微流控液液萃取-液液波導集成化分析系統

姜 健, 李盼盼, 馬瀅雪, 楊春光, 徐章潤

(1. 遼東學院化學工程學院, 丹東 118003; 2. 東北大學分析科學研究中心, 沈陽 110819)

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微流控液液萃取-液液波導集成化分析系統

姜 健1,2, 李盼盼2, 馬瀅雪2, 楊春光2, 徐章潤2

(1. 遼東學院化學工程學院, 丹東 118003; 2. 東北大學分析科學研究中心, 沈陽 110819)

利用溴化1-丁基-3-甲基咪唑離子液體/碳酸鈉溶液雙水相體系, 實現了多相層流液液萃取. 以具有較高折射率的離子液體為液芯, 較低折射率的鹽溶液為包層, 實現了液液波導吸光度檢測. 據此建立了一種液液萃取與液液波導檢測集成化的微流控分析系統. 該系統對甲酚紅試樣的萃取率在93%以上, 對甲酚紅試樣檢測的線性范圍為0.01～0.40 mg/mL, 相對標準偏差為3.4%(n=11), 檢出限為3.8 μg/mL(3σ). 該系統將萃取分離與液液波導長光程吸光度檢測集成在一起, 為拓展吸光度檢測在微流控系統中的應用提供了新思路.

微流控芯片; 離子液體雙水相萃取; 液液波導; 吸光度檢測; 集成化

吸光度檢測是最常用的檢測技術之一, 也是最早用于微全分析系統的檢測技術. 由于微流控芯片通道檢測區的體積小、 吸收光程短, 故導致檢測靈敏度低, 嚴重制約了吸光度檢測技術在微流控分析中的應用. 采用軸向檢測[1～3]、 多重反射[4,5]及液芯波導(Liquid core waveguide, LCW)[6～12]等方法可在一定程度上提高檢測靈敏度. 液芯波導檢測能夠有效增加吸收光程[6,7], 在微流控分析系統中有良好的應用前景. 杜文斌等[7]將Teflon AF 2400毛細管與微流控芯片耦合, 建立了一種基于液芯波導技術的長光程吸收光度檢測系統, 并用鄰菲啰啉-鐵(Ⅱ)顯色體系驗證了該系統的分析性能. Sun等[8]建立了液芯波導吸光度檢測-停留萃取系統, 以Teflon AF毛細管作為萃取通道和吸收池, 對十二烷基硫酸鈉進行了萃取和檢測. Whitesides等[9]在聚二甲基硅氧烷(PDMS)材質的芯片上, 以去離子水(n=1.335)作為包層液體, CaCl2的水溶液(n=1.445)作為液芯流體, 在液液界面上形成了液液光波導. 但由于CaCl2在兩水相界面的擴散, 使液液界面逐漸變得不清晰, 折射率的差值變小, 嚴重影響了液液波導的性能. Lee等[10]以CaCl2水溶液(n=1.489)和去離子水(n=1.335)分別作為液芯和包層液體, 利用迪恩渦作用使豎直方向的聚焦流體將液芯流體上下包夾, 再經過水平流體聚焦, 形成了三維的液液波導系統; 并基于三維流體聚焦的方法建立了三維液液波導的熒光檢測方法. 與以固體為包層的液芯波導相比, 液液波導具有界面光滑、 光損失小、 對通道的平整度要求不高和靈活可調等優點. 但是， 其包層一般采用水或水溶液, 液芯多采用能與水互溶的有機溶劑(如乙二醇[11])或鹽的水溶液[9,10], 液芯和包層的界面會因擴散而逐漸模糊, 折射率差逐漸消失, 導致無法產生液液光波導. 尋找界面清晰且具有不同折射率的兩相液體, 對于液液波導光學檢測方法的開發與應用具有重要意義.

離子液體(IL)雙水相萃取體系在萃取生物樣品方面(如抗生素[12]、 植物組分[13]和蛋白質[14～16]等)表現出優異的性能. 基于微流控芯片的離子液體雙水相萃取具有更快的分相速度和更高的萃取效率[17]. 盡管微流控芯片雙水相萃取僅需數十秒至幾分鐘時間, 但是后續的分析檢測通常在芯片外進行, 往往需要數十分鐘. 若將萃取分離與檢測集成在同一芯片上, 不僅能簡化操作過程, 減少試樣和試劑消耗, 而且能避免試樣污染, 易于實現自動化和便攜化.

