Thiết bị giấy vi lưu ba chiều cho phát hiện màu đồng thời của sáu ion kim loại kết hợp với việc sử dụng điện thoại thông minh

Springer Science and Business Media LLC - Tập 411 - Trang 6497-6508 - 2019
Fang Li1, Yuting Hu1, Zimu Li1, Jiachang Liu1, Lei Guo1, Jianbo He1
1Anhui Province Key Laboratory of Advanced Catalytic Materials and Reaction Engineering, School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, China

Tóm tắt

Một thiết bị phân tích giấy vi lưu ba chiều (3D) có cấu trúc hai lớp đơn giản (μPAD) đã được thiết kế để xác định đồng thời sáu ion kim loại—Fe(III), Ni(II), Cr(VI), Cu(II), Al(III) và Zn(II)—lần đầu tiên. 3D μPAD được cấu tạo từ hai lớp giấy: một lớp xử lý sơ bộ ở trên và một lớp phát hiện màu ở dưới. Dung dịch mẫu được thêm vào bể chứa mẫu ở giữa của 3D μPAD có thể tự động được phân chia thành tám đường ống và được xử lý tự động trong quá trình chảy qua các vùng xử lý sơ bộ nằm trong các kênh vi lưu, sau đó tự động thực hiện các phản ứng tạo màu khi đến các vùng phát hiện. Sự khuếch tán ngẫu nhiên của các thuốc thử tạo màu đã được ngăn chặn hiệu quả bằng cách vận chuyển dung dịch mẫu đã được xử lý đến các vùng phát hiện thông qua các kênh vi lưu 3D với thiết kế luồng vòng loại L, dẫn đến độ đồng nhất và khả năng tái hiện màu sắc được cải thiện đáng kể. Kết hợp việc sử dụng một đèn LED phẳng như nguồn sáng chiếu lên và một điện thoại thông minh như một thiết bị phát hiện thuận tiện, cảm nhận màu sắc được cải thiện, độ nhạy tăng cao, và khoảng phát hiện được mở rộng. Cuối cùng, 3D μPAD hai lớp đã được áp dụng để xác định nhiều ion kim loại trong hỗn hợp và mẫu môi trường với kết quả hài lòng. Giới hạn phát hiện thấp nhất đạt được là 0.2, 0.3, 0.1, 0.03, 0.08 và 0.04 mg/L cho các ion Fe(III), Ni(II), Cr(VI), Cu(II), Al(III) và Zn(II) tương ứng, thấp hơn khoảng một bậc so với các μPAD đã được báo cáo trước đây cho việc phát hiện ion kim loại. 3D μPAD hiện tại là đơn giản, nhanh chóng, chọn lọc, nhạy cảm và thân thiện với người dùng, và có tiềm năng ứng dụng lớn cho phân tích tại chỗ đa dạng.

Từ khóa

#thiết bị giấy vi lưu #phát hiện màu #ion kim loại #smartphone #phân tích môi trường

