基于喷墨打印的重金属离子纸基传感技术研究

作     者：孙永芳 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴朝阳

授予年度：2017年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：纸微流控分析 喷墨打印 金属离子Cd2+ 金属离子Ag+ 

摘      要：重金属离子的污染正在严重威胁着人类的生活,因此非常有必要发展一种快速而准确检测重金属离子的方法,使人类尽量远离重金属离子的污染。纸基微流控分析是一种以纸张作为基底材料的分析检测技术,具有成本低、操作简单、便携性好、可一次性使用等优点,在生命科学、环境分析和医疗健康等领域引起了很大的关注,已经成功应用于疾病诊断、环境监测和食品质量控制等诸多领域。其中,纸芯片结合了传统微流控芯片的优点(微型化、高通量、高度集成化等)和纸张的独特优势(廉价易得、生物相容性好、无需外加动力等),其发展已经从制作方法的探究深入到实际应用中。比色法、电化学法、化学发光法、电化学发光法、荧光法等分析方法在纸芯片中均得到应用。将纸基微流控分析即纸芯片和喷墨打印法,以及传统的光分析法(比色法,荧光法)相结合起来,具有操作简单、检测速度快、灵敏度高、选择性好、微型化、易携带、重现性好等优势,正在广泛用于分析检测的各个方面。本文提出用于溶液中和纸基上两个方式分别进行荧光检测重金属离子镉和比色检测重金属离子银,成功地用于重金属离子镉和银的微量检测。主要工作如下:(1)在我国南方,镉离子造成的镉大米污染为人们的健康生活造成了很大的危害。我们采用8-羟基喹啉和2,6-双(氯甲基)吡啶为原料合成了一种有机小分子染料2,6-二(8 -喹啉氧基甲基)吡啶,用于镉离子的检测分析。这种有机小分子染料本身有弱的荧光,当金属离子Cd2+存在的时候,二者能够发生配位反应,产生荧光增强,通过这一信号变化,达到检测金属离子Cd2+的目的。基于该原理,我们首先在液相中进行反应,发现金属离子Cd2+与有机小分子反应灵敏度高,选择性好。为了更好地用于纸基微流控分析上的分析检测,我们探究了该染料和金属离子Cd2+在溶液中反应所需要的反应条件,如pH值,络合时间等,最终配制了适宜pH值、适宜的粘度和表面张力的墨水用于喷墨打印,然后使用智能手机作为信号收集装置,拍摄反应后的荧光图片,并用ImageJ软件将图片颜色转变为灰度值,根据灰度值大小与金属离子Cd2+之间的浓度关系进行分析。(2)为了准确检测金属离子Ag+的浓度大小,我们以3,3 ,5,5 -四甲基联苯胺(TMB)作为反应的底物,当金属离子Ag+存在的情况下,TMB能被金属离子Ag+直接从无色氧化成蓝色,基于这一原理,我们首先在溶液中进行反应,得到了很好的线性关系,选择性和灵敏度,以及比较适宜的反应条件,然后配制一定浓度的TMB溶液作为打印的墨水,打印在事先处理好的纸基微流控通道内,经过一段的时间反应后,发现试纸上的颜色由无色变成蓝绿色,这一现象作为检测的标准,然后使用智能手机作为信号收集装置,拍摄反应后的图片的颜色,并用ImageJ软件将图片颜色转变为灰度值,根据灰度值与金属离子Ag+的浓度关系进行半定量分析。该方法可由颜色深浅对应得到金属离子Ag+的浓度大小,可以方便地进行裸眼观察,或者可以采用人们手中的手机直接方便地拍摄出检测结果。