和絕大多數有機溶劑一樣, 離子液體的折射率通常大于水溶液的折射率, 不能用作液液波導的外包層溶液. 但若通過液液萃取, 將水相中的待測物轉移到萃取溶劑中, 則以離子液體溶劑為液芯, 水溶液為外包層, 即可實現液液波導檢測. 基于此, 本文建立了一種集成化的微流控液液萃取-液液波導吸光度檢測系統, 制作了集成螺旋形萃取通道和直線型吸光度檢測通道的微流控芯片. 利用離子液體折射率高和萃取性能優異的特點, 選取親水性離子液體溴化1-丁基-3-甲基咪唑為萃取劑和液芯, Na2CO3溶液為包層溶液, 在多相層流通道中實現了雙水相萃取; 萃取后的多相層流進入檢測通道, 利用液液界面上產生的全反射現象, 構建了液液波導吸光度檢測系統. 以甲酚紅溶液為試樣考察了該系統的萃取和檢測性能.

1 實驗部分

1.1 試 劑

若無特殊說明, 所用試劑均為分析純; 實驗用水為18 MΩ·cm純水; 溴化1-丁基-3-甲基咪唑(含量≥98%, 上海成捷化學有限公司)溶液的配制: 稱取11.29 g [C4mim]Br, 加入1.00 mL水, 超聲溶解, 混勻備用; Na2CO3(分析純, 天津大茂化學試劑廠)溶液的配制: 稱取15.6 g Na2CO3, 溶于少量水中, 稀釋至100 mL.

1.2 芯片的制備和結構

微流控芯片基底材料為聚二甲基硅氧烷(美國Dow Corning公司), 芯片上的通道結構由SU-8 2050光刻膠(美國MicroChem公司)制作的陽模復制而成. 為了減小芯片體積, 將萃取通道設計為螺旋形; 為了形成液芯波導, 采用包層/液芯/包層三相層流方式. 如圖1(A)所示, 螺旋形通道由不同直徑的半圓相連組成, 最小的半圓直徑為2 mm, 最大的半圓直徑為12 mm, 萃取通道的總長度為180 mm; 檢測通道位于萃取通道的下游, 長度為13 mm. 試劑引入通道寬度均為200 μm, 圖1(B)和(C)交叉口間的通道寬度為600 μm, 其余通道寬度為800 μm. 通道深度均為100 μm.

Fig.1 Channel layout of the microfluidic chip(A), multiphase flows at different positions of the extractionchannel(B—E) and photograph of the microfluidic chip(F)(A) 1. Inlet of the liquid core; 2 and 3. inlets of the inner cladding liquid; 4 and 5. inlets of the outer cladding liquid.

1.3 實驗裝置

吸光度檢測光源為LS-1-LL鎢燈光源(波長范圍為360～2000 nm, 美國海洋光學公司); 吸光度信號由USB4000-UV-VIS-ES光纖光譜儀(東芝TCD1304AP線性CCD陣列檢測器, 在600 nm的靈敏度為60光子/計數值, 光學分辨率約為1.5 nm, 信噪比為300∶1, 美國海洋光學公司)檢測; 用P200-2-UV-VIS和P600-2-UV-VIS石英光纖(直徑分別為200和600 μm, 美國海洋光學公司)連接光源、 芯片檢測通道和光譜儀. 將芯片置于三維精密移動臺上, 檢測通道兩端的光纖均連接準直透鏡, 并分別由光纖耦合器固定. 入射光纖發出的光與檢測通道在一個水平面內, 入射光纖光出口距離檢測通道入口端7 mm, 以一定角度照射在檢測通道內; 接收光纖對準檢測通道的出口, 距離出口端2 mm. 光纖的角度可通過移動臺和光纖耦合器的粗、 細調旋鈕調整. 液體由PHD2000型精密注射泵(美國Harvard公司)驅動. 整個實驗裝置置于暗箱內.

2 結果與討論

2.1 設計原理

液芯/液層光波導具有波導界面光學平滑、 光損失小及靈活可調等優點. 然而, 由于常見非水溶劑的折射率大于待測物水溶液的折射率, 難以形成以待測物水溶液為液芯的液液光波導系統, 因此基于液芯/液層光波導的光學檢測方法未得到廣泛應用. 離子液體是一種性能優良的溶劑, 而離子液體雙水相具有萃取條件溫和、 含水量高及分相速度快等特點. 為了建立用于吸光度檢測的液芯/液層光波導系統, 將離子液體雙水相體系用于建立微流控多相層流系統, 在微通道內形成鹽溶液/離子液體溶液/鹽溶液的三相層流. 選用折射率較大的親水性離子液體作為層流的液芯, 溶有試樣的無機鹽溶液在液芯的兩側, 在層流過程中, 試樣從兩側的水相中被萃取到中間的離子液體相中. 芯片中螺旋形通道為萃取通道, 萃取完成后, 多相層流進入相同寬度和深度的直線型通道, 該通道為檢測通道, 采用吸光度檢測法, 以檢測通道的液芯為樣品吸收池. 當入射光從檢測通道的一端以一定角度照射時, 由于內芯的折射率大于外層溶液的折射率, 入射光在離子液體和鹽溶液的液液界面上發生全內反射, 沿液芯軸向傳導, 從而實現液芯中試樣的吸光度檢測.

