Microfluïdische op papier gebaseerde analytische apparaten (µPAD's) zijn een veelbelovend concept met een snelle ontwikkeling in de afgelopen jaren. In een nieuwe studie gepubliceerd op Natuur:microsystemen en nano-engineering , een team onder leiding van Yanfang Guan en Baichuan Sun in elektromechanica in China, ontwikkelde een nieuwe techniek om µPAD's te ontwerpen, bekend als Atom Stamp Printing (ASP). De methode was kosteneffectief, eenvoudig te bedienen en maakte een hoge productie-efficiëntie mogelijk met een hoge resolutie. Als proof-of-concept, ze gebruikten µPAD's die zijn ontwikkeld via de ASP-methode om verschillende concentraties koper (Cu ²⁺ ) via een colorimetrische methode. De apparaten behaalden een Cu ²⁺ detectielimiet van 1 mg/L. Guan et al. creëerde ook een nieuw op papier gebaseerd apparaat voor vaste-vloeistofextractie (PSED) met behulp van een driedimensionale (3-D) µPAD met een "3+2"-structuur en een recyclebare extractiemodus. Vanwege de kenmerken van papierfiltratie en capillaire kracht, het apparaat kan op efficiënte wijze meerdere extractie- en filtratiestappen van vaste-vloeistofextractieprocessen voltooien. Het PSED-platform maakte eenvoudige, kosteneffectieve en snelle detectie van zware metaalionen op het punt van zorg. Het werk is veelbelovend voor toepassingen op het gebied van voedselveiligheid en milieuvervuiling in gebieden met beperkte middelen.

In de jaren 1990, bio-ingenieurs stelden eerst een conceptueel "lab-on-a-chip" (LOC) -apparaat voor op basis van microfluïdische technologie. Onderzoekers hebben sindsdien microfluïdische op papier gebaseerde analytische apparaten (µPAD's) voorgesteld om traditionele microfluïdische systemen te vervangen, inclusief chips op basis van glas en silicium. Voordelen zijn onder meer eenvoudige fabricage, goedkoop, draagbaarheid en wegwerpbaarheid voor wijdverbreide toepassingen in point-of-care testen. Er werden een aantal methoden gebruikt om µPAD's te fabriceren, waaronder fotolithografie, wax afdrukken, papierknippen en stempelen. Atom-stempels (AS) of machinaal gegraveerde penetratie-stempels kunnen handmatig worden gegraveerd, hoewel de praktijk vaardigheid en ervaring vereist. Een lasergraveermachine kan werken met veelgebruikte tekensoftware, waaronder AutoCAD en CorelDraw, om een ​​zegelstempel te vormen die inkt absorbeert vanwege de microporeuze architectuur. Guan et al. de nieuwe aanpak gebruikt om µPAD's te produceren via AS-printen (ASP), waar ze een stempel van het vereiste patroon in PDMS-oplosmiddel hebben gedrenkt, drukte het op papier en liet het in een vacuümdroogdoos liggen om de fabricage te voltooien. Vervolgens kozen ze de colorimetrische methode om Cu . te detecteren ²⁺ .

Het team demonstreerde de veelzijdigheid van de µPAD's door een geïntegreerd apparaat te introduceren voor op papier gebaseerde bodem-vloeistofextractie. Het apparaat profiteerde van de voordelen van het papier, waaronder de lage kosten, draagbaarheid en filtreerbaarheid om superieure prestaties tijdens experimentele extractie aan te tonen. Ze analyseerden de resolutie van µPAD's, als een belangrijke maatstaf om hun prestaties te reguleren, die de minimale kanaalbreedte bepaalde voor vloeistofstroomdoorgangen op het papier en voor hydrofobe (waterhatende) barrières die zijn ontworpen om de vloeistofstroom te voorkomen. Het team observeerde de stroom met een blauwe kleurstof. De eerder via lasersnijden gebouwde µPAD's leverden de hoogste resolutie met een minimale hydrofiele (waterminnende) kanaalbreedte. Echter, ASP was efficiënter in vergelijking met eerdere technieken die werden gebruikt om µPAD's te produceren.

