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  • Detecção e extração de íons de metais pesados ​​usando dispositivos impressos de carimbo atômico à base de papel
    p Teste de resolução de μPADs feito pelo método ASP. (a) Imagem estrutural dos canais hidrofílicos. (b) Imagem estrutural das barreiras hidrofóbicas. (c) Canais hidrofílicos testados com corante azul. (d) Barreiras hidrofóbicas testadas com corante azul. (e) Comparação das larguras teóricas e reais dos canais hidrofílicos. (f) Comparação das larguras teóricas e reais das barreiras hidrofóbicas. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-019-0123-9

    p Dispositivos analíticos microfluídicos baseados em papel (µPADs) são um conceito promissor com rápido desenvolvimento nos últimos anos. Em um novo estudo publicado em Nature:Microsystems &Nanoengineering , uma equipe liderada por Yanfang Guan e Baichuan Sun em engenharia eletromecânica na China, desenvolveu uma nova técnica para projetar µPADs conhecida como impressão de carimbo atômico (ASP). O método foi econômico, fácil de operar e permite alta eficiência de produção com alta resolução. Como prova de conceito, eles usaram µPADs projetados através do método ASP para detectar concentrações variadas de cobre (Cu 2+ ) por meio de um método colorimétrico. Os dispositivos alcançaram um Cu 2+ limite de detecção de 1 mg / L. Guan et al. também criou um novo dispositivo de extração sólido-líquido baseado em papel (PSED) usando um µPAD tridimensional (3-D) com uma estrutura "3 + 2" e modo de extração reciclável. Devido às características de filtração de papel e força capilar, o dispositivo pode completar com eficiência várias etapas de extração e filtração de processos de extração sólido-líquido. A plataforma PSED permitiu simples, detecção econômica e rápida de íons de metais pesados ​​no local de atendimento. O trabalho é uma grande promessa para aplicações em segurança alimentar e poluição ambiental em áreas com recursos limitados. p Na década de 1990, os bioengenheiros primeiro propuseram um dispositivo conceitual "lab-on-a-chip" (LOC) baseado na tecnologia microfluídica. Os pesquisadores, desde então, propuseram dispositivos analíticos microfluídicos baseados em papel (µPADs) para substituir a microfluídica tradicional, incluindo chips baseados em vidro e silício. As vantagens incluem fabricação simples, baixo custo, portabilidade e descartabilidade para aplicações generalizadas em testes de ponto de atendimento. Vários métodos foram empregados para fabricar µPADs, incluindo fotolitografia, impressão em cera, recorte em papel e estampagem. Os selos atômicos (AS) ou os selos penetrantes gravados à máquina podem ser gravados manualmente, embora a prática exija habilidade e experiência. Uma máquina de gravação a laser pode trabalhar com software de desenho comum, incluindo AutoCAD e CorelDraw, para formar um carimbo de selo que absorve tinta devido à sua arquitetura microporosa. Guan et al. usou a nova abordagem para produzir µPADs por meio de impressão AS (ASP), onde eles embeberam um selo do padrão exigido em solvente PDMS, imprimi-lo em papel e deixá-lo em uma caixa de secagem a vácuo para concluir a fabricação. Eles então escolheram o método colorimétrico para detectar Cu 2+ .

    p Imagens da detecção colorimétrica de Cu2 + (a – g) Efeito de renderização de cor de íons de cobre e DDTC em diferentes concentrações. (h) Tendência da escala de cinza com a concentração de Cu2 +. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-019-0123-9

    p A equipe demonstrou a versatilidade dos µPADs introduzindo um dispositivo integrado para extração de solo-líquido com base em papel. O dispositivo aproveitou as vantagens do papel, incluindo seu baixo custo, portabilidade e filtrabilidade para demonstrar desempenho superior durante a extração experimental. Eles analisaram a resolução de µPADs, como uma métrica importante para regular seu desempenho, que determinou a largura mínima do canal para as passagens de fluxo de fluido no papel e para barreiras hidrofóbicas (que odeiam água) projetadas para impedir o fluxo de fluido. A equipe observou o fluxo usando um corante azul. Os µPADs previamente construídos por corte a laser forneceram a mais alta resolução com uma largura de canal hidrofílica (amorosa) mínima. Contudo, ASP foi mais eficiente em comparação com as técnicas anteriores usadas para produzir µPADs.

    p Durante a análise colorimétrica, μPADs com Cu 2+ mudou de branco para amarelo, aumentando de cor com o aumento de Cu 2+ concentração, qual Guan et al. quantificado usando o software Image J. A equipe então determinou a detecção baseada na distância de Cu 2+ soluções como diversas concentrações de solução fluíram através dos canais μPAD. O comprimento da banda amarela aumentou com o aumento do Cu 2+ soluções e observaram uma constante acima de 100 mg / L, que eles determinaram como o limite superior do dispositivo. Guan et al. detectou um Cu mínimo 2+ concentração de 1 mg / mL, de acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS) e a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA), onde o Cu máximo 2+ a concentração de contaminação na água potável é de 2 e 1,3 mg / L, respectivamente.

