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用于食用油分析的微流体粘度计

摘要

粘度是鉴别食用油来源、工业/热处理和污染的关键参数。对于许多应用场合，建议使用小型化、便携式和一次性的工具来现场监测油品质量。在此，我们提出了一种易于使用的，一次性的微流体装置来测量拉伸毛细管流动中油脂的流变学和材料特性。提出的综合粘度计能够区分不同来源的纯油和混合油。该装置由疏油功能化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)线性微通道、光学显微镜接口和能够检测注入流体毛细管动力学的定制软件组成。用自制的橄榄油、向日葵油、煎炸油和自制混合物对微流体粘度计进行了测试。疏油涂层是由一种通过蛋白粘附层与PDMS结合的氟聚合物组成的，它需要在流动过程中减少对油的吸附，并重建沿微通道整个长度的毛细管动力学。除了计算动态粘度的绝对值外，该芯片还可以分离和识别混合油中的组分，这得益于在恒压区精确的数据分析方法，以及与已知油的微流体粘度的相关性。

1. 引言

芯片上实验室(Lab on chip, LOC)技术是一种独特的分析和处理多种样品的工具，这些样品包括生物液体、受污染的水或石油基质，对人类健康、食品和环境安全具有优势^[1-4]。通常，用于复杂液体矩阵研究的锁相环的设计包括用于样品预处理的微流控体系结构和多路微尺度传感单元。在标准方法中，需要流驱动力和外力来诱导混合物中物种的分离;相反，分析物的精细检测是由于它们与溶液中的标记物或传感器顶部的捕获探针直接相互作用。因此，传统仪器的直接小型化样品预处理和分析测试的实验过程将意味着非常复杂和重要的微芯片的产生^[5]。

相反，为了获得一个集成的、功能齐全的芯片，有可能利用各种在微尺度流体动力学中是固有的策略来处理由于限制效应、表面相互作用或异常扩散而导致的液体 ^[6]。

利用溶液的固有粘弹性性质及其与固体界面的化学相互作用，可以简化微尺度系统。这些效应在微通道中都得到了增强。在此背景下，研究毛细管力在封闭系统中自发驱动流体运动，是研究流体性质和无动力注入机理的宝贵信息来源。

粘度是农业领域中一个特别相关的参数，由于其来源(向日葵、橄榄、玉米、油菜籽等)、品种(油脂成分取决于)^[7]、机械/物理处理，比如用于食品应用（例如油炸) ^[8]。

经典的实验室流变仪和粘度计允许通过使用扭转电机和扭矩传感器测量流体剪切和伸长特性，从而获得石油样品的粘度值。它们通常需要ml-scale样本量和宏尺度设置，不适合现场使用(例如，在线监测工业过程和餐馆的油品质量控制)。对于这样的应用，需要小型化，但很难缩小体积流变学典型的机械子系统。

微流体学的发展为小尺度液体的流变学研究提供了不同的创新工具^[9,10]。在文献中，主要报道了基于乳化的微流体粘度计^[11]以及基于毛细管流、驻点流或收缩几何形状的单相系统。不太常用的方法估计纳米颗粒^[12-14]、单聚合物^[15]和液晶^[16]的局部流变响应。

作为一种基于乳化剂的微尺度流变仪，最近报道了一种无添加剂的纳米液滴粘度计(如油包水粘度计)。通过观察受控制压力驱动的试样塞通过突然收缩的流量，以粘度大于连续油相^[11]的试样为限，测量了高达101mpa *s的油粘度。

在单相微流体粘度计中，毛细管压力流变仪是最直观、成本低、易于生产的^[17-21]。过去，我们在功能化的微米级聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道中，对有机溶剂^[22]、粘弹性液体^[23]、微胶囊^[24]和水^[25]的毛细管动力学进行了实验重建。在微观尺度上，流动动力学呈现出新的面貌，流体的物理性质主要受到界面张力、剪切力、表面效应和弹性应力之间的竞争的影响，这些竞争对流体的可测性有重要影响。因此，在这样的封闭体系中，流体的位移、速度和粘度受限于壁面润湿性、液固界面的化学相互作用以及延伸率和分子拉伸的影响，受到了约束动力学的强烈影响^[6,23,26]。

