I dispositivi analitici basati su carta microfluidica (µPAD) sono un concetto promettente con un rapido sviluppo negli ultimi anni. In un nuovo studio pubblicato su Natura:microsistemi e nanoingegneria , un team guidato da Yanfang Guan e Baichuan Sun in ingegneria elettromeccanica in Cina, ha sviluppato una nuova tecnica per ingegnerizzare µPAD nota come stampa con timbro atomico (ASP). Il metodo era conveniente, facile da usare e ha permesso un'elevata efficienza di produzione con un'alta risoluzione. Come prova del concetto, hanno utilizzato µPAD ingegnerizzati tramite il metodo ASP per rilevare diverse concentrazioni di rame (Cu ²⁺ ) mediante un metodo colorimetrico. I dispositivi hanno raggiunto un Cu ²⁺ limite di rilevabilità di 1 mg/L. Guan et al. ha anche creato un nuovo dispositivo di estrazione solido-liquido a base di carta (PSED) utilizzando un µPAD tridimensionale (3-D) con una struttura "3+2" e una modalità di estrazione riciclabile. A causa delle caratteristiche della filtrazione della carta e della forza capillare, il dispositivo potrebbe completare in modo efficiente più fasi di estrazione e filtrazione da processi di estrazione solido-liquido. La piattaforma PSED ha consentito semplici, rilevamento rapido e conveniente di ioni di metalli pesanti presso il punto di cura. Il lavoro ha grandi promesse per le applicazioni nel campo della sicurezza alimentare e dell'inquinamento ambientale in aree con risorse limitate.

Negli anni '90, i bioingegneri hanno proposto per la prima volta un dispositivo concettuale "lab-on-a-chip" (LOC) basato sulla tecnologia microfluidica. Da allora i ricercatori hanno proposto dispositivi analitici basati su carta microfluidica (µPAD) per sostituire la microfluidica tradizionale, compresi i chip a base di vetro e silicio. I vantaggi includono la semplice fabbricazione, basso costo, portabilità e disponibilità per applicazioni diffuse nei test point-of-care. Sono stati impiegati numerosi metodi per fabbricare µPAD tra cui fotolitografia, stampa a cera, taglio e timbratura della carta. I timbri atomici (AS) o i timbri penetranti incisi a macchina possono essere incisi manualmente, anche se la pratica richiede abilità ed esperienza. Una macchina per incisione laser può funzionare con un comune software di disegno, tra cui AutoCAD e CorelDraw, per formare un sigillo che assorbe l'inchiostro grazie alla sua architettura microporosa. Guan et al. utilizzato il nuovo approccio per produrre µPAD tramite stampa AS (ASP), dove hanno immerso un timbro del modello richiesto nel solvente PDMS, stampato su carta e lasciato in una scatola di asciugatura sottovuoto per completare la fabbricazione. Hanno quindi scelto il metodo colorimetrico per rilevare Cu ²⁺ .

Il team ha dimostrato la versatilità dei µPAD introducendo un dispositivo integrato per l'estrazione suolo-liquido a base di carta. Il dispositivo ha sfruttato i vantaggi della carta compreso il suo basso costo, portabilità e filtrabilità per dimostrare prestazioni superiori durante l'estrazione sperimentale. Hanno analizzato la risoluzione di µPAD, come una metrica importante per regolare le loro prestazioni, che determinava la larghezza minima del canale per i passaggi del flusso di fluido sulla carta e per le barriere idrofobe (che odiavano l'acqua) progettate per impedire il flusso di fluido. Il team ha osservato il flusso utilizzando un colorante blu. I µPAD precedentemente costruiti tramite taglio laser fornivano la massima risoluzione con una larghezza minima del canale idrofilo (amante dell'acqua). Però, L'ASP era più efficiente rispetto alle tecniche precedenti utilizzate per produrre µPAD.

