Tungmetaliondetektion og -ekstraktion ved hjælp af papirbaserede atomstempeltrykte enheder

Mikrofluidisk papirbaserede analytiske enheder (µPAD'er) er et lovende koncept med hurtig udvikling i de senere år. I en ny undersøgelse offentliggjort på Natur:Mikrosystemer og nanoengineering , et team ledet af Yanfang Guan og Baichuan Sun i elektromekanisk teknik i Kina, udviklet en ny teknik til at konstruere µPAD'er kendt som atom stamp printing (ASP). Metoden var omkostningseffektiv, nem at betjene og tillod høj produktionseffektivitet med høj opløsning. Som et bevis på konceptet, de brugte µPAD'er konstrueret via ASP -metoden til at detektere forskellige koncentrationer af kobber (Cu ²⁺ ) via en kolorimetrisk metode. Enhederne opnåede en Cu ²⁺ påvisningsgrænse på 1 mg/L. Guan et al. også skabt en ny papirbaseret solid-liquid extraction device (PSED) ved hjælp af en tredimensionel (3-D) µPAD med en "3+2" struktur og genanvendelig ekstraktionstilstand. På grund af egenskaberne ved papirfiltrering og kapillarkraft, enheden kunne effektivt fuldføre flere ekstraktions- og filtreringstrin fra fast-væske-ekstraktionsprocesser. PSED-platformen tillod enkle, omkostningseffektiv og hurtig detektering af tungmetalion på plejestedet. Arbejdet lover meget for anvendelser inden for fødevaresikkerhed og miljøforurening i ressourcebegrænsede områder.

I 1990'erne, bioingeniører foreslog først en konceptuel "lab-on-a-chip" (LOC) enhed baseret på mikrofluidisk teknologi. Forskere har siden foreslået mikrofluidisk papirbaserede analytiske enheder (µPAD'er) til at erstatte traditionel mikrofluidik, herunder chips baseret på glas og silicium. Fordelene omfatter enkel fremstilling, lavpris, bærbarhed og bortskaffelse til udbredte anvendelser i point-of-care test. En række metoder blev anvendt til at fremstille µPAD'er, herunder fotolitografi, vokstryk, papirklipning og stempling. Atomstempler (AS) eller maskingraverede penetrerende stempler kan graveres manuelt, selvom praksis kræver dygtighed og erfaring. En lasergraveringsmaskine kan arbejde med almindelig tegnesoftware inklusive AutoCAD og CorelDraw for at danne et seglstempel, der absorberer blæk på grund af dets mikroporøse arkitektur. Guan et al. brugte den nye tilgang til at producere µPAD'er gennem AS -udskrivning (ASP), hvor de gennemblødte et stempel af det påkrævede mønster i PDMS opløsningsmiddel, trykte det på papir og efterlod det i en vakuumtørringskasse for at fuldføre fremstillingen. De valgte derefter den kolorimetriske metode til at detektere Cu ²⁺ .

Holdet demonstrerede µPAD'ernes alsidighed ved at introducere en integreret enhed til papirbaseret jord-væske-ekstraktion. Enheden udnyttede fordelene ved papiret, herunder dets lave omkostninger, bærbarhed og filtrerbarhed for at demonstrere overlegen ydeevne under eksperimentel ekstraktion. De analyserede opløsningen af ​​µPAD'er, som en vigtig metrik til at regulere deres præstationer, som bestemte den mindste kanalbredde for væskestrømningspassager på papiret og for hydrofobe (vandhadende) barrierer, der er konstrueret til at forhindre væskestrømmen. Holdet observerede strømmen ved hjælp af et blåt farvestof. µPAD'erne, der tidligere blev bygget via laserskæring, gav den højeste opløsning med en minimal hydrofil (vandelskende) kanalbredde. Imidlertid, ASP var mere effektiv sammenlignet med tidligere teknikker, der blev brugt til at producere µPAD'er.