在該系統中, 利用離子液體優異的萃取能力, 將試樣從兩側的水相溶液中萃取到離子液體液芯中, 不僅可以對試樣起到一定的富集作用, 更重要的是能夠構建液液光波導檢測系統, 不再受待測物水相溶液折射率小的限制. 此外, 在水相層流中, 通常因分子擴散而導致層流界面逐漸模糊, 甚至消失. 而該多相層流體系具有異常穩定的層流界面, 幾乎不受流速和通道長度的影響, 這得益于所選擇的離子液體雙水相體系. 用于液芯波導時, 由于兩相界面為穩定的液面, 具有光學平滑性, 能減少因折射和散射而導致的光損失.

2.2 溴化1-丁基-3-甲基咪唑/碳酸鈉雙水相層流萃取

將親水性離子液體和鹽溶液的雙水相體系用于多相層流萃取. 選用親水性離子液體[C4mim]Br和Na2CO3溶液雙水相體系, 考察了室溫(25 ℃)下不同濃度的Na2CO3溶液對雙水相形成的影響. 結果表明, 當Na2CO3溶液的濃度在0.069～0.241 g/mL之間, 0.9186 g/g [C4mim]Br溶液與Na2CO3溶液的體積比在1∶5～3∶5之間時, 均可較好地形成雙水相. 考慮到鹽濃度過低時, 分相后鹽相體積變小, 反而導致鹽易結晶析出, 后續實驗中Na2CO3的濃度選擇為0.156 g/mL. 以0.35 mg/mL甲酚紅的碳酸鈉溶液為模型萃取物, 考察了微流控芯片多相層流雙水相萃取的性能. [C4mim]Br溶液從入口1引入, 甲酚紅的碳酸鈉溶液從入口2和3引入, 即在主通道中就形成離子液體在中間、 鹽溶液在兩側的三相層流. 在顯微鏡下可觀察到[C4mim]Br與碳酸鈉溶液在39 cm長的通道中始終能保持穩定的層流. 但在主通道中出現離子液體液滴貼壁現象, 其原因是在通道中心流動的[C4mim]Br由于分相作用與鹽分相后, 有一少部分貼到通道壁上且隨液流貼壁流動. 為了解決此問題, 又從入口4和5分別引入不含甲酚紅的碳酸鈉溶液, 在主通道中形成五相層流, 不含甲酚紅的碳酸鈉溶液沿通道側壁流動, 含有甲酚紅的碳酸鈉溶液不與通道側壁直接接觸, 從而避免了離子液體液滴貼壁現象, 如圖1(B)～(F)所示. 最外層碳酸鈉水溶液層流的引入使含甲酚紅的碳酸鈉溶液兩相液流變窄, 使其更易于擴散到離子液體[C4mim]Br中, 從而提高萃取速度. 該雙水相體系分相速度快, 可在5 cm長的通道內基本完成對目標物質的萃取, 時間僅需13 s. 可見, [C4mim]Br和Na2CO3溶液的雙水相體系在微通道中能夠保持穩定的層流狀態, 不僅可以快速完成待測物萃取, 而且穩定的層流對實現液液光波導至關重要.

2.3 液芯/液層波導吸光度檢測

對于理想的吸收池, 入射光應全部透過待測溶液后進入檢測器. 微流控芯片吸光度檢測過程中, 微通道中液層的厚度一般僅為100 μm左右, 當光路垂直于通道軸向時, 因吸收光程短, 檢測靈敏度低; 當光路沿通道軸向時, 由于未經過待測溶液的入射光不可避免地進入檢測器, 導致背景信號偏高, 同樣難以提高靈敏度. 本文利用液芯/液層波導體系, 使入射光與檢測通道軸向呈一定角度, 既能避免背景光的干擾, 又能在液芯內形成全內反射, 增加有效光程, 從而達到提高檢測靈敏度的目的. 實驗中考察了入射光角度和液芯寬度對檢測靈敏度的影響.