Tài liệu tham khảo

Rybicki BA, Johnson CC, Uman J, Gorell JM. Parkinson's disease mortality and the industrial use of heavy metals in Michigan. Movement Disord. 1993;8(1):87–92. Johnson S. Iron catalyzed oxidative damage, in spite of normal ferritin and transferrin saturation levels and its possible role in Werner’s syndrome, Parkinson’s disease, cancer, gout, rheumatoid arthritis, etc. Med Hypotheses. 2000;55(3):242–4. Grandis DJ, Nah G, Whitman IR, Vittinghoff E, Dewland TA, Olgin JE, et al. Wilson's disease and cardiac myopathy. Am J Cardiol. 2017;120(11):2056–60. Fraga CG. Relevance, essentiality and toxicity of trace elements in human health. Mol Aspects Med. 2005;26(4):235–44. Dayan AD, Paine AJ. Mechanisms of chromium toxicity, carcinogenicity and allergenicity: review of the literature from 1985 to 2000. Hum Exp Toxicol. 2001;20(9):439–51. Shi Z. Nickel carbonyl: toxicity and human health. Sci Total Environ. 1994;148(2):293–8. Perl DP, Brody AR. Alzheimer's disease: X-ray spectrometric evidence of aluminum accumulation in neurofibrillary tangle-bearing neurons. Science. 1980;208(4441):297–9. Sun L, Sun C, Sun X. Screening highly selective ionophores for heavy metal ion-selective electrodes and potentiometric sensors. Electrochim Acta. 2016;220:690–8. Bedlechowicz-Śliwakowska I, Lingenfelter P, Sokalski T, Lewenstam A, Maj-Żurawska M. Ion-selective electrode for measuring low Ca2+ concentrations in the presence of high K+, Na+ and Mg2+ background. Anal Bioanal Chem. 2006;385(8):1477–82. Nie Z, Nijhuis CA, Gong J, Chen X, Kumachev A, Martinez AW, et al. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 2010;10(4):477–83. Kumagai H, Yamanaka M, Sakai T, Yokoyama T, Suzuki T, Suzuki T. Determination of trace metals in sea-water by inductively coupled plasma mass spectrometry interfaced with an ion chromatographic separation system: effectiveness of nitrilotriacetate chelating resin as the column stationary phase for preconcentration and elimination of matrix effects. J Anal Atom Spectrom. 1998;13:579–82. Wu J, Yu J, Li J, Wang J, Ying Y. Detection of metal ions by atomic emission spectroscopy from liquid-electrode discharge plasma. Spectrochim Acta B. 2007;62(11):1269–72. Martinez AW, Phillips ST, Butte MJ, Whitesides GM. Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays. Angew Chem Int Ed. 2007;46(3):1318–20. Dungchai W, Chailapakul O, Henry CS. Electrochemical detection for paper-based microfluidics. Anal Chem. 2009;81(14):5821–6. Yamada K, Henares T, Suzuki K, Citterio D. Paper-based inkjet-printed microfluidic analytical devices. Angew Chem Int Ed. 2015;54:5294–310. Ge L, Wang S, Song X, Ge S, Yu J. 3D Origami-based multifunction-integrated immunodevice: low-cost and multiplexed sandwich chemiluminescence immunoassay on microfluidic paper-based analytical device. Lab Chip. 2012;12(17):3150–8. Li B, Zhang Z, Qi J, Zhou N, Qin S, Choo J, et al. Quantum dot-based molecularly imprinted polymers on three-dimensional origami paper microfluidic chip for fluorescence detection of phycocyanin. ACS Sens. 2017;2(2):243–50. Wang S, Ge L, Song X, Yu J, Ge S, Huang J, et al. Paper-based chemiluminescence ELISA: lab-on-paper based on chitosan modified paper device and wax-screen-printing. Biosens Bioelectron. 2012;31(1):212–8. Fenton EM, Mascarenas MR, López GP, Sibbett SS. Multiplex lateral-flow test strips fabricated by two-dimensional shaping. ACS Appl Mater Interfaces. 2009;1(1):124–9. Yamada K, Shibata H, Suzuki K, Citterio D. Toward practical application of paper-based microfluidics for medical diagnostics: state-of-the-art and challenges. Lab Chip. 2017;17(7):1206–49. Martinez AW, Phillips ST, Whitesides GM. Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(50):19606–11. Wang S, Ge L, Li L, Yan M, Ge S, Yu J. Molecularly imprinted polymer grafted paper-based multi-disk micro-disk plate for chemiluminescence detection of pesticide. Biosens Bioelectron. 