法在接枝過量子點的紙晶片表面進行一種或多種離子的離子印跡，而後將表面經印跡包被量子點殼層修飾的改性紙晶片固定在具有噴蠟Y型微流通道的紙晶片上，即得到離子印跡微流控紙晶片。

進一步優選：

a.紙晶片基底紙的改性：將酸活化後的玻璃纖維紙片分散在乙醇和水的混合溶液中，然後加入3-氨丙基三乙氧基矽烷，使其充分反應，再用二次水進行清洗，待用；

b.CdTe量子點的合成：將碲粉和硼氫化鈉以質量比1:1-1:3混合，然後加入乙醇，再加入二次水，密閉加熱恆溫反應，得得無色到紫色的反應物待用；

將氯化鎘溶解在二次水中，並加入巰基乙酸進行修飾，而後用氫氧化鈉溶液調節pH到適當值，通氮除氧；而後加入上述碲粉和硼氫化鈉反應所得無色到紫色的上清液，氮氣保護下加熱回流，即得到黃色到橘色的CdTe量子點；

c.印跡包被量子點殼層的製備：將鹽酸1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺和N-羥基琥珀醯亞胺活化處理上述獲得量子點，活化量子點溶液緩慢加入至上述步驟a改性後紙晶片中，而後分別加入一種或幾種相應的模板離子，加入離子後再加入功能單體3-氨丙基三乙氧基矽烷進行反應，反應後加入引發劑和交聯劑，室溫下反應，反應後洗滌，即形成包裹量子點的離子印跡殼層；

d.固定晶片：將含有上述離子印跡改性功能的紙晶片修剪後固定在經噴蠟疏水處理含有Y型流路通道的紙晶片中。

所述步驟a.紙晶片基底紙的改性：將紙晶片基底浸泡在0.1-0.5mol/l稀鹽酸中0.1-0.5h進行活化，取酸活化過的紙晶片基底紙分散在過量的乙醇和水的混合溶液(乙醇和水混合溶液中乙醇和水的體積比為1:3)中，然後加入3-氨丙基三乙氧基矽烷，讓其充分振蕩反應0.5-3h，而後用過量二次水進行清洗2-8遍；其中，3-氨丙基三乙氧基矽烷的添加量為乙醇和水的混合溶液體積的5-40倍。

所述步驟b.CdTe量子點的合成：

1)將碲粉和硼氫化鈉按1:1-1:3比例混合，混合依次加入乙醇和二次水，而後於密閉條件下在20-50℃反應，反應1-5h，使反應液由無色到紫色；

2)將氯化鎘加入到的二次水中，然後再加入巰基乙酸，加入後調節體系pH調到6-10，通氮氣5-30min排氧，待用；

3)將步驟1)反應獲得的無色到紫色上清液加入到步驟2)獲得含氯化鎘的溶液中，氮氣保護加熱回流0.5-3小時，即可得到黃色到橘色的量子點。

所述步驟c.印跡包被量子點殼層的製備：於上述改性的紙晶片，加入量子點溶液，再加入鹽酸1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺、N-羥基琥珀醯亞胺溶液，使量子點進行活化，而後再加入硝酸銅和氯化汞溶液，隨後加入10-80μL 3-氨丙基三乙氧基矽烷，避光振蕩5-35min，再分別加入適量的氨水和四乙氧基矽烷，反應1-6小時，用二次水清洗1-5遍，即在玻璃纖維紙上形成離子印跡包裹量子點殼層；其中，量子點溶液、鹽酸1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺、N-羥基琥珀醯亞胺溶液的體積比為3-10:3:3。

而後再進行模板分子的洗脫：將上述所得銅離子印跡紙晶片用0.005-0.02mol/l的乙二胺四乙酸溶液振蕩清洗，所得汞離子印跡紙晶片用0.005-0.02mol/l的硫脲溶液震蕩清洗，將模板離子洗脫，然後用二次水漂洗、乾燥。