2.3.1 入射光角度的影響 入射光的傳導光纖、 接收光信號的光纖與芯片通道的相對位置如圖2所示. 在芯片檢測通道的一端放置入射光光纖, 入射光經準直透鏡后照射到液芯中, 另一端放置接收光纖. 為獲得更高的檢測靈敏度, 避免入射光線直接照射接收光纖, 需要優化入射光的入射角度.

Fig.2 Schematic diagram of liquid-liquid waveguide in the detection channel a. Liquid core; b. liquid cladding; c. optical fiber for transmitting incident light; d. optical fiber for receiving optical signal.θc: critical angle of the total internal reflection.

在所使用的離子液體雙水相體系中, 離子液體與鹽溶液分相后, 位于液芯位置的離子液體[C4mim]Br溶液的折射率較大(n=1.527), 位于包層位置的Na2CO3溶液的折射率較小(n=1.362). 離子液體與碳酸鈉溶液接觸后發生分相, 分相后碳酸鈉相和[C4mim]Br相的折射率n3和n4分別變為1.382和1.404, 此時發生全反射的臨界角θc= arcsinn3/n4= 79.8°. 即當入射角大于臨界角θc的光從液芯照射到兩相界面時, 發生全內反射現象(如圖2所示). 光纖發出的光照射到液芯前, 依次經過空氣、 PDMS層和Na2CO3溶液. 設光纖發出的光在空氣和PDMS界面的入射角為θ1, 則有n1sinθ1=n2sinθ2=n3sinθ3=n4sinθ4, 其中n1,n2,n3和n4分別為空氣、 PDMS、 Na2CO3溶液和IL溶液的折射率(n1=1.000,n4=1.404); 當θc=79.8°時,θ4=10.2°, 此時光纖入射角θ1=14.4°, 即當光纖入射角≤14.4°時液芯內發生全內反射.

Fig.3 Effect of incident angle of the optical fiberon absorbance

理論上, 當入射光進入PDMS芯片的入射角在0～14.4°之間時才能形成全內反射, 而若想避免接收光纖被未經待測溶液的入射光照射, 光纖入射角應盡可能大. 圖3示出了改變光纖入射光的角度時對吸光度的影響. 由圖3可見, 當入射角在2°～22°之間時, 隨入射角增大, 吸光度先增加后減小, 在14°時出現最大值. 當光纖入射光照射角度不同時, 產生的全內反射光程不同, 全內反射的次數也不同. 在0～14.4°之間, 隨入射角增大, 單次反射光程減小, 反射次數增加, 但全內反射總光程增加, 因此吸光度值增加. 當光纖入射角大于14.4°時, 即相界面處入射角小于臨界角79.8°, 理論上全內反射完全消失. 但本文中, 從入射光纖出射的光經過準直透鏡之后, 光線并非完全平行, 其光斑有一定程度的收縮, 當光纖入射角大于14.4°時, 仍有部分光線的入射角大于臨界角, 導致全內反射隨光纖入射角的增大而逐漸消失, 吸光度值逐漸下降. 光纖入射角為14°時, 既降低了背景光的干擾, 又有效地增加了吸收光程, 此時吸光度值最大, 該結果與理論相符.

2.3.2 液芯寬度的影響 從芯片的入口1引入[C4mim]Br溶液, 從入口2和3引入0.35 mg/mL甲酚紅的Na2CO3溶液, 從入口4和5注入0.156 g/mL Na2CO3溶液. [C4mim]Br溶液的流速設定為4 μL/min, 改變內、 外包層的液體流速, 觀察層流的穩定性, 并測定[C4mim]Br液芯的寬度. 結果表明, 當[C4mim]Br相流速不變, 內、 外包層碳酸鈉溶液流速增大時, 液芯寬度減小. 當[C4mim]Br與碳酸鈉溶液的總流速比在0.15～0.31之間時, 形成的層流較穩定. 流速比接近0.15時, 包層液體總流速較大, 液芯寬度較小, 不利于檢測光路的對準; 流速比大于0.31時, 包層液體的流速較小, 液芯易飄動, 不利于液芯波導檢測. 實驗選擇[C4mim]Br與碳酸鈉溶液的流速比為0.29, 此時[C4mim]Br溶液、 甲酚紅的Na2CO3溶液和Na2CO3溶液的流速分別為4, 10和4 μL/min, [C4mim]Br液芯寬度為(401±8) μm, 該液芯寬度有利于光路對準, 且層流穩定.

