纸基微流控芯片的构建及其在柠檬黄检测中的应用

Construction of Paper-Based Microfluidic Chip and Its Application in Tartrazine Detection

WU Hongjing， LI Ziyu， XU Wenyi， NING Siying， LIU Ting （College ofScience and Technology，Nanchang University， Jiujiang ， China）

Abstract： In this paper，a fast and simple paper-based microfluidic detection method was developed based on the specific adsorption properties of polyamide films. Based on the color reaction and pH value response mechanism of tartrazine and Cu²⁺ ，the detection can be completed within 10min .The results show that the detection limit of the chip is 0.005mg⋅mL^-1 ，which has good stability and reliability，and has certain crossreaction to sunset yellow. Compared with the traditional method for detecting tartrazine，the paper based microfluidic method has the advantages of simple operation and no need for complex instruments.Eight samples randomly selected onthe market were tested，and through software analysis and visualization methods，it was posible to intuitively determine whether tartrazine was added to the sample.The method is suitable for rapid detection and screening in food field.

Keywords： tartrazine; rapid detection; paper-based microfluidic chip

柠檬黄（E102）作为一种人工合成偶氮类食用色素，凭借其优异的化学稳定性、经济性及显色性能，被广泛应用于饮料、烘焙制品等食品工业领域。尽管该色素在人体内的代谢产物未表现出显著毒性，但过量摄入可能引发肠道菌群失调、代谢功能紊乱、神经发育异常等潜在健康风险。目前，常规检测手段如紫外分光光度法、薄层色谱法、高效液相色谱法等[]，虽具有较高的灵敏度，但普遍存在仪器设备昂贵、操作流程复杂、检测周期较长以及对操作人员专业素养要求较高等局限性。针对食品工业现场的快速筛查需求，开发低成本、高通量、易操作的即时检测技术已成为当前研究热点[2-4]

微流控芯片技术是一种基于微米级通道网络精确操控微量流体（通常在纳升至微升级）的前沿分析技术[5]。其核心优势在于通过微结构设计实现流体的定向传输、高效混合及精准分离。2001年，WHITESIDES等[将滤纸作为微流控元件基底材料，利用其天然毛细作用实现无泵驱动流体控制，由此发展出纸基微流控分析装置[]。该技术通过蜡印[8]光刻、喷墨蚀刻[10等工艺构建微流道网络，结合比色、电化学、荧光等检测方式，为现场快速检测提供了创新解决方案。

本文选用聚酰胺薄膜为芯片基底材料，通过优化表面修饰工艺构建三维微流控网络。基于柠檬黄与 Cu²⁺ 在酸性介质中的特异性显色反应（特征吸收峰位移至绿色波段）[]，结合pH值响应型吸附－解吸机制[12（样品在 pH=3.2 条件下通过静电作用吸附于芯片功能化表面，随后在 pH=9.6 缓冲体系中实现目标物的高效解吸）进行检测。解离后的显色复合物经比色传感器定量检测，可在 10min 内完成，优于传统分析方法[13]

1材料与方法

1.1实验材料

随机抽取市售果汁饮料8种，编号分别为 1～8 。

1.2仪器与试剂

AL104电子分析天平，梅特勒－托利多仪器有限公司；紫外分光光度计，屹谱仪器制造（上海）有限公司；GZ-93自动双重纯水蒸馏水器，上海亚荣生化仪器厂；HH-S3三温恒温水浴锅，上海昶冠电子科技有限公司。

聚酰胺薄膜，台州四甲生化塑料厂；柠檬黄标准品，上海染料研究所有限公司；日落黄标准品，上海染料研究所有限公司；葡萄糖、蔗糖、氯化钠、正丁醇、氨水及无水硫酸铜，国药集团化学试剂有限公司；维生素C、磷酸氢二钾，西陇科学股份有限公司；柠檬酸钠，北京博奥森生物技术有限责任公司；无水乙醇，上海泰坦科技股份有限公司；柠檬酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化钠，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。上述试剂均为分析纯。

缓冲剂（A液）： 0.1mol⋅L^-1 柠檬酸、 0.1mol⋅L^-1 磷酸氢二钾不同体积比配制缓冲溶液（ pH=4.3 ）；解吸溶液（B液）：无水乙醇-氨水－水（体积比为12：2：1 ）；显色剂（C液）： 20mg⋅mL^-1 硫酸铜溶液。

1.3 实验方法

1.3.1纸基微流控芯片的制备

选取尺寸为 5cm×5cm 的正方形聚酰胺薄膜，获取百合花型图案并打印，随后将其复刻于聚酰胺薄膜之上。利用尖锐工具依据图形除去聚酰胺粉，构建疏水通道，并将各检测区分隔开。