Durante l'analisi colorimetrica, μPAD con Cu ²⁺ cambiato da bianco a giallo, crescente di colore all'aumentare di Cu ²⁺ concentrazione, quale Guan et al. quantificato utilizzando il software Image J. Il team ha quindi determinato il rilevamento basato sulla distanza di Cu ²⁺ soluzioni poiché diverse concentrazioni di soluzione scorrevano attraverso i canali μPAD. La lunghezza della banda gialla aumenta con l'aumentare di Cu ²⁺ soluzioni e hanno osservato una costante superiore a 100 mg/L, che hanno determinato come limite superiore del dispositivo. Guan et al. rilevato un Cu . minimo ²⁺ concentrazione di 1 mg/mL, in conformità con l'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) e l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA), dove il massimo Cu ²⁺ la concentrazione di contaminazione nell'acqua potabile è 2 e 1,3 mg/L, rispettivamente.

Guan et al. ha mostrato il principio di funzionamento di un dispositivo di estrazione solido-liquido a base di carta (PSED), che includeva una micropompa e il carattere microporoso della carta da filtro per completare l'estrazione e la filtrazione solido-liquido. Durante il processo, hanno immagazzinato campioni di terreno sopra il µPAD 3-D ed estratto il solvente miscelato con il terreno che scorre dal tubo di uscita della micropompa. Il solvente di estrazione ha solubilizzato contemporaneamente gli ioni di metalli pesanti e li ha aspirati attraverso il tubo di ingresso e li ha pompati di nuovo in un ciclo di estrazione. Finalmente, hanno estratto ioni di metalli pesanti tra cui Cu, zinco (Zn), cadmio (Cd) e piombo (Pb) dai campioni di suolo tramite continui cicli di alimentazione e pompaggio della micropompa.

Le concentrazioni di ioni di metalli pesanti ottenute dalla procedura di estrazione PSED erano simili ai metodi tradizionali, dimostrando la natura efficace di PSED. Il volume di estrazione ha richiesto l'ottimizzazione e Guan et al. utilizzato più di 30 ml di estraente come risultato. Il team ha ottimizzato il tempo e ha scoperto che 20 minuti sono sufficienti per estrarre completamente gli ioni di metalli pesanti. Ogni µPAD 3-D potrebbe contenere 2 g di terreno e l'intero processo di estrazione ha richiesto 40 minuti per essere completato.

Rispetto alle tradizionali modalità di estrazione, la tecnica 3-D µPAD ha omesso i processi di filtrazione per un funzionamento più semplice e una maggiore precisione di estrazione. I µPAD 3-D sono portatili, economico e accessibile per semplici protocolli di estrazione. Gli scienziati possono regolare le dimensioni del dispositivo per soddisfare le diverse esigenze, fornendo flessibilità per le applicazioni del mondo reale. In questo modo, Yanfang Guan e Baichuan Sun hanno sviluppato un nuovo tipo di dispositivo di rilevamento noto come µPAD che utilizza la stampa del timbro atomico (ASP). Hanno raggiunto un'alta risoluzione per formare i canali idrofili e le barriere idrofobe del dispositivo. La tecnica ASP è a basso costo, ha un semplice momento di attività, consentendo una breve preparazione del campione per un'alta risoluzione e una maggiore sensibilità rispetto ai metodi tradizionali.

I µPAD fabbricati in ASP hanno rilevato Cu ²⁺ come prova di concetto utilizzando un metodo colorimetrico combinato con il rilevamento basato sulla distanza per ottenere Cu ²⁺ alla concentrazione di 1 mg/mL. Il team ha proposto PSED come nuovo dispositivo di estrazione solido-liquido per estrarre ioni di metalli pesanti dal suolo. Il dispositivo ha richiesto meno campioni sperimentali per soddisfare le esigenze dei test point-of-care, con ridotta perdita di campione. Il dispositivo ha mantenuto un'elevata efficienza di estrazione, basso costo e nessun inquinamento per soddisfare le esigenze di estrazione solido-liquido. Il semplice costrutto può essere prodotto con la stampa 3D a basso costo e non si limita a testare campioni di terreno. Il team prevede di migliorare gli usi di questo dispositivo per produrre prodotti per test point-of-care ad alto rendimento.

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