滴定緩沖機理研究

貴州師范大學物理與電子科學學院 戎小鳳 陳 葡 程桂仙 周鳳雛

滴定緩沖機理研究

貴州師范大學物理與電子科學學院 戎小鳳 陳 葡 程桂仙 周鳳雛

本論文采用噴墨打印法設計一款帶有緩沖區域的紙質傳感器，通過對緩沖機理的深入研究，確定其緩沖長度。并基于酶催化葡萄糖實驗，比較不同圖案反應區中顏色分布的詳細情況來確認反應物質的均勻性改善程度，從而使裸眼或計算機軟件分析低濃度試劑時變得準確。

傳感器；緩沖機理；長度；低濃度

1 引言

目前紙質微流控已成為當代傳感器技術的一種重要方法[1]。其目的是為貧困、邊遠地區提供一種非常便利，快捷，比較容易操作的檢測平臺。紙質微流控技術的基本原理是運用疏水聚合物來限定親水區域，從而人為操控流體的空間分布[2]。絕大部分的比色紙質微流控設備在做試驗分析的時候，普遍需要重復十多次來獲得準確的檢測結論。而造成這種誤差的本質原因是傳感物質在反應區中造成的非均勻堆疊，從而影響了化學反應的充分進行。另外傳感物質都只能直接滴定在某個反應的區域中，而液體的快速流動會將反應物質沖擊到遠離滴定點的其他地區，從而造成所謂的不均勻分布。

基于以上原因，本文將設計一種較復雜圖案的紙質生物傳感器，使得緩沖區域內流體流速降低，進而提高反應物質均勻分布。并通過對這種緩沖機理的研究，確定其緩沖長度，從而使之應用于紙質傳感器的設計中。從實驗結果看出，試劑如果通過一定的緩沖區域再進入反應區進行色變反應，顏色分布的均勻性有巨大的改善。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器及試劑

烷基烯酮二聚體（AKD）；正庚烷；EPSON V370掃描儀；中速定量濾紙；D-葡萄糖（超純級）；葡萄糖氧化酶(＞180U/mg)；辣根過氧化酶(＞300unit/mg)；碘化鉀（＞99.99%）；烘干箱；噴墨打印機。

2.2 制備紙質傳感器

首先配置體積比為2%的AKD-正庚烷混合試劑，加入噴墨打印機墨盒中。并使用計算機設計規則的圖樣，打印圖案再濾紙，將制備好的濾紙圖樣放置于溫度為100C°的烘干箱中，烘烤10分鐘后使之固化AKD，固化的AKD起到限制流體流動的作用。沒有AKD的部分為親水區域，用于流體流動和和化學反應。比色反應參考文獻[3]中的葡萄糖檢測模型。葡萄糖與氧氣在葡萄糖氧化酶（GOD）催化下反應生成葡萄糖酸和H2O2，H2O2與碘離子在辣根過氧化酶（HRP）催化下反應生成褐色碘，反應區表面由微黃變為褐色。色變信息被成像設備捕獲，可以通過計算機軟件分析色差來獲得樣品濃度信息。

3 結果和討論

3.1 緩沖機理

圖1 流體壓強變化圖

流體進入紙質介質，接觸角的變化造成流體前端壓強的變化，直接改變了流體流速的大小。但是，通過設置一條流道，讓反應物質經過流道，再進入有效區域的方法，能很大地改善流體進入紙質介質的流速情況[4]。其流道的長度由著名的Lucas-Washburn方程決定：

實際物理過程為液體接觸紙基前的那一刻，液體以近似球形的方式被吸附在移液器槍頭上。當液體接觸紙質介質后，紙質介質將槍頭上的液體吸取至紙質介質中。這一過程耗時極短，液體的形狀快速變化，液體受力不平衡方向被確定為箭頭所指方向。當穩定時，已經被紙質介質吸取部分體積的液體形成拱形，接觸角被假設為直角。這時液體前進面所受壓強被決定，是箭頭末端橫截面所受大氣壓強與毛細吸力壓強的差值。當干燥紙質介質不停吸取拱形水珠時，造成接觸角不停減小，降低。當接觸角為零時，將固定在[5]。因此，接觸角變化期間，液體傳輸的路程也將會被深刻的研究，其機理如圖1所示。

球形液體從移液器到紙質界面上時，存在形變和需要穩定形態的時間，這一時間極短，在建模分析時被忽略。因此可以用一個簡單的線性方程描述了過程中接觸角與時間的關系。

為方便手工操作，箭頭長方形區域寬度設定為3mm，滴定液體體積為5.5uL，接觸角變化過程持續約1.5s。水表面張力=72.8mN/m；平均孔半徑=4.5μm；水粘度在25°時為=8.9×10-4Pa·sec[6]，最終計算得到L=8.9mm。為了降低試劑的耗量，流道長度被設計成8mm，三角形邊長也設計為8mm。圖2是時間與緩沖距離關系曲線關系圖。

圖2 時間與緩沖距離關系曲線

3.2 不同圖案對均勻度的改善效果

圖3制作兩種圖案的紙質器件，一種為簡單正正方形，邊長8mm。一種為箭頭型，長方形區域3x10mm。分別使用兩種紙質平臺制作葡萄糖傳感器。傳感器在中心處滴定葡萄糖試劑，箭頭形狀的傳感器在箭頭末端滴定葡萄糖試劑，葡萄糖濃度分別為7mM和9mM。常溫反應25分鐘后，分析正方形區域的顏色標準偏差。結果如圖，實心正方形數據點為1傳感器的標準偏差值，空心正方形為箭頭形傳感器標準偏差值。通過一段路程的緩沖，反應區均勻性有20個灰度的提升。實心正方形傳感器的顏色分布較為明顯，褐色較多分布在三角形邊緣。試劑進入箭頭圖案的傳感器，顏色在反應區中較為均勻。

圖3 均勻性改善圖

4 結論

綜上所述，通過對緩沖效果的機理研究，確定其緩沖長度，設計一種帶有緩沖效果的紙質器件。這種緩沖器件，可以改善其物質均勻性，從而降低紙質傳感器在檢測分析中的重復次數。

[1]P．vonLode,Clin．Biochem．2005,38,591-606．

[2]D．Mabey,R．W．Peeling,A．Ustianowski,M．D．Perkins,Nat．Rev．Microbiol．2004,2,231-240．

[3]A．S．Daar,H．Thorsteinsdottir,D．K．Martin,A．C．Smith,S．Nast,P．A．Singer,Nat．Genet．2002,32,229-232．

[4]R．C．Willis,Anal．Chem．2006,78,5261-5265．

[5]Fenton,E．M．;Mascarenas,M．R．;L_opez,G．P．;Sibbett,S．S．ACSAppl．Mater,Interfaces2009,1,124．

[6]Martinez,A．W．;Phillips,S．T．;Butte,M．J．;Whitesides,G．M．Angew．Chem．,Int．Ed．2007,14,1364．