    p Testar a concentração de Cu2 + com base no método de detecção baseado na distância. (a) O fluxo da solução no canal com o aumento da concentração de Cu2 +. (b) Relação linear entre a concentração de Cu2 + (0–100 mg / L) e a distância do fluxo no canal. (c) Comprimento do fluxo em concentrações de 1–6 mg / L Cu2 +. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-019-0123-9

    p Guan et al. mostrou o princípio de funcionamento de um dispositivo de extração sólido-líquido à base de papel (PSED), que incluía uma microbomba e o caráter microporoso do papel de filtro para completar a extração e filtração sólido-líquido. Durante o processo, eles armazenaram amostras de solo no topo do µPAD 3-D e extraíram o solvente misturado com o solo fluindo do tubo de saída da microbomba. O solvente de extração concomitantemente solubilizou os íons de metais pesados ​​e os sugou através do tubo de entrada e os bombeou para fora novamente em um ciclo de extração. Finalmente, eles extraíram íons de metais pesados, incluindo Cu, zinco (Zn), cádmio (Cd) e chumbo (Pb) das amostras de solo via abastecimento contínuo e ciclos de bombeamento da microbomba.

    p As concentrações de íons de metais pesados ​​obtidos a partir do procedimento de extração PSED foram semelhantes aos métodos tradicionais, provando a natureza eficaz do PSED. O volume de extração exigiu otimização e Guan et al. usou mais de 30 mL do extratante como resultado. A equipe otimizou o tempo e descobriu que 20 minutos eram suficientes para extrair completamente os íons de metais pesados. Cada µPAD 3-D pode conter 2 g de solo e todo o processo de extração leva 40 minutos para ser concluído.

    p Princípio de funcionamento e comparação das concentrações detectadas de íons de metais pesados ​​entre o PSED e o método de extração tradicional. (a – c) Esquema do princípio de funcionamento do PSED. (d – f) Os resultados da concentração dos íons de metais pesados ​​nos solos (1), (2), e (3), respectivamente. (g) Comparação das concentrações de íons de metal pesado obtidas por extração PSED em diferentes razões sólido-líquido. Crédito:Microsystems &Nanoengineering, doi:10.1038 / s41378-019-0123-9

    p Comparado aos modos tradicionais de extração, a técnica 3-D µPAD omitiu os processos de filtração para uma operação mais simples e maior precisão de extração. Os µPADs 3-D são portáteis, barato e acessível para protocolos de extração simples. Os cientistas podem ajustar o tamanho do dispositivo para atender a diferentes necessidades, fornecendo flexibilidade para aplicativos do mundo real. Desta maneira, Yanfang Guan e Baichuan Sun desenvolveram um novo tipo de dispositivo de detecção conhecido como µPAD usando impressão atômica de carimbo (ASP). Eles alcançaram alta resolução para formar os canais hidrofílicos e as barreiras hidrofóbicas do dispositivo. A técnica ASP é de baixo custo, tem um tempo simples de atividade, permitindo a preparação de amostras curtas para alta resolução e maior sensibilidade em comparação aos métodos tradicionais.

    p Imagem de um dispositivo de extração líquido-solo integrado. (a) Imagem física do μPAD 3D. (b) Imagem estrutural do μPAD 3D. (c) Tamanho da camada PDMS. (d) Gabarito do μPAD. (e) Tampa superior. (f) Jig da microbomba. (g) Reservatório. (h) Imagem física da microbomba. (i) Composição da microbomba. (j) PSED montado. (k) Plataforma experimental do PSED. (l) A estrutura interna do PSED. (m) Princípio experimental do PSED. (n) Espectrômetro de absorção atômica de fogo (FASS). (o) Princípio experimental da extração solo-líquido tradicional.

    p Os µPADs fabricados por ASP detectaram Cu 2+ como uma prova de conceito usando um método colorimétrico combinado com detecção baseada na distância para alcançar Cu 2+ a uma concentração de 1 mg / mL. A equipe propôs o PSED como um novo dispositivo de extração sólido-líquido para extrair íons de metais pesados ​​do solo. O dispositivo exigiu menos amostras experimentais para atender às necessidades de testes de ponto de atendimento, com perda de amostra reduzida. O dispositivo manteve alta eficiência de extração, baixo custo e sem poluição para atender às demandas de extração sólido-líquido. A construção simples pode ser produzida com impressão 3-D de baixo custo e não se limita a amostras de solo de teste. A equipe espera melhorar o uso desse dispositivo para produzir produtos de teste de ponto de atendimento de alto rendimento. p © 2020 Science X Network




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