熱箔供熱的低成本微流控平臺(tái)用于原位變溫光譜的研究

一直以來(lái)，人們不斷探索先進(jìn)的光譜表征技術(shù)，以推進(jìn)分析測(cè)量科學(xué)和材料表征。光譜表征的挑戰(zhàn)之一是就地從樣品中收集準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，從而對(duì)反應(yīng)體系提供動(dòng)態(tài)和及時(shí)的反饋。例如，在研究溫度依賴性吸收光譜時(shí)，需要在加熱物質(zhì)的同時(shí)，收集毫秒內(nèi)重要數(shù)據(jù)，此過(guò)程既繁瑣又耗時(shí)長(zhǎng)，不利于高通量及便捷的測(cè)量應(yīng)用。

而微流控裝置正是提供了一個(gè)具有眾多特性的有潛力的測(cè)量平臺(tái)，例如低試劑消耗、微型化、便攜性和低成本。目前，大部分研究集中在使用外部加熱源等，用以控制微流控芯片內(nèi)的溫度。然而，由于微流控裝置內(nèi)部和外部加熱源內(nèi)部通道之間的溫度存在差異及其相關(guān)的時(shí)間滯后，而集成加熱裝置于芯片的程序十分復(fù)雜且成本昂貴，所以使用微流控平臺(tái)研究變溫光譜仍然面臨著很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的挑戰(zhàn)。

近日，美國(guó)德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校（The University of Texas at El Paso，UTEP）的李秀軍團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種低成本、便攜式、熱箔供熱的新型微流控芯片檢測(cè)平臺(tái)，此平臺(tái)可用于研究原位變溫光譜。該系統(tǒng)包含一個(gè)PMMA微流控芯片、一個(gè)可拆卸的熱箔加熱器、電池電源、便攜式分光光度計(jì)（USB-650-VIS-NIR，Ocean Optics）、USB數(shù)據(jù)線（連接至電腦）。該便攜式分光光度計(jì)不需要外部交流電源，熱箔起加熱作用，依靠電池電源供電。被測(cè)樣品載于微流控芯片后，可放置在分光光度計(jì)自帶的比色皿室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，吸收光譜為370 nm~980 nm。整個(gè)微流控芯片總尺寸為4.5 cm（高） × 1.32 cm（寬） × 0.45 cm（長(zhǎng)）。

圖1 （A）微流控平臺(tái)與電池供電的熱箔加熱器的照片，用于原位溫度依賴光譜；（B）一個(gè)組件的芯片布局（側(cè)視圖和俯視圖）和三個(gè)不同層的分解視圖；（C）微流控芯片的照片

圖2熱箔加熱器在微流控芯片上的集成

在拓展此系統(tǒng)的研究上，由于姜黃素的吸收光譜隨溫度變化，因此其被用作研究主體，由于其抗氧化、抗炎特性和抗菌作用，姜黃素具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，姜黃素的低水溶性和較差的吸收光譜阻礙了其在生物醫(yī)學(xué)的有效、廣泛應(yīng)用。而隨著溫度升高，姜黃素在水中的溶解度增加，姜黃素溶液的吸光度才能顯著增加，因此測(cè)量其原位變溫吸收光譜具有實(shí)際意義。該工作利用此微流控芯片及檢測(cè)系統(tǒng)，成功測(cè)量出姜黃素溶液在25℃~65°C不同溫度下的吸收光譜，并證明其吸光度在一定溫度范圍內(nèi)呈線性增長(zhǎng)。

圖3 基于便攜式微流控光譜系統(tǒng)的姜黃素原位溫度依賴光譜研究

與傳統(tǒng)的分光光度測(cè)量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)，包括便攜性、簡(jiǎn)單性、低成本、電池供電加熱元件代替外界交流電源、試劑消耗低（所需分析物體積僅為10.6 μL）等。利用微流控芯片及熱箔加熱元件，使該系統(tǒng)成為研究原位變溫光譜應(yīng)用的理想選擇，電池供電的配置進(jìn)一步增強(qiáng)了其便攜性和低成本的特點(diǎn)，適用于精細(xì)化學(xué)反應(yīng)表征、化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究和現(xiàn)場(chǎng)光譜測(cè)量，更適合于在資源緊俏的區(qū)域進(jìn)行有關(guān)昂貴的化學(xué)品的研究。

審核編輯：劉清