上述離子印跡中添加模板離子為銅和/或汞離子。

原理：本發明是對鹽酸活化過的紙晶片基底玻璃纖維表面進行氨基改性，併合成帶有羧基的CdTe量子點，而後在紙晶片表面合成包被量子點的離子印跡，分別以銅離子和汞離子為模板離子，將該含有離子印跡改性功能的紙晶片裁剪到合適大小，固定在經噴蠟疏水處理含有Y型流路通道的紙晶片中；其中，含有Y型流路通道的紙晶片可以進行試劑的引入和樣品運輸，離子印跡作為選擇識別單元和量子點作為信號單元，通過電子轉移和表面吸附作用，當紙晶片上引入含有銅離子或汞離子的液體之後，其被運輸到經過量子點改性的紙晶片表面，量子點的螢光隨銅離子或汞離子的濃度增加而減弱，可以實現銅離子和汞離子的定量檢測。

本發明所具有的優點：

本發明將微流控紙晶片技術、量子點和離子印跡技術相結合製備基於離子印跡包被量子點的微流控紙晶片，用於銅離子或汞離子混合液體的同時高效識別與高靈敏螢光檢測。形成離子印跡層後，由於電子轉移和表面吸附作用，當加入含有銅離子或汞離子的液體之後，量子點的螢光隨銅離子或汞離子的濃度增加而減弱，據此可實現對銅離子和汞離子的同時高效識別與高靈敏螢光檢測。系統考察了該印跡晶片對銅離子和汞離子的分析性能，相比其它金屬離子對銅離子和汞離子顯示出很高的選擇性吸附能力；相對於非離子印跡聚合物，接有離子印跡層的紙晶片對銅離子和汞離子有著更高的識別選擇性和穩定性。本發明兼具快速、便攜、經濟、高靈敏等優勢，提供了一種銅和汞重金屬離子檢測新策略，豐富了微流控紙晶片相關研究。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的離子印跡包被量子點紙晶片製備過程示意圖，Y型紙晶片同時檢測銅離子和汞離子印跡紙晶片的實物圖。

圖2為本發明實施例提供的掃描電鏡圖:A：玻璃纖維紙；B:沒有離子印跡殼層的玻璃纖維紙；C、D離子印跡殼層包被量子點的紙晶片。

圖3為本發明實施例提供的離子印跡包被量子點的微流控紙晶片對不同幹擾離子所展現出的選擇性。

圖4為本發明實施例提供的離子印跡包被量子點的微流控紙晶片在一個月內使用的穩定性。

圖5為本發明實施例提供的離子印跡包被量子點的微流控紙晶片對銅離子和汞離子溶液的標準曲線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的描述。

本發明首先對鹽酸活化後的玻璃纖維紙的纖維表面進行氨基改性，併合成表面修飾有巰基乙酸的CdTe量子點，而後採用醯胺鍵的成鍵作用和表面印跡技術在紙晶片的表面合成離子印跡層包被量子點的核殼結構，洗脫掉模板離子並將晶片固定在具有Y型噴蠟微流通道的紙上，使其可以進行兩種重金屬離子的同時檢測，即得到離子印跡微流控紙晶片。

本發明兼具快速、高效、便攜、經濟、高靈敏等優勢，提供可以實現多種重金屬離子同時檢測的新策略，豐富了微流控晶片的相關研究。

實施例1

a.玻璃纖維紙的改性：用刀裁剪長×寬為1cm×1cm的8片玻璃纖維紙晶片，取玻璃纖維紙在0.02mol/l鹽酸中浸泡30min，隨後用二次水漂洗5遍，再浸泡在30mL乙醇和水的混合溶液中，然後加入800μL的3-氨丙基三乙氧基矽烷，讓其充分振蕩反應8h，使得纖維紙表面接有氨基。用二次水進行清洗5遍，將多餘的3-氨丙基三乙氧基矽烷洗淨。