Under kolorimetrisk analyse, μPAD'er med Cu ²⁺ ændret fra hvid til gul, stigende i farve med stigende Cu ²⁺ koncentration, hvilket Guan et al. kvantificeret ved hjælp af Image J-software. Holdet bestemte derefter afstandsbaseret påvisning af Cu ²⁺ opløsninger som forskellige koncentrationer af opløsning strømmede gennem μPAD-kanalerne. Længden af ​​det gule bånd steg med stigende Cu ²⁺ opløsninger, og de observerede en konstant over 100 mg/L, som de bestemte som enhedens øvre grænse. Guan et al. påvist et minimum Cu ²⁺ koncentration på 1 mg/ml, i overensstemmelse med Verdenssundhedsorganisationen (WHO) og U.S. Environmental Protection Agency (EPA), hvor den maksimale Cu ²⁺ forureningskoncentration i drikkevand er 2 og 1,3 mg/L, henholdsvis.

Guan et al. viste arbejdsprincippet for en papirbaseret fast-væske-ekstraktionsenhed (PSED), som inkluderede en mikropumpe og filterpapirets mikroporøse karakter for at fuldføre fast-væske-ekstraktion og filtrering. Under processen, de opbevarede jordprøver oven på 3-D µPAD'en og ekstraherede opløsningsmiddel blandet med jorden, der strømmede fra mikropumpens udløbsrør. Ekstraktionsopløsningsmidlet solubiliserede samtidig tungmetalionerne og sugede dem gennem indløbsrøret og pumpede dem ud igen i en ekstraktionscyklus. Endelig, de ekstraherede tungmetalioner, herunder Cu, zink (Zn), cadmium (Cd) og bly (Pb) fra jordprøverne via mikropumpens kontinuerlige tilførsels- og pumpecyklusser.

Koncentrationerne af tungmetalioner opnået fra PSED-ekstraktionsproceduren svarede til traditionelle metoder - hvilket beviser den effektive natur af PSED. Ekstraktionsvolumenet krævede optimering og Guan et al. brugte mere end 30 ml af ekstraktanten som et resultat. Holdet optimerede tiden og fandt, at 20 minutter var tilstrækkeligt til fuldstændigt at udvinde tungmetalioner. Hver 3-D µPAD kunne indeholde 2 g jord, og hele ekstraktionsprocessen tog 40 minutter at fuldføre.

Sammenlignet med traditionelle udvindingsmåder, 3-D µPAD-teknikken udelod filtreringsprocesser for enklere betjening og højere ekstraktionsnøjagtighed. 3-D µPAD'erne er bærbare, billig og tilgængelig for simple ekstraktionsprotokoller. Forskerne kan justere størrelsen på enheden for at imødekomme forskellige behov, giver fleksibilitet til virkelige applikationer. På denne måde Yanfang Guan og Baichuan Sun udviklede en ny type detektionsenhed kendt som µPAD ved hjælp af atomisk stempeludskrivning (ASP). De opnåede høj opløsning for at danne de hydrofile kanaler og enhedens hydrofobe barrierer. ASP-teknikken er lavpris, har en enkel aktivitetstid, tillader kort prøveforberedelse for høj opløsning og højere følsomhed sammenlignet med traditionelle metoder.

De ASP-fremstillede µPAD'er påviste Cu ²⁺ som et proof of concept ved hjælp af en kolorimetrisk metode kombineret med afstandsbaseret detektion for at opnå Cu ²⁺ ved en koncentration på 1 mg/ml. Holdet foreslog PSED som en ny fast-væske-ekstraktionsanordning til at udvinde tungmetalioner fra jorden. Enheden krævede færre eksperimentelle prøver for at imødekomme behovene for point-of-care test, med reduceret prøvetab. Enheden opretholdt høj udsugningseffektivitet, lave omkostninger og ingen forurening for at opfylde kravene til fast-væske-udvinding. Den simple konstruktion kan fremstilles med lavpris 3D-print og er ikke begrænset til at teste jordprøver. Holdet forventer at forbedre anvendelsen af ​​denne enhed til at producere produkter til testprodukter med høj kapacitet.

© 2020 Science X Network