油是吸附在许多表面上的液体;因此，必须在疏油微通道中对其毛细管动力学进行研究，以提取其值。基于我们的经验和最近的研究上在发展的氟涂料中^[27、28]有这些疏油的性质 ^[28],这里我们用在固体/液体界面强烈的交互作用和基于动力学参数，使用毛细管动态区分不同种类的植物油,分离油混合物。该芯片由带有疏油涂层的线性微通道组成，使用商用和国产的纯食用油或混合食用油进行了测试。微通道是芯片的活跃部分，因为油与内墙的相互作用通过毛细作用驱动流体运动(不需要外部动力来泵送)。疏油涂层在测量过程中减少了对油的吸附(作为晶片材料具有油渗透性)，使毛细管动力学研究得到了更好的结果。该芯片与光学显微镜和一个自制的软件接连，以跟踪注入流体的毛细管动力学。通过对微通道入口采集数据的重新处理，可以计算出与标准粘度计^[17]完全一致的动态粘度值。在恒毛细管压力下进行数据分析时，微流体的动态黏度值外推，误差小于1%。油的鉴定是由于与预定的纯油参考值的比较。虽然在恒压状态下的精确拟合不能提供绝对粘度值，但其结果是有效的辨别纯油和混合物的依据。事实上，该芯片被证明可以分离两种油的混合物，在流动中充当粘度梯度驱动的色谱柱。在这种情况下，可以外推两种不同的动态粘度值，从而确定混合物的两种成分。

2. 材料和方法

2.1材料

利用重组的瑞氏T. reesei菌株，如前所述经反相高效液相色谱(RP-HPLC)纯化，使用前经冻干处理得到蛋白疏水酶(HFBII)^[29-31]。从苏威特种聚合物(意大利)中可以获得氟化油墨reg;F10(以下简称F10)。正十二烷是从Sigma-Aldrich公司购买的，没有进一步纯化就使用了。SYLGARDreg;184由美国道康宁公司提供。实验食用油为特级初榨橄榄油(EVOc)、意大利Carapelli、意大利向日葵油(SFO)、意大利Friol煎炸油(FrO);EVOh是由当地一位农民提供。

2.2 PDMS载玻片的制备

聚二甲基硅氧烷(PDMS) 表面固化获得SYLGARD184。聚合时，弹性体和固化剂混合(10:1,w/w)，在140°C温度下加热15分钟，然后切成1.5times;5 5 的小块。使用前PDMS载玻片进行1 min等离子体处理(Diener Pico，低压等离子体系统:100 W, 240 /min流量;0.5 mBar)，然后放置在200°C的烤箱中10分钟，几乎完全恢复材料的疏水性。

2.3 QCM-D实验

采用Q-Sense E4 (Q-Sense)石英晶体微平衡仪(QCM- d)测量了HFBII和F10在PDMS包覆的QCM晶体上的吸附质量。采用金QCM-D芯片^[27]自旋涂覆工艺制备PDMS传感器。HFBII和F10的沉积完全按照之前工作^[28]中报道的步骤进行。

2.4 HFBII和F10沉积在PDMS表面

所有实验都通过使用10mm醋酸盐缓冲溶液进行，控制pH值为4的条件下，。缓冲液中加入2-丙醇(5% v/v)，保证F10完全溶解。PDMS片垂直沉浸在0.1 HFBII溶液中30分钟。然后PDMS片表面被HFBII溶液消除,在清洁缓冲溶液(PDMS / HFBII下文一致)搅拌20s，然后沉浸在一个清洁缓冲瓶30分钟，然后再使用1F10重复相同过程。最后，表面用纯净水冲洗，氮气干燥后鉴定(文中的PDMS/HFBII/F10样品)。

2.5接触角测量

采用sessile drop法和cam200 (KSV仪器有限公司，芬兰)测量了静态接触角。所提出的结果与对样品许多区域的平均测量值相一致。误差按离中值的标准差计算。

图1所示 HFBII/F10涂层在PDMS涂层的QCM传感器上，pH = 4。图中: 所有泛音的频率和耗散信号(A) HFBII沉积、(B)运行缓冲器冲洗、(C) F10沉积、(D)运行缓冲器冲洗时

2.6 PDMS芯片制造

采用SU-8主控件的仿形模制方法，制作了1cm标称长度、20m深、150m宽的线性PDMS微通道。聚合后不久，微通道与主链分离;在随后与PDMS平盖保角接触的复制件上，打了直径1.5 mm的进、出口孔。两个表面都氧气等离子体活性处理和在200°C在烤箱密闭处理。

