利用三维微流控纸芯片实现基于智能手机的水质定量比色分析

摘要

近几年水污染问题越来越严重，其中重金属、无机盐等是几类主要的水污染物，威胁着人类生命健康。针对传统的水质检测方法存在使用的仪器体积较大，价格昂贵，需要专业人员操作，普及度不高等问题，因此，开发快速、低成本、便携式的生化检测技术成为近几年人们的研究热点之一。微流控纸芯片不仅试剂消耗量小，可实现自动化，减少了污染，而且操作简便，可多个样品同时检测，有效提高了分析效率。因此在临床诊断、食品卫生、环境监测及生物化学等领域有很大的应用前景。本文借助三维微流控纸芯片（3DμPAD）和手机应用程序，提出了基于比色分析的水样快速定量检测方法。我们通过在一定条件下用两种结构不同的有机硅烷（十八烷基三氯硅烷和甲基三氯硅烷）处理纤维素滤纸，使之发生耦合反应，在滤纸表面形成一定的纳米微观结构，从而得到理想的超疏水超亲油滤纸。在此基础上，我们利用疏水化滤纸制备了三维微流控纸芯片，并结合自主编写的手机应用程序对水中的亚硝酸盐和六价铬完成了基于比色分析的快速定量检测；本文主要研究内容如下：
　　1、采用硅烷化处理方法对滤纸实现疏水化处理，改性后的疏水化滤纸在酸碱水溶液和有机溶剂中有很好的稳定性，我们利用疏水化滤纸的疏水亲油的特性进行油水分离。通过用该种疏水化滤纸对不同情况下的油水混合液进行分离，证明该疏水化滤纸是一种分离效率高、可重复使用、后续易处理的很好的油水分离的材料。
　　2、在疏水化处理滤纸的基础上，通过“剪切-粘贴”法，将多层疏水基底与亲水通道组装到一起制备3DμPAD。由于3DμPAD的主要材料是纤维素滤纸，纤维素良好的毛细作用驱动水样沿着亲水通道流动，因此无需外加流体驱动泵。该装置质地轻，便于保存和运输，而且其制备操作简单、成本低、试剂消耗量低，可以实现多种物质的同时检测。
　　3、智能手机功能的不断完善及其应用的普及，对基于手机的快速检测具有重要意义。本文在Android操作系统中使用Java语言自主编写了手机应用程序——μPAD_DET。利用该应用程序可以实现对3DμPAD上的显色结果的比色分析。通过对比利用手机应用程序和分光光度法两种方法得到的加标自来水样中亚硝酸盐和重金属六价铬浓度，我们证明了借助3DμPAD和手机应用程序进行比色定量检测的可靠性，这种检测方法在环境监测、食品安全、医药卫生等方面具有广阔的应用前景。

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第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1微流控纸芯片研究概述

1.2.2基于智能手机比色法定量检测简介

1.3本文研究内容

第二章疏水化滤纸的制备及其在油水分离中的应用

2.1滤纸疏水化处理原理

2.2实验内容

2.2.1实验试剂和器材

2.2.2实验试剂的配制

2.2.3滤纸疏水化处理

2.3结果与讨论

2.3.1滤纸的最佳疏水化条件选择

2.3.2疏水化滤纸对油类的选择性吸收

2.3.3疏水化滤纸的稳定性测试

2.3.4疏水化滤纸用于油水分离

2.4本章小结

第三章剪贴式高通量3DμPAD的制备

3.1实验内容

3.1.1实验试剂和器材

3.1.2实验试剂的配制

3.1.3 3DμPAD的制备

3.2结果与讨论

3.2.13D μPADs检测区滤纸的最优化选择

3.2.23D μPAD的实用性验证

3.3本章小结

第四章智能手机比色分析App的开发及应用

4.1基于比色分析的智能手机应用程序的开发

4.1.1手机App的主要功能

4.1.2比色分析颜色指标的选择

4.2实验部分

4.2.1实验器材及试剂

4.2.2实验试剂的配制

4.2.3实验操作

4.3结果与讨论

4.3.1比色分析的颜色指标的选择

4.3.2手机App用于比色分析的可靠性研究

4.3.3利用手机App和3D μPAD对实际水样的定量检测

4.4本章小结

第五章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文