滴定缓冲机理研究

2015-02-07贵州师范大学物理与电子科学学院戎小凤程桂仙周凤雏

电子世界 2015年16期

关键词：箭头机理纸质

贵州师范大学物理与电子科学学院戎小凤陈葡程桂仙周凤雏

滴定缓冲机理研究

贵州师范大学物理与电子科学学院戎小凤陈葡程桂仙周凤雏

本论文采用喷墨打印法设计一款带有缓冲区域的纸质传感器，通过对缓冲机理的深入研究，确定其缓冲长度。并基于酶催化葡萄糖实验，比较不同图案反应区中颜色分布的详细情况来确认反应物质的均匀性改善程度，从而使裸眼或计算机软件分析低浓度试剂时变得准确。

传感器；缓冲机理；长度；低浓度

1 引言

目前纸质微流控已成为当代传感器技术的一种重要方法[1]。其目的是为贫困、边远地区提供一种非常便利，快捷，比较容易操作的检测平台。纸质微流控技术的基本原理是运用疏水聚合物来限定亲水区域，从而人为操控流体的空间分布[2]。绝大部分的比色纸质微流控设备在做试验分析的时候，普遍需要重复十多次来获得准确的检测结论。而造成这种误差的本质原因是传感物质在反应区中造成的非均匀堆叠，从而影响了化学反应的充分进行。另外传感物质都只能直接滴定在某个反应的区域中，而液体的快速流动会将反应物质冲击到远离滴定点的其他地区，从而造成所谓的不均匀分布。

基于以上原因，本文将设计一种较复杂图案的纸质生物传感器，使得缓冲区域内流体流速降低，进而提高反应物质均匀分布。并通过对这种缓冲机理的研究，确定其缓冲长度，从而使之应用于纸质传感器的设计中。从实验结果看出，试剂如果通过一定的缓冲区域再进入反应区进行色变反应，颜色分布的均匀性有巨大的改善。

2 实验部分

2.1 实验仪器及试剂

烷基烯酮二聚体（AKD）；正庚烷；EPSON V370扫描仪；中速定量滤纸；D-葡萄糖（超纯级）；葡萄糖氧化酶(＞180U/mg)；辣根过氧化酶(＞300unit/mg)；碘化钾（＞99.99%）；烘干箱；喷墨打印机。

2.2 制备纸质传感器

首先配置体积比为2%的AKD-正庚烷混合试剂，加入喷墨打印机墨盒中。并使用计算机设计规则的图样，打印图案再滤纸，将制备好的滤纸图样放置于温度为100C°的烘干箱中，烘烤10分钟后使之固化AKD，固化的AKD起到限制流体流动的作用。没有AKD的部分为亲水区域，用于流体流动和和化学反应。比色反应参考文献[3]中的葡萄糖检测模型。葡萄糖与氧气在葡萄糖氧化酶（GOD）催化下反应生成葡萄糖酸和H2O2，H2O2与碘离子在辣根过氧化酶（HRP）催化下反应生成褐色碘，反应区表面由微黄变为褐色。色变信息被成像设备捕获，可以通过计算机软件分析色差来获得样品浓度信息。

3 结果和讨论

3.1 缓冲机理

图1 流体压强变化图

流体进入纸质介质，接触角的变化造成流体前端压强的变化，直接改变了流体流速的大小。但是，通过设置一条流道，让反应物质经过流道，再进入有效区域的方法，能很大地改善流体进入纸质介质的流速情况[4]。其流道的长度由著名的Lucas-Washburn方程决定：

实际物理过程为液体接触纸基前的那一刻，液体以近似球形的方式被吸附在移液器枪头上。当液体接触纸质介质后，纸质介质将枪头上的液体吸取至纸质介质中。这一过程耗时极短，液体的形状快速变化，液体受力不平衡方向被确定为箭头所指方向。当稳定时，已经被纸质介质吸取部分体积的液体形成拱形，接触角被假设为直角。这时液体前进面所受压强被决定，是箭头末端横截面所受大气压强与毛细吸力压强的差值。当干燥纸质介质不停吸取拱形水珠时，造成接触角不停减小，降低。当接触角为零时，将固定在[5]。因此，接触角变化期间，液体传输的路程也将会被深刻的研究，其机理如图1所示。

球形液体从移液器到纸质界面上时，存在形变和需要稳定形态的时间，这一时间极短，在建模分析时被忽略。因此可以用一个简单的线性方程描述了过程中接触角与时间的关系。

为方便手工操作，箭头长方形区域宽度设定为3mm，滴定液体体积为5.5uL，接触角变化过程持续约1.5s。水表面张力=72.8mN/m；平均孔半径=4.5μm；水粘度在25°时为=8.9×10-4Pa·sec[6]，最终计算得到L=8.9mm。为了降低试剂的耗量，流道长度被设计成8mm，三角形边长也设计为8mm。图2是时间与缓冲距离关系曲线关系图。

图2 时间与缓冲距离关系曲线

3.2 不同图案对均匀度的改善效果

图3制作两种图案的纸质器件，一种为简单正正方形，边长8mm。一种为箭头型，长方形区域3x10mm。分别使用两种纸质平台制作葡萄糖传感器。传感器在中心处滴定葡萄糖试剂，箭头形状的传感器在箭头末端滴定葡萄糖试剂，葡萄糖浓度分别为7mM和9mM。常温反应25分钟后，分析正方形区域的颜色标准偏差。结果如图，实心正方形数据点为1传感器的标准偏差值，空心正方形为箭头形传感器标准偏差值。通过一段路程的缓冲，反应区均匀性有20个灰度的提升。实心正方形传感器的颜色分布较为明显，褐色较多分布在三角形边缘。试剂进入箭头图案的传感器，颜色在反应区中较为均匀。