Mikrofluidiska pappersbaserade analytiska enheter (µPADs) är ett lovande koncept med snabb utveckling de senaste åren. I en ny studie publicerad på Natur:Microsystems &Nanoengineering , ett team ledd av Yanfang Guan och Baichuan Sun inom elektromekanisk teknik i Kina, utvecklat en ny teknik för att konstruera µPADs som kallas atomstämpelutskrift (ASP). Metoden var kostnadseffektiv, lätt att använda och tillät hög produktionseffektivitet med hög upplösning. Som ett bevis på konceptet, de använde µPADs konstruerade via ASP-metoden för att detektera olika koncentrationer av koppar (Cu ²⁺ ) via en kolorimetrisk metod. Anordningarna uppnådde en Cu ²⁺ detektionsgräns på 1 mg/L. Guan et al. skapade också en ny pappersbaserad fast-vätskeextraktionsanordning (PSED) med hjälp av en tredimensionell (3-D) µPAD med en "3+2"-struktur och återvinningsbart extraktionsläge. På grund av egenskaperna hos pappersfiltrering och kapillärkraft, enheten kan effektivt slutföra flera extraktions- och filtreringssteg från fast-vätskeextraktionsprocesser. PSED-plattformen tillät enkla, kostnadseffektiv och snabb detektering av tungmetalljoner vid vården. Arbetet lovar mycket för tillämpningar inom livsmedelssäkerhet och miljöföroreningar i resursbegränsade områden.

På 1990-talet bioingenjörer föreslog först en konceptuell "lab-on-a-chip" (LOC) enhet baserad på mikrofluidisk teknologi. Forskare har sedan dess föreslagit mikrofluidiska pappersbaserade analytiska anordningar (µPADs) för att ersätta traditionell mikrofluidik, inklusive chips baserade på glas och kisel. Fördelarna inkluderar enkel tillverkning, låg kostnad, portabilitet och disponibilitet för utbredda tillämpningar i point-of-care tester. Ett antal metoder användes för att tillverka µPADs inklusive fotolitografi, vaxtryck, pappersklippning och stämpling. Atomstämplar (AS) eller maskingraverade penetrerande stämplar kan graveras manuellt, även om praktiken kräver skicklighet och erfarenhet. En lasergraveringsmaskin kan arbeta med vanliga ritprogram inklusive AutoCAD och CorelDraw för att bilda en stämpel som absorberar bläck på grund av sin mikroporösa arkitektur. Guan et al. använde den nya metoden för att producera µPADs genom AS-utskrift (ASP), där de blötlade en stämpel av det erforderliga mönstret i PDMS-lösningsmedel, skrev ut det på papper och lämnade det i en vakuumtorklåda för att slutföra tillverkningen. De valde sedan den kolorimetriska metoden för att detektera Cu ²⁺ .

Teamet visade mångsidigheten hos µPADs genom att introducera en integrerad enhet för pappersbaserad jord-vätskeextraktion. Enheten utnyttjade fördelarna med papperet inklusive dess låga kostnad, portabilitet och filtrerbarhet för att visa överlägsen prestanda under experimentell extraktion. De analyserade upplösningen av µPADs, som ett viktigt mått för att reglera deras prestanda, som bestämde den minsta kanalbredden för vätskeflödespassager på papperet och för hydrofoba (vattenhatande) barriärer konstruerade för att förhindra vätskeflöde. Teamet observerade flödet med ett blått färgämne. De µPAD som tidigare byggts via laserskärning gav den högsta upplösningen med en minimal hydrofil (vattenälskande) kanalbredd. Dock, ASP var effektivare jämfört med tidigare tekniker som användes för att producera µPADs.

Under kolorimetrisk analys, μPADs med Cu ²⁺ ändrats från vitt till gult, ökar i färg med ökande Cu ²⁺ koncentration, vilket Guan et al. kvantifieras med hjälp av programvaran Image J. Teamet bestämde sedan avståndsbaserad detektering av Cu ²⁺ lösningar som olika koncentrationer av lösning flödade genom μPAD-kanalerna. Längden på det gula bandet ökade med ökande Cu ²⁺ lösningar och de observerade en konstant över 100 mg/L, som de fastställde som den övre gränsen för enheten. Guan et al. detekterade ett minimum Cu ²⁺ koncentration på 1 mg/ml, i enlighet med Världshälsoorganisationen (WHO) och U.S. Environmental Protection Agency (EPA), där den maximala Cu ²⁺ föroreningskoncentrationen i dricksvatten är 2 och 1,3 mg/L, respektive.

Guan et al. visade arbetsprincipen för en pappersbaserad fast-vätskeextraktionsanordning (PSED), som inkluderade en mikropump och filterpapperets mikroporösa karaktär för att fullborda fast-vätskeextraktion och filtrering. Under processen, de lagrade jordprover ovanpå 3-D µPAD och extraherade lösningsmedel blandat med jorden som strömmade från mikropumpens utloppsrör. Extraktionslösningsmedlet solubiliserade samtidigt tungmetalljonerna och sög dem genom inloppsröret och pumpade ut dem igen i en extraktionscykel. Till sist, de utvann tungmetalljoner inklusive Cu, zink (Zn), kadmium (Cd) och bly (Pb) från jordproverna via kontinuerliga tillförsel- och pumpcykler av mikropumpen.

Koncentrationerna av tungmetalljoner som erhållits från PSED-extraktionsproceduren liknade traditionella metoder - vilket bevisar den effektiva naturen hos PSED. Extraktionsvolymen krävde optimering och Guan et al. använde mer än 30 ml av extraktionsmedlet som ett resultat. Teamet optimerade tiden och fann att 20 minuter var tillräckligt för att helt extrahera tungmetalljoner. Varje 3-D µPAD kunde hålla 2 g jord och hela extraktionsprocessen tog 40 minuter att slutföra.

Jämfört med traditionella utvinningssätt, 3-D µPAD-tekniken utelämnade filtreringsprocesser för enklare drift och högre extraktionsnoggrannhet. 3-D µPAD:erna är bärbara, billig och tillgänglig för enkla extraktionsprotokoll. Forskarna kan anpassa storleken på enheten för att möta olika behov, ger flexibilitet för verkliga tillämpningar. På det här sättet, Yanfang Guan och Baichuan Sun utvecklade en ny typ av detekteringsanordning känd som µPAD med hjälp av atomär stämpelutskrift (ASP). De uppnådde hög upplösning för att bilda de hydrofila kanalerna och enhetens hydrofoba barriärer. ASP-tekniken är låg kostnad, har en enkel aktivitetstid, tillåter kort provberedning för hög upplösning och högre känslighet jämfört med traditionella metoder.

De ASP-tillverkade µPAD:erna detekterade Cu ²⁺ som ett proof of concept med en kolorimetrisk metod kombinerad med avståndsbaserad detektion för att uppnå Cu ²⁺ vid en koncentration av 1 mg/ml. Teamet föreslog PSED som en ny fast-vätskeextraktionsanordning för att extrahera tungmetalljoner från jorden. Enheten krävde färre experimentella prover för att möta behoven av testning på vårdplatsen, med minskad provförlust. Enheten bibehöll hög utsugningseffektivitet, låg kostnad och ingen förorening för att möta kraven på fast-vätskeutvinning. Den enkla konstruktionen kan produceras med låg kostnad 3D-utskrift och är inte begränsad till testjordprover. Teamet förväntar sig att förbättra användningen av den här enheten för att producera produkter för testprodukter med hög genomströmning.

© 2020 Science X Network