2013;50:262–8. Ding J, Li B, Chen L, Qin W. A three-dimensional origami paper-based device for potentiometric biosensing. Angew Chem Int Ed. 2016;55(42):13033–7. Pesenti A, Taudte RV, McCord B, Doble P, Roux C, Blanes L. Coupling paper-based microfluidics and lab on a chip technologies for confirmatory analysis of trinitro aromatic explosives. Anal Chem. 2014;86(10):4707–14. Qi J, Li B, Wang X, Fu L, Luo L, Chen L. Rotational paper-based microfluidic-chip device for multiplexed and simultaneous fluorescence detection of phenolic pollutants based on a molecular-imprinting technique. Anal Chem. 2018;90(20):11827–34. Chaiyo S, Siangproh W, Apilux A, Chailapakul O. Highly selective and sensitive paper-based colorimetric sensor using thiosulfate catalytic etching of silver nanoplates for trace determination of copper ions. Anal Chim Acta. 2015;866:75–83. Li M, Cao R, Nilghaz A, Guan L, Zhang X, Shen W. “Periodic-table-style” paper device for monitoring heavy metals in water. Anal Chem. 2015;87(5):2555–9. Qi J, Li B, Wang X, Zhang Z, Wang Z, Han J, et al. Three-dimensional paper-based microfluidic chip device for multiplexed fluorescence detection of Cu2+ and Hg2+ ions based on ion imprinting technology. Sens Actuators B. 2017;251:224–33. Hossain SM, Brennan JD. β-Galactosidase-based colorimetric paper sensor for determination of heavy metals. Anal Chem. 2011;83(22):8772–8. Alahmad W, Tungkijanansin N, Kaneta T, Varanusupakul P. A colorimetric paper-based analytical device coupled with hollow fiber membrane liquid phase microextraction (HF-LPME) for highly sensitive detection of hexavalent chromium in water samples. Talanta. 2018;190:78–84. Calabria D, Caliceti C, Zangheri M, Mirasoli M, Simoni P, Roda A. Smartphone-based enzymatic biosensor for oral fluid L-lactate detection in one minute using confined multilayer paper reflectometry. Biosens Bioelectron. 2017;94:124–30. Santra D, Mandal S, Santra A, Ghorai UK. Cost-effective, wireless, portable device for estimation of hexavalent chromium, fluoride, and iron in drinking water. Anal Chem. 2018;90(21):12815–23. Sun H, Jia Y, Dong H, Fan L, Zheng J. Multiplex quantification of metals in airborne particulate matter via smartphone and paper-based microfluidics. Anal Chim. Acta. 2018;1044:110–8. Alizadeh N, Salimi A, Hallaj R. Mimicking peroxidase activity of Co2(OH)2CO3-CeO2 nanocomposite for smartphone based detection of tumor marker using paper-based microfluidic immunodevice. Talanta. 2018;189:100–10. Dungchai W, Chailapakul O, Henry CS. Use of multiple colorimetric indicators for paper-based microfluidic devices. Anal Chim Acta. 2010;674(2):227–33. Rattanarat P, Dungchai W, Cate D, Volckens J, Chailapakul O, Henry CS. Multilayer paper-based device for colorimetric and electrochemical quantification of metals. Anal Chem. 2014;86(7):3555–62. Devadhasan JP, Kim J. A chemically functionalized paper-based microfluidic platform for multiplex heavy metal detection. Sens Actuators B. 2018;273:18–24. Evans E, Gabriel EF, Benavidez TE, Tomazelli Coltro WK, Garcia CD. Modification of microfluidic paper-based devices with silica nanoparticles. Analyst. 2014;139(21):5560–7. Li B, Yu L, Qi J, Fu L, Zhang P, Chen L. Controlling capillary-driven fluid transport in paper-based microfluidic devices using a movable valve. Anal Chem. 2017;89(11):5708–13. Han J, Qi A, Zhou J, Wang G, Li B, Chen L. Simple way to fabricate novel paper-based valves using plastic comb binding spines. ACS Sens. 2018;3(9):1789–94. Sun X, Li B, Qi A, Tian C, Han J, Shi Y, et al. Improved assessment of accuracy and performance using a rotational paper-based device for multiplexed detection of heavy metals. Talanta. 2018;178:426–31. Li F, Wang X, Liu J, Hu Y, He J. Double-layered microfluidic paper-based device with multiple colorimetric indicators for multiplexed detection of biomolecules. Sens Actuators B. 2019;288:266–73. Wang X, Li F, Cai Z, Liu K, Li J, Zhang B, et al. Sensitive colorimetric assay for uric acid and glucose detection based on multilayer-modified paper with smartphone as signal readout. Anal Bioanal Chem. 2018;410(10):2647–55. Ahmad M, Narayanaswamy R. Development of an optical fibre Al(III) sensor based on immobilised chrome azurol S. Talanta. 1995;42(9):1337–44. Mentele MM, Cunningham J, Koehler K, Volckens J, Henry CS. Microfluidic paper-based analytical device for particulate metals. Anal Chem. 2012;84(10):4474–80. Ly N, Joo S-W. Zn(II)-concentration dependent Raman spectra in the dithizone complex on gold nanoparticle surfaces in environmental water samples. Appl Surf Sci. 2015;356:1005–11. Lopez-Ruiz N, Curto VF, Erenas MM, Benito-Lopez F, Diamond D, Palma AJ, et al. Smartphone-based simultaneous pH and nitrite colorimetric determination for paper microfluidic devices. Anal Chem. 2014;86(19):9554–62. Ding X, Mauk MG, Yin K, Kadimisetty K, Liu C. Interfacing pathogen detection with smartphones for point-of-care applications. Anal Chem. 2019;91(1):655–72. Cate D. M, Noblitt SD, Volckens J, Henry CS. Multiplexed paper analytical device for quantification of metals using distance-based detection. Lab Chip. 2015;15(13):2808–2818. World Health Organization. Guidelines for drinking-water quality. 4th ed. Geneva: World Health Organization; 2011.