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作者：

陈东盈

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摘要：

"两面神"(Janus)材料由于其正反面具有润湿性显著差异的特点,近年来在生活和工业中应用广泛.纸作为一种天然纤维素材料,可塑性强,易于修饰,因此以纸作为基底用于制备"Janus"材料受到研究人员的青睐.纸基微流控芯片(Microfluidic paper-based analytical devices,μPADs),简称纸芯片,集样品前处理,检测等分析功能于一张纸上,体积小,易于携带,非常适合现场快速分析.传统纸芯片的亲水通道往往是上下通透型的,流体在流动过程中容易损失以及受到反面的污染."Janus"纸芯片正面具有亲疏水通道网络,反面仍然保持疏水,因此能有效地解决传统纸芯片的污染问题.除此之外,通过在一张纸的正反面构造亲疏水通道可实现在线过滤分离."Janus"纸芯片的制备方法主要包括紫外光降解,等离子体技术,电晕处理和喷墨打印等.本文通过十八烷基三氯硅烷(Octadecyl trichlorosilane,OTS)单分子层自组装于滤纸表面,得到正反面均疏水的OTS纸基.再用介质阻挡放电电离离子源(Dielectric barrier discharge ionization,DBDI)发出的低温等离子体对OTS纸基进行处理用以制备"Janus"纸片.用上述方法制备了两种类型的"Janus"纸芯片,结合纸喷雾质谱(Paper spray mass spectrometry,PS-MS)分析,建立了一种脑脊液中葡萄糖和一种中药枳实中活性成分的快速分析方法.具体内容如下:(1)建立了DBDI快速制备"Janus"纸芯片的方法.对"Janus"纸芯片的浸润深度,浸润速率,通道动态分辨率,清洗溶剂类型,图案化效果和稳定性进行考察.采用静态水接触角(CA),红外光谱仪(IR)和X射线光电子能谱(XPS)对其进行表征.结果表明,使用DBDI能快速制备出正面具有亲疏水通道,反面仍然保持疏水的"Janus"纸芯片.其中正面亲水区域水接触角为0°,反面水接触角仍然高达137.96±1.13°(n=3).流体在纸上的最大浸润深度约占整张纸厚度的3/5,浸润速率可达0.2 cm/s,最小亲水通道宽度和最小疏水坝宽度均为1±0.1 mm,通道边界清晰可辨.该方法制备出纸芯片的疏水坝对高比例的甲醇水溶液(甲醇:水v/v=9:1)也能很好地拦截.OTS纸基在常温下放置90 d水接触角仍高达138.74±1.11°(n=3),变化不超过5°,DBDI照射后恢复亲水的区域在放置90 d水接触角稳定在30°左右,稳定性良好.(2)利用DBDI建立了一种专门用于分析纳升样品的"Janus"尖端微区亲水纸芯片.对载样量,尖端亲水微区大小和质谱条件进行了考察.结果表明,该芯片和PS-MS联用在测定葡萄糖标准溶液时,其响应强度和普通纸基相比具有更高的灵敏度,且背景噪音大大降低;测定脑脊液样品时,在低质荷比区间内(m/z 100-200 Da)质谱图信息更丰富.脑脊液中的葡萄糖在167-1000μg/m L范围内线性关系良好(r=0.9985),相对标准偏差(RSD)为6.5-15%,最低检出限(LOD)为100μg/m L,平均加标回收率为105-115%,测定了10组脑脊液样品中葡萄糖的含量,和医院的结果进行t检验,发现两组结果不存在显著性差异,进一步说明了"Janus"尖端微区亲水纸芯片对于纳升样品的分析具有非常大的应用价值和潜力.(3)建立了一个集提取,过滤,分离,富集和检测一体化的"Janus"在线过滤型纸芯片-PS-MS分析平台.对芯片的亲水通道长度和宽度,提取溶剂比例,提取次数以及质谱条件进行考察,以中药枳实作为分析模型.结果表明,利用该芯片与PS-MS联用能快速得到枳实的质谱轮廓,并和其常见的伪品青皮进行真伪鉴别,同时其质谱分析物的质谱信号响应强度比传统超声提取结合普通纸基PS-MS分析的质谱信号响应强度高1.8-2.1倍.整个过程省去了超声提取,离心和过滤等繁琐的前处理步骤,这对偏远地区的现场快速分析具有重要意义,也为将来一体化分析提供了良好的应用平台.

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