2.7 疏油涂层的沉积

制备完成后，将设备连接到tubings (Tub Tfzl Nat 1/16times;0.40,IDEX-HS)上，用注射器泵(Ugo Basile, Biological Research Apparatus, model KDS270)以恒定速率注入0.11 HFBII溶液，流速为10。填充完成后，将液体流动3 min，放置30 min，然后以100 的速度提取蛋白溶液，以20 的速度进行缓冲液洗涤。最后，在缓冲液提取后，注入1 F10溶液，使内墙覆盖一层疏油涂层。采用与HFBII溶液相同的注射、注入时间和洗涤速度。

2.8 接触角和表面能量测量

EVOc、SFO、FrO、MIXh和EVoH这些油在HFBII和F10功能化的PDMS上根据从CAM200软件(KSV仪器有限公司)表面张力值和润湿性参数(cos)插入数据精化的方程进行垂坠测量。

2.9 微流体

用razon刀片切割PDMS装置的进、出口，制成毛细管分析芯片。芯片与尼康显微镜(尼康Eclipse Ti)接口，实现了自制软件。如图3a所示。通过在微通道入口沉积每一种油滴(200 L)，对几种食用油进行了毛细管流动研究。沉积后不久，用光学显微镜观察到液滴在器件内流动，微通道内的流体前缘。液体的位移由一个速度成像系统(尼康mod. DS-5MC相机)一步一步地进行，该软件可以通过获取流体沿通道长度的前端位置来重建毛细管动力学。得到位置(mm)与时间(s)的关系图(见图2b和图S2)。

分别在三种不同的切片上获得了每种油的毛细管曲线，以检验其重复性(见图S4和S5)

2.10 标准流变仪测量

利用HaakeVis-cotester VTR5仪器对旋转粘度进行了测量。TR8转子设置为50、60、100和200转/分。所有的测量都在20°C执行。

3.数据分析

采用OriginPro 8.0软件进行微流体分析。采用非线性回归拟合方法，对各解在不同轨迹上的试验数据进行非线性回归拟合，得到结构参数。通过拟合毛细流动最终z范围内的实验数据，在高原条件下，驱动压力P恒定的情况下，计算微流体粘度值。对于收集到的数据()，回归具有较高的确定性。利用微通道入口的流量参数(压力、表面张力、位移和速度)，计算了每种油的标准粘度，称为入口粘度。并与标准流变仪的粘度值进行了比较。用拟合程序建立的95%置信水平对误差值进行评估。

4. 结果与讨论

为了生产一种低成本的(便携式和一次性的)微流体粘度计，通过毛细管动力学来监测原油的质量和组成，我们首先优化了一种疏油涂层的制备，以防止原油在流动过程中被吸附。本文以两亲性蛋白HFBII作为高效底漆，在几种聚合物表面制备了含氟材料的疏油涂料，并利用湿化学法制备了平面PDMS表面。通过逐层沉积HFBII和F10单层，在固定浓度下选择合适的培养时间，优化了涂层覆盖范围。与其他在聚合物上沉积氟化涂层的方法相比，HFBII/F10自组装过程从水溶液中自发快速进行，不涉及高能耗的过程^[28]。这使得它从经济和环境的角度可持续发展，特别是在制造一次性芯片的情况下。

4.1 平板PDMS载玻片上的疏油涂层

在第一个例子中，使用了一个具有耗散监测(QCM-D)的石英晶体微天平来制备所需的涂层在PDMS上，由第一层HFBII和第二层F10含氟聚合物层组成。由于F10与蛋白第一层的最大最强结合发生在PH为4的时候，所有实验均在此实验条件下进行。

图2所示 a)经HFBII和HFBII/F10功能化PDMS载玻片EVOc期间接触角(CA)的演变

b)无功能化的PDMS且内壁涂有HFBII和HFBII/F10芯片中EVOc的毛细动力学随时间的变化规律

HFBII在PDMS上的实验表面覆盖密度大于250ng /(表S1)，为蛋白单层的参考值^[28,32]。此外，图1显示了耗散泛音的增加(即使很少)，这表明HFBII在PDMS上形成的薄膜并非完全刚性，这可能归因于沉积在QCM传感器上PDMS的固有粘弹性。该蛋白层促进F10在表面的后续结合，计算出两个组装组分之间的摩尔比约为15:1。

图3所示。a)实验装置由PDMS芯片、带摄像头的光学显微镜、自制的获取各时间点流体位置前端的软件组成 b)图中微通道尺寸(a = 20 m, b = 150 m)与油滴沉积情况。彩色幻灯片显示了微通道的材料

表1 HFBII和HFBII/F10功能化前后PDMS载玻片上的水(WCA)和正十二烷(DCA)静接触角(CA)测量值