2.4 系統的分析性能

Fig.4 Standard curve of cresol red in IL solution

將不同濃度的甲酚紅的[C4mim]Br溶液從入口1注入, 0.156 g/mL Na2CO3溶液分別從入口2～5注入, 入口1, 2/3, 4/5的流速分別為4, 10和4 μL/min; 光纖入射角為14°, 在最大吸收波長586 nm處測定吸光度, 作標準曲線, 結果見圖4. 系統對甲酚紅檢測的線性范圍為0.01～0.40 mg/mL, 線性回歸方程為A=1.41c+0.02[其中A為吸光度;c為甲酚紅在[C4mim]Br中的濃度(mg/mL)],R2=0.9945. 連續測定0.10 mg/mL 的甲酚紅-[C4mim]Br標準溶液的吸光度, 相對標準偏差為3.4%(n=11), 檢出限為3.8 μg/mL(3σ). 測定一次樣品, 包括萃取和檢測過程僅需23 μL試樣和9 μL試劑, 在1 min內即可完成.

以[C4mim]Br為液芯, 不同濃度的甲酚紅的Na2CO3溶液(c1)作為內包層, Na2CO3溶液作為外包層, 設定各相的流速分別為4, 10和4 μL/min, 在波長586 nm處測定液芯中甲酚紅的吸光度, 按照標準曲線計算液芯中甲酚紅的濃度(c2). 從入口至出口兩相的接觸時間較短, 離子液體相比變化可以忽略, 在上述流速下液芯[C4mim]Br與內包層Na2CO3溶液的體積比為0.4. 假設碳酸鈉中的甲酚紅全部被萃取到離子液體中, 則液芯[C4mim]Br中甲酚紅的濃度c2′=2.5c1, 則萃取率的計算公式為E(%)=(c2/c2′)×100%, 結果列于表1, 可見甲酚紅的萃取率均在93%以上.

Table 1 Extraction of cresol red in the Na2CO3 solution

3 結 論

將離子液體雙水相萃取與液液波導檢測集成在一個芯片上, 簡化了操作步驟, 減少了試樣用量, 提高了分析速度, 便于實現微型化和便攜化. 該集成化分析檢測系統不僅具有較高的萃取效率, 而且利用液芯/液層波導的方法有效地增加了吸收光程, 避免了背景光的干擾, 提高了檢測靈敏度. 由于多相層流的相界面異常穩定, 液液波導吸光度檢測系統有望通過進一步增加光程來提高檢測靈敏度. 此外, 離子液體具有良好的生物相容性, 可采用離子液體雙水相萃取分離生命物質, 而生命物質大多有紫外吸收, 因此有望在微流控芯片上利用離子液體雙水相實現對該類物質的分離與檢測的集成化.

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(Ed.: N, K)

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.20975019, 21375012, 21305010).

Microfluidic Analysis System Integrated with Liquid-liquid Extraction and Liquid-liquid Waveguide?

JIANG Jian1,2, LI Panpan2, MA Yingxue2, YANG Chunguang2, XU Zhangrun2*

(1.InstituteofChemicalEngineering,EasternLiaoningUniversity,Dandong118003,China;2.ResearchCentreforAnalyticalSciences,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

A microfluidic analysis system integrated with liquid-liquid extraction and liquid-liquid waveguide detection was explored. Multiphase laminar liquid-liquid extraction was realized using 1-butyl-3-methyl imidazolium bromide ionic liquid/sodium carbonate solution aqueous two-phase system. Liquid-liquid waveguide absorption photometric detection was achieved by the ionic liquid with higher refractive index served as liquid core and the salt aqueous solution with lower refractive index served as liquid cladding. The extraction efficiency for cresol red extraction is more than 93%. The linear range, the relative standard deviation and the detection limit for cresol red detection were 0.01—0.40 mg/mL, 3.4%(n=11) and 3.8 μg/mL(3σ) respectively. Extraction separation and liquid-liquid waveguide-based long optical path absorbance detection were integrated in the system, which provided a new strategy for expanding the application of absorbance detection in microfluidic systems.

Microfluidic chip; Ionic liquid aqueous two-phase extraction; Liquid-liquid waveguide; Absorbance detection; Integration

10.7503/cjcu20150701

2015-09-08.

日期: 2016-03-09.

國家自然科學基金(批準號: 20975019, 21375012, 21305010)資助.

O657.32

A

聯系人簡介: 徐章潤, 男, 博士, 教授, 主要從事微流控分析技術研究. E-mail: xuzr@mail.neu.edu.cn