b.CdTe量子點的合成：稱取38.3mg的碲粉和40.0mg的硼氫化鈉加入到尖底黃蓋瓶中，先加入1.5mL的乙醇，再加入0.5mL的去離子水，迅速蓋上蓋子，使體系密閉，在蓋子上插一根針頭，在針頭上用去離子水進行液封隔氧。40℃恆溫反應4h，至黑色的碲粉完全消失，上清液為淡紫色為止。同時把64.2mg的氯化鎘加入到100mL的去離子水中，然後加入63μL的巰基乙酸，再用1mol/L的氫氧化鈉溶液將pH調到9.0，用氮氣吹30min除氧，而後加入上述反應所得碲粉產物的淡紫色上清液1mL，並在氮氣保護下回流2h，即可得到黃綠色的量子點。

c.印跡包被量子點殼層的製備：取上述所得合成的紙晶片，緩慢滴加10mL量子點、6mL的20mg/mL的鹽酸1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺、6mL的10mg/mL的N-羥基琥珀醯亞胺溶液，再分別加入100mg/l的硝酸銅溶液和氯化汞溶液1ml，隨後分別向其中加入53μL的3-氨丙基三乙氧基矽烷，避光反應30min，使其充分結合之後，分別加入50μL的氨水和90μL的四乙氧基矽烷，銅離子印跡反應4h，汞離子印跡反應3h，用二次水清洗3遍，即形成包被量子點的離子印跡殼層。

d.模板分子的洗脫：將上述所得銅離子印跡紙晶片用30mL的0.01mol/l的乙二胺四乙酸溶液振蕩清洗，所得汞離子印跡紙晶片用30ml的0.01mol/l的硫脲溶液震蕩清洗，將模板離子洗脫，然後用二次水漂洗、乾燥。

f.固定晶片：將含有分子印跡改性功能的紙晶片裁剪到5×5mm合適大小，固定在經噴蠟疏水處理含有Y型流路通道的紙晶片中，含有流路通道的紙晶片可以進行試劑的引入和樣品運輸，最終得到基於量子點的印跡紙晶片。為簡便起見，銅離子印跡記為CuIIP，汞離子印跡記為HgIIP(參見圖1)。

非印跡聚合物製備：按照上述操作規程，除了不加模板離子硝酸銅和氯化汞之外，其他步驟同上，記為NIP。

IIP為含有銅離子和汞離子模板的印跡材料，NIP為不含銅離子和汞離子模板離子的印跡材料，也就是空白對照樣品。

實施例2

分別將玻璃纖維紙、接有量子點的玻璃纖維紙、含有離子印跡紙晶片放在真空乾燥箱中40℃乾燥6h之後，進行噴金處理在經噴蠟疏水處理含有Y型流路通道的紙晶片，將樣品用掃描電鏡進行觀察(參見圖2A-圖2F)。如圖2A所示，可以看到玻璃纖維紙表面有明顯的玻璃纖維結構；圖2B和2C顯示玻璃纖維表面接有成片顆粒物，顆粒比較均勻，說明CdTe量子點可以接枝在玻璃纖維上。如圖2D、2E、2F所示，通過接枝印跡殼層之後，表面形成了一層明顯的包被量子點的離子印跡層。

實施例3

取同一批次的離子印跡包被量子點的微流控紙晶片，分別滴入不同125μg/l濃度的銅離子、汞離子、鉻離子、鎳離子、鈷離子、鉛離子溶液，如圖3所示，離子印跡紙晶片對模板離子銅離子和汞離子有較好的選擇性，可以排除其它離子的幹擾。非離子印跡紙晶片作為對照組，表現出不具有選擇性的特點。

實施例4

取同一批次的離子印跡包被量子點的紙晶片，在28天的時間裡，平均2-3天檢測一次螢光，共檢測11次。如圖4所示，紙晶片的螢光強度變化不大，穩定性比較好。

實施例5

取7張同一批次的離子印跡包被量子點的紙晶片，配製濃度分別0-80μg/L的硝酸銅和氯化汞混合溶液，取30μl的不同濃度的離子混合溶液滴加到待測區，當溶液通過親水通道到達待測區，使其平衡15min，然後用螢光儀測定每張紙晶片的螢光強度。如圖5所示，隨著濃度的增大時，離子印跡紙晶片的螢光強度逐漸下降，並有一定的線性關係，從而可以通過螢光強度的變化，實現對銅離子和汞離子濃度的變化的檢測。