1.3.2 纸基芯片最优条件的考察

（1）柠檬黄标准溶液的配制。准确称取 0.05g 柠檬黄粉末，置于 500mL 容量瓶中，加水溶解并定容，制备得到浓度为 0.1mg⋅mL^-1 的柠檬黄标准溶液。

（2）不同浓度硫酸铜溶液的配制。分别准确称取0.0.5，1.0，2.0，3.0g 和 5.0g 硫酸铜固体于小烧杯中，加入蒸馏水溶解后，转移至 100mL 容量瓶中并定容，配制成浓度分别为0、5、10、20、 30mg⋅mL^-1 和50mg⋅mL^-1 的硫酸铜溶液。

（3）显色剂最佳浓度的确定。取6支洁净试管，各加入 1mL 柠檬黄标准溶液，滴加A液，调节pH值至 3.5～4.5 。随后用量程为 20μL 的移液枪分别吸取上述溶液 10μL 加入芯片的6个检测区，待溶液充分吸收后加入B液，再分别加入上述不同浓度的硫酸铜溶液。观察各检测区溶液的颜色变化情况，拍照后进行颜色提取与分析，判断显色剂的最佳浓度。

（4）最佳反应时间的确定。吸取 1mL 柠檬黄标准溶液于试管中，加入A液。利用移液枪吸取上述溶液 10μL 加入检测区，待样品吸收后加入B液，随后加入C液。分别在加入C液2、3、5、10、30min 和 60min 后，观察颜色变化，方法同1.3.2（3）步骤，以此确定最佳反应时间。

1.3.3纸基芯片方法学验证

（1）柠檬黄最低检测浓度的确定。分别吸取0、50、100、300、400、500、 1000μL 和 2 000μL 柠檬黄标准液于 10mL 容量瓶中，加蒸馏水定容，制成浓度分别为 0， 0.0005， 0.0010， 0.0030， 0.0040， 0.0050、 和 的柠檬黄溶液。取上述不同浓度的柠檬黄溶液各 1mL 于试管中，同1.3.2（3）步骤确定柠檬黄能够引起颜色变化的最低浓度。

（2）芯片耐用性的确定。分别对温度、光照、湿度影响进行考察，确定芯片的耐用性。

（3）干扰试验。分别吸取2.0、2.5、3.0、 3.5mL 和 4.0mL 柠檬黄标准溶液于试管中，分别与 1% 葡萄糖溶液、 1% 蔗糖、 0.0075% 维生素C溶液、 0.05% 氯化钠、 0.2% 柠檬酸钠、 0.01% 日落黄混合，使总体积均为 5mL ，同1.3.2（3）步骤考察上述物质对芯片的检测是否产生干扰影响。

（4）回收率的测定。移取 柠檬黄标准溶液于 100mL 容量瓶中，用蒸馏水定容，配制成 0.03mg⋅mL^-1 的柠檬黄标准溶液；各移取20mL 经处理过的饮料于3个 50mL 容量瓶中，依次加入 0.03mg⋅mL^-1 柠檬黄溶液10、 20mL 和 30mL ，用蒸馏水稀释至刻度，在最大吸收波长 426nm 处测定其吸光度，计算柠檬黄的回收率。

（5）样品的芯片检测及阴性样品加标实验。分别各取 1mL 的8种样品于试管中，按照1.3.2（3）步骤，确定微流控芯片的阳性检出率；取阴性样品，加入标准柠檬黄溶液，使其最终浓度为 0.03，0.05mgmL^-1 和 0.08mg⋅mL^-1 ，再用芯片检测，确定阳性检出率。1.3.4样品的纸层析定性检测和分光光度计定量检测

采用纸层析法检测样品中是否含有柠檬黄[14]对纸层析法检测出的阳性样品采用分光光度法样品进行定量测定[15]

2 结果与分析

2.1芯片的构建

纸基芯片的结构设计通常呈现为“十”字形或“米”字形（图1）。这种结构布局旨在便于在交叉点位置添加样本，随后样本能够凭借毛细作用力被吸收并流向检测区域。然而，当采用聚酰胺作为检测平台时，由于聚酰胺材料对色素具有较强的吸附能力，大部分色素会被直接吸附在上样区域，无法顺利流动至检测区域。因此，在本实验中，样品完成上样并被吸附后，直接在上样区域添加显色剂进行反应，即上样区同时充当检测区的角色。

选用聚酰胺薄膜作为芯片的基底材料，将百合花形图案复刻于芯片之上，并借助尺子构建疏水图案。所制得的纸基芯片（图2）不仅外观精美，而且具备同时检测6个样品的能力，有利于不同样品间的颜色对比分析。