一种在纸基分析装置上快速和高效浓集带电组分的方法

摘要

本发明提供一种在纸基分析装置上快速和高效浓集带电组分的方法，采用纸基材料、背景电解质溶液、待测样品溶液、两个电极以及直流电源组成回路，其中两个电极分别插入背景电解质溶液和待测样品溶液中，纸基材料的两端分别与背景电解质溶液和待测样品溶液接触。本发明具有操作简单、浓集效率高、快速、以及成本低廉等优点，针对低浓度的待测物样品可以有效提高检测灵敏度，并且无需加工复杂的流体通道。

说明书

技术领域

本发明属于分析化学技术领域，具体涉及一种在纸基分析装置上快速和高效浓集带电组分的方法。

背景技术

以微流控纸芯片代表的纸基分析装置是最近分析科学的热点，这一类分析装置具有原料来源广、价格低廉、可降解、存在毛细作用、便携以及生物化学相容性好等优点。通过在纸上加工一定结构的流体通道，溶液可以依靠纸上的毛细作用定向流动，进而实现分析检测的自动化和微型化。随着研究的深入，检测手段的多样化，其应用范围从医学分析扩展到环境监测、食品安全、细胞分析、免疫分析、生物传感等诸多领域，在现场分析和床旁检测中极具应用潜力。

然而限制纸基分析装置进一步发展的一个主要因素是其较低的灵敏度，尤其是对一些低丰度的目标分析物，这类分析装置不能给出相应的检测结果。这极大地影响了纸基分析装置的应用范围和潜力。

为了提高纸基分析装置的灵敏度，一些化学和生物的放大机制^[1-2]被引入到纸基分析装置中，但是这些机制的引入伴随着使用昂贵的生化试剂以及复杂耗时的材料合成步骤，提高了纸基分析装置的使用成本和时间成本。另一种提高纸基分析装置灵敏度的方法是通过样品预浓集的方法实现的，包括蒸发溶剂和电动浓集。蒸发溶剂需要外加热源并且不适用于对温度敏感的分析物；电动浓集是提高毛细管电泳检测灵敏度的一种方法，具有操作模式多样，应用范围广的特点，其原理是通过改变带电目标分析物在管柱内运动速度的变化，造成堆积效应，进而达到提高分析灵敏度的目的。目前报道的在纸基分析装置上的电动浓集模式只有等速电泳^[3]和离子浓度极化效应^[4]>

发明内容

本发明的目的在于提供一种在纸基分析装置上快速和高效浓集带电组分的方法，使带电的目标分析物在电场、毛细作用、以及电渗流的对流作用下由于运动速度的改变快速地浓集在某一位置，进而提高纸基分析装置的检测灵敏度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种在纸基分析装置上快速和高效浓集带电组分的方法，采用纸基材料、背景电解质溶液、待测样品溶液、两个电极以及直流电源组成回路，其中两个电极分别插入背景电解质溶液和待测样品溶液中，纸基材料的两端分别与背景电解质溶液和待测样品溶液接触。

上述方法中，所述两个电极通过导线与直流电源连接。

上述方法中，所述纸基材料的长度为1~10cm，材质为纤维材料，包括纤维素滤纸、色谱纸、办公打印纸、玻璃纤维膜、硝化纤维膜、醋酸纤维膜、纤维线材、条状无纺或纺织片材、或者聚合物纤维。

上述方法中，所述纸基材料上供背景电解质溶液和待测样品溶液流动的流体通道可以通过对纸基材料直接剪裁形成，或者在纸基材料上采用疏水材料如疏水薄膜或者蜡涂敷形成。

上述方法中，所述背景电解质溶液和待测样品溶液的电导率之比大于1。

上述方法中，施加于纸基材料上的电场强度为10~500V/cm。

上述方法中，还可以在背景电解质溶液以及待测样品溶液中添加电渗流调节剂，用以改变纸基材料上的电渗流大小及方向。

本发明的原理如下：背景电解质溶液和待测样品溶液和纸基材料接触后，在毛细作用下在纸基材料上作相向运动，当向两种溶液施加直流电压，并且两溶液在纸基材料上接触的时候电路导通，待测样品溶液中的带电目标分析物由于样品溶液和背景电解质溶液区域电场分布的差异以及电渗流的对流作用导致运动速度改变，从而产生目标分析物的堆积效应，使目标分析物浓集在纸基材料上。

本发明的有益效果为：

本发明具有操作简单、浓集效率高、快速、以及成本低廉等优点，针对低浓度的待测物样品可以有效提高检测灵敏度，并且无需加工复杂的流体通道。以荧光素分子为例，在1~10nmol/L的低浓度条件下，采用本发明可以将灵敏度提高至少3个数量级以上。此外，本发明还可以和其它检测方法相结合，比如比色法、电化学检测、荧光检测、质谱和化学发光等，其对于发展灵敏快速的纸基分析装置具有很大的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施采用的纸基分析装置的结构示意图。

图2为采用本发明实施例1的电动浓集方法对荧光素分子进行电动浓集过程中信号强度和浓集倍数随时间的变化关系图。

图3为本发明实施例1中荧光素分子浓集带的荧光照片。

图4为采用本发明实施例2的电动浓集方法对λDNA分子进行电动浓集过程中信号强度随时间的变化关系图。

图5本发明实施例2中λDNA分子浓集带的显微成像照片。

图6为本发明实施例3中荧光素分子浓集带的荧光照片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

在如图1所示的纸基分析装置上快速和高效浓集荧光素分子的方法，采用2mM的Tris-HCl溶液配制初始浓度为5nM的荧光素钠样品溶液，插入电极作为阴极，以200 mM Tris-HCl溶液作为背景电解质溶液，插入电极作为阳极，两电极通过导线与直流电源连接；将纤维素滤纸用石蜡涂敷成长3cm，宽2mm且沿长度方向两端开放的条状，将纤维素滤纸开放的两端分别与背景电解质溶液和待测样品溶液接触，两种溶液在毛细作用力下作相向运动，接通电源，施加300V的直流电压，荧光素分子在电场的作用下向阳极运动，由于样品溶液区域的电场强度高于背景电解质溶液区域的电场强度，当荧光素分子由样品溶液区域进入到背景电解质溶液中时运动速度降低造成堆积，尽而形成浓集带。采用倒置荧光显微镜观察整个浓集过程，并且每隔20 s对浓集区域进行荧光成像，采集的照片采用ImageJ软件处理。

实验结果显示：图2为本实施例采集到的荧光素浓集带信号强度和浓集倍数随时间变化的曲线关系图；图3为荧光素分子浓集带的荧光照片，通过图2和图3可以看出当浓集时间达到220 s时，浓集倍数就已经超过了1000倍，并且在220~300 s之间浓集倍数稳定在1000倍左右。实验结果说明本实施例在纤维素滤纸上电动浓集荧光素的方法高效快速。

实施例2

在如图1所示的纸基分析装置上快速和高效浓集DNA分子的方法，采用2mM的Tris-HCl溶液配制初始浓度为4pg/μL的λDNA溶液，并加入SYBR Green Ⅰ使其浓度为0.4X，作为样品溶液，插入电极作为阴极，以200 mM Tris-HCl溶液作为背景电解质溶液，并向其中加入2%（质量/体积）的聚乙烯吡咯烷酮作为电渗流调节剂，以降低纸基材料上的电渗流水平，插入电极作为阳极，两电极通过导线与直流电源连接；将玻璃纤维膜裁剪成长4cm，宽2mm的条状，两端分别与背景电解质溶液和待测样品溶液接触，两种溶液在毛细作用力下作相向运动，接通电源，施加300V的直流电压，DNA分子在电场的作用下向阳极运动，由于样品溶液区域的电场强度高于背景电解质溶液区域的电场强度，当DNA分子由样品溶液区域进入到背景电解质溶液中时运动速度降低造成堆积，尽而形成浓集带。采用倒置荧光纤维镜观察整个浓集过程，并且每隔20 s对浓集区域进行荧光成像，采集的照片采用ImageJ软件处理。

实验结果显示：图4为本实施例采集到的DNA浓集带信号强度和浓集倍数随时间变化的曲线关系图；图5为DNA分子浓集带的荧光照片，通过图4和图5可以看出初始浓度为4 pg/μL的λDNA经过浓集后，在140s以后的荧光强度超过了4 ng/μL，其浓集倍数超过1000倍。实验结果说明本实施例在玻璃纤维膜上电动浓集核酸分子的方法高效快速，在生物医学中具有很大的应用潜力。

实施例3：

在如图1所示的纸基分析装置上快速和高效浓集荧光素分子的方法，采用2mM的Tris-HCl溶液配制浓度为1μM的荧光素钠样品溶液，插入电极作为阳极，以200 mM Tris-HCl溶液作为背景电解质溶液，插入电极作为阴极，两电极通过导线与直流电源连接；以长为3cm，直径为1mm的棉线为纸基材料，棉线两端分别与背景电解质溶液和待测样品溶液接触，两种溶液在毛细作用力下作相向运动，接通电源，施加300V的直流电压，荧光素分子在电场的作用下向阴极运动，由于样品溶液区域的电场强度高于和背景电解质溶液区域的电场强度，当荧光素分子由样品溶液区域进入到背景电解质溶液中时，由于运动速度的降低造成堆积，尽而形成浓集带。图6为相机拍摄到的浓集带照片，在120s时，棉线上荧光素分子的浓集带清晰可见。实验结果表明本实施例在棉线上电动浓集荧光素的方法高效快速。同时还说明，本发明的浓集方法可以应用到以棉线为基底材料的分析装置上，对纤维基材具有较广的兼容性。

实施例4

在如图1所示的纸基分析装置上快速和高效浓集荧光素分子的方法 ，采用去离子水配制初始浓度为1μg/L的食用色素——苋菜红溶液作为样品溶液，将电极插入样品溶液中作为阳极，以300mM的Tris-HCl溶液作为背景电解质溶液，并将电极插入其中作为阴极，以长为5cm，宽为4mm的聚酯纤维无尘布作为纸基材料，无尘布的两端分别与样品溶液和背景电解质溶液接触，两种溶液在毛细作用下相向运动，接通电源并施加500V的直流电压，苋菜红分子在电场的作用下向阴极运动，由于样品溶液区域的电场强度高于背景电解质溶液区域的电场强度，当苋菜红分子由样品溶液区域进入到背景电解质溶液中时运动速度降低造成堆积，尽而形成浓集带。在130s时可以看到无尘布上出现了清晰的红色浓集带。实验结果表明，本发明提出的电动浓集方法可以应用到以布料为基底材料的分析装置上，并且本实施例在布料上电动浓集食用色素方法高效快速，在食用安全检测领域有巨大的应用价值。

参考文献

[1] Badu-Tawiah A K, Lathwal S, Kaastrup K, et al. Polymerization-based signal amplification for paper-based immunoassays[J]. Lab on a Chip, 2015, 15(3): 655-659.

[2] Ma C, Li W, Kong Q, et al. 3D origami electrochemical immunodevice for sensitive point-of-care testing based on dual-signal amplification strategy[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2015, 63: 7-13.

[3] Moghadam B Y, Connelly K T, Posner J D. Isotachophoretic preconcenetration on paper-based microfluidic devices[J]. Analytical chemistry, 2014, 86(12): 5829-5837. [4] Yang R J, Pu H H, Wang H L. Ion concentration polarization on paper-based microfluidic devices and its application to preconcentrate dilute sample solutions[J]. Biomicrofluidics, 2015, 9(1): 014122.