Tijdens colorimetrische analyse, μPAD's met Cu ²⁺ veranderd van wit naar geel, in kleur toenemend met toenemende Cu ²⁺ concentratie, die Guan et al. gekwantificeerd met behulp van Image J-software. Het team bepaalde vervolgens op afstand gebaseerde detectie van Cu ²⁺ oplossingen aangezien verschillende concentraties oplossing door de μPAD-kanalen stroomden. De lengte van de gele band nam toe met toenemende Cu ²⁺ oplossingen en ze observeerden een constante boven 100 mg/L, die zij bepaalden als de bovengrens van het apparaat. Guan et al. een minimale Cu . gedetecteerd ²⁺ concentratie van 1 mg/ml, in overeenstemming met de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) en het Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA), waar de maximale Cu ²⁺ verontreinigingsconcentratie in drinkwater is 2 en 1,3 mg/L, respectievelijk.

Guan et al. toonde het werkingsprincipe van een op papier gebaseerd vast-vloeibaar extractieapparaat (PSED), die een micropomp en het microporeuze karakter van het filterpapier omvatte om de vaste stof-vloeistofextractie en filtratie te voltooien. Tijdens het proces, ze sloegen grondmonsters op bovenop de 3-D µPAD en het geëxtraheerde oplosmiddel vermengd met de grond die uit de uitlaatpijp van de micropomp stroomde. Het extractieoplosmiddel loste tegelijkertijd de zware metaalionen op en zoog ze door de inlaatleiding en pompte ze er weer uit in een extractiecyclus. Eindelijk, ze extraheerden zware metaalionen, waaronder Cu, zink (Zn), cadmium (Cd) en lood (Pb) uit de bodemmonsters via continue aanvoer- en pompcycli van de micropomp.

De concentraties van zware metaalionen verkregen uit de PSED-extractieprocedure waren vergelijkbaar met traditionele methoden, wat de effectieve aard van PSED aantoont. Het extractievolume vereiste optimalisatie en Guan et al. daardoor meer dan 30 ml extractiemiddel gebruikt. Het team optimaliseerde de tijd en vond 20 minuten voldoende om zware metaalionen volledig te extraheren. Elke 3-D µPAD kon 2 g grond bevatten en het hele extractieproces nam 40 minuten in beslag.

In vergelijking met traditionele extractiemethoden, de 3D µPAD-techniek liet filtratieprocessen achterwege voor een eenvoudigere bediening en een hogere extractienauwkeurigheid. De 3D µPAD's zijn draagbaar, goedkoop en toegankelijk voor eenvoudige extractieprotocollen. De wetenschappers kunnen de grootte van het apparaat aanpassen aan verschillende behoeften, biedt flexibiliteit voor toepassingen in de echte wereld. Op deze manier, Yanfang Guan en Baichuan Sun ontwikkelden een nieuw type detectie-apparaat, bekend als de µPAD, met behulp van atomic stamp printing (ASP). Ze bereikten een hoge resolutie om de hydrofiele kanalen en de hydrofobe barrières van het apparaat te vormen. De ASP-techniek is goedkoop, heeft een eenvoudige tijd van activiteit, waardoor een korte monstervoorbereiding mogelijk is voor een hoge resolutie en een hogere gevoeligheid in vergelijking met traditionele methoden.

De ASP vervaardigde µPAD's detecteerden Cu ²⁺ als proof of concept met behulp van een colorimetrische methode gecombineerd met op afstand gebaseerde detectie om Cu . te bereiken ²⁺ bij een concentratie van 1 mg/ml. Het team stelde PSED voor als een nieuw vast-vloeibaar extractieapparaat om zware metaalionen uit de bodem te extraheren. Het apparaat had minder experimentele monsters nodig om te voldoen aan de behoeften van point-of-care-testen, met minder monsterverlies. Het apparaat handhaafde een hoge extractie-efficiëntie, lage kosten en geen vervuiling om te voldoen aan de eisen van vaste-vloeistofextractie. De eenvoudige constructie kan worden geproduceerd met goedkope 3D-printen en is niet beperkt tot het testen van grondmonsters. Het team verwacht het gebruik van dit apparaat te verbeteren om point-of-care-testproducten met hoge doorvoer te produceren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk