噴墨打印微流體紙基數(shù)碼灰度比色法快速檢驗(yàn)氯酸鉀

蘇日娜，楊瑞琴，*，于遨洋，2

（1.中國(guó)人民公安大學(xué)，北京 100038；2.中國(guó)刑事警察學(xué)院，沈陽(yáng) 110035）

·論 著·

噴墨打印微流體紙基數(shù)碼灰度比色法快速檢驗(yàn)氯酸鉀

蘇日娜1，楊瑞琴1，*，于遨洋1，2

（1.中國(guó)人民公安大學(xué)，北京 100038；2.中國(guó)刑事警察學(xué)院，沈陽(yáng) 110035）

目的 研究噴墨打印微流體紙基數(shù)碼灰度比色法測(cè)定可疑物樣品中氯酸鉀的新方法。方法 在濃鹽酸環(huán)境下，氯酸鉀與鹽酸苯胺絡(luò)合生成穩(wěn)定的有色絡(luò)合物。濾紙具有親水性，接觸記號(hào)筆墨水后使濾紙變得疏水。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)好模板將圖案噴墨打印到濾紙上。當(dāng)溶劑揮發(fā)后，著色劑、疏水樹脂留在濾紙纖維上改變?yōu)V紙?jiān)瓉?lái)的親水性，形成了可視的疏水屏障。以記號(hào)筆墨水配制成疏水性的感應(yīng)油墨，依托噴墨打印機(jī)，在濾紙上噴墨打印形成高重復(fù)、穩(wěn)定的圖案，形成穩(wěn)定的點(diǎn)樣空間。在親水空間上首先滴加鹽酸苯胺試劑，氯酸鹽與其中的鹽酸苯胺絡(luò)合生成有色物質(zhì)。氯酸鹽的濃度不同得到顏色深淺不同，對(duì)其進(jìn)行灰度處理讀取像素點(diǎn)灰度值。結(jié)果紙基拍照獲取數(shù)字圖片該灰度值與 KClO3濃度呈正相關(guān)。當(dāng)連續(xù)噴墨打印4次時(shí)，圈形的親水空間形成；最佳的點(diǎn)樣體積為20μL； Scion image 4.03軟件處理方式效果最好。KClO3濃度為50~90μ g/mL范圍時(shí)，像素點(diǎn)的灰度值與濃度有良好的線性關(guān)系（R2=0.99），定性檢出限為0.92μ g/mL。結(jié)論 本文建立的氯酸鉀檢驗(yàn)方法對(duì)環(huán)境光源無(wú)特殊要求，操作簡(jiǎn)單、成本低、高效快速，適合野外勘查現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。

噴墨打印微流體；氯酸鉀；鹽酸苯胺；灰度比色

氯酸鉀（KClO3）屬于易制爆物，具有高危險(xiǎn)性。由于生產(chǎn)生活中對(duì)氯酸鉀的濫用，使之成為犯罪分子自制炸藥的首選用藥。目前，利用大型分析儀器檢驗(yàn)氯酸鉀的方法已成熟［1］，但不適合現(xiàn)場(chǎng)快速篩查檢驗(yàn)，而現(xiàn)有的手持、便攜等微型儀器檢測(cè)方法脫離不了對(duì)電源的依賴，難以大面積大范圍、多個(gè)樣品同時(shí)進(jìn)行篩查。噴墨打印微流體紙基以低成本、高重復(fù)性、高靈活性、設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)藥分析等方面［2］。該裝置依托噴墨微流體技術(shù)，能夠定點(diǎn)定量投放極其微量的液體［3］。國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道了在濾紙上噴墨打印聚乙烯甲苯溶液［4］、在色譜紙上打印溶質(zhì)為蠟的有機(jī)溶液［5］等方法，使用的有機(jī)溶劑以四氯化碳、甲苯為主，對(duì)墨盒具有侵蝕作用，微流體紙基的制作成本及難度較高。雖然國(guó)外報(bào)道的方法具有較強(qiáng)的靈活性和便捷性［6-8］，但其中微流體紙基制作需要一定的專業(yè)素質(zhì)。記號(hào)筆油墨由著色劑、樹脂和有機(jī)溶劑組成，是一種易獲取的、色彩持久的疏水油墨，其溶劑蒸發(fā)后，著色劑和樹脂可在濾紙上形成穩(wěn)定的疏水屏障，為紙基屏障的制作提供了有利條件。在現(xiàn)場(chǎng)物證快速檢驗(yàn)中，以記號(hào)筆油墨制作疏水基，制造屏障形成穩(wěn)定的點(diǎn)樣空間，同時(shí)使用iPhone手機(jī)的LED閃光燈提供穩(wěn)定持久的便攜式光源［9］，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝變色紙基數(shù)碼影像，然后通過(guò)灰度數(shù)值變化比色，獲取定量信息，可以高效便捷的對(duì)可疑物品進(jìn)行篩查檢驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

惠普Deskjet-1000噴墨打印機(jī)；氯酸鉀（上海國(guó)藥集團(tuán)）；鹽酸苯胺（上海阿拉丁試劑有限公司）；PARAFILM封口膜（Polisciences Inc，美國(guó)）；尼康D80智能數(shù)碼相機(jī)；定性濾紙（杭州特種紙業(yè)公司）；記號(hào)筆黑色墨水（東莞市盛怡文具有限公司）。

1.2 感應(yīng)油墨的配制

抽取5 mL記號(hào)筆墨水，加入100 μ L無(wú)水乙醇搖勻，抽取3 mL油墨，濾膜（0.35 μ m）過(guò)濾備用，制備疏水性感應(yīng)油墨。

1.3 微流體紙基的制備

黑色墨盒從側(cè)角劃開，取出吸墨海綿。以丙酮乙醇混合溶液（1：1）對(duì)墨盒反復(fù)徹底清洗，直到底部無(wú)有色溶液滲出。吹風(fēng)機(jī)吹干后注入配好的感應(yīng)油墨3 mL，將墨盒開口處用封口膜包住。使用計(jì)算機(jī)畫圖軟件繪制圖案模板（像素1037×464），通過(guò)黑色墨盒在濾紙上噴墨打印模板圖案。濾紙上接觸到記號(hào)筆墨水“感應(yīng)油墨”的地方形成了疏水屏障；空白處仍然保留了濾紙?jiān)瓉?lái)的親水性能。在中速定性濾紙上連續(xù)重復(fù)噴墨打印4次。噴墨打印結(jié)束后自然風(fēng)干，在反面以封口膜覆蓋密封。

1.4 數(shù)碼影像灰度處理比色繪制氯酸鉀標(biāo)準(zhǔn)曲線

將1 g鹽酸苯胺固體溶于5 mL 80%濃鹽酸溶液中配制成鹽酸苯胺試劑。用移液槍分別準(zhǔn)確移取50、60、70、80、90 μ g/mL KClO3溶液各20μL至制備好的噴墨打印微流體紙基中央，自然風(fēng)干。之后分別滴加鹽酸苯胺試劑20 μL，10 min后在紙基兩側(cè)斜上方（距離20 cm，成45°）以iPhone-LED手電筒提供穩(wěn)定持久便攜的光源。數(shù)碼相機(jī)垂直紙基（垂直距離10 cm）在自動(dòng)檔拍照獲取數(shù)字影像。對(duì)影像通過(guò)軟件處理獲取不同濃度像素點(diǎn)灰度信息，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑的選擇

記號(hào)筆疏水性墨水通常是將有色高分子樹脂溶解在易揮發(fā)的有機(jī)溶液中，墨水粘度較高，流動(dòng)性較差。分別以丙酮、無(wú)水乙醇和四氯化碳作為分散劑，三者都可取得良好的分散效果，獲得滿意的噴墨打印圖案，并且3種分散劑均易揮發(fā)，在濾紙基底基本無(wú)殘留?？紤]到常見性、毒性以及揮發(fā)性，本文選擇無(wú)水乙醇為最佳分散劑。

2.2 感應(yīng)油墨的配制

起泡式噴墨打印機(jī)墨盒依據(jù)數(shù)字信號(hào)，對(duì)油墨施加瞬間電流脈沖，瞬間熱量局部加熱，控制氣泡迅速長(zhǎng)大與萎縮，推動(dòng)墨滴噴射。噴頭電極根據(jù)墨水流變差異識(shí)別墨水，識(shí)別的好壞直接影響到噴墨打印的連續(xù)性和耐候性。電極對(duì)感應(yīng)油墨識(shí)別的好壞，最為直觀的影響因素為油墨液體的表面張力。用一根毛細(xì)管浸入到5 mL記號(hào)筆墨水中，逐次加入100 μL無(wú)水乙醇溶液，直尺測(cè)量毛細(xì)管上升的高度。隨著加入次數(shù)增多，毛細(xì)管上升高度下降，毛細(xì)管上升高度和無(wú)水乙醇溶液加入量見圖1。實(shí)驗(yàn)表明，用同一根毛細(xì)管測(cè)得打印機(jī)原裝墨水上升高度為12 mm，當(dāng)5 mL記號(hào)筆墨水加入100 μL的無(wú)水乙醇時(shí)得到相同的上升高度，配制疏水性感應(yīng)油墨。

2.3 濾紙基底的選擇

濾紙是由棉質(zhì)纖維組成的，親水性較好，對(duì)常見液體有強(qiáng)烈的吸收，有良好的化學(xué)兼容性和穩(wěn)定性。不同型號(hào)的濾紙?jiān)谕Χ取⒑穸?、樹脂含量、纖維直徑以及濾紙孔徑大小、透氣度等方面均有所不同，在吸水速率以及保水性方面也各有所不同。裁取不同型號(hào)的濾紙（寬為5 mm），垂直浸潤(rùn)到配制好的油墨中（浸潤(rùn)部分為3 mm）。當(dāng)液體毛細(xì)作用上升高度達(dá)到10 mm處時(shí)，測(cè)定不同型號(hào)濾紙所用時(shí)間（見表1）。油墨通過(guò)毛細(xì)作用擴(kuò)散到10 mm處所用時(shí)間越短，表明濾紙對(duì)感應(yīng)油墨的吸附傳遞效果越好，定性中速濾紙對(duì)感應(yīng)油墨有著最佳的吸收傳導(dǎo)性能，因此，本文選取中速定性濾紙為噴墨打印微流體的基底。

圖1 無(wú)水乙醇加入量與毛細(xì)管上升高度的關(guān)系Fig.1 The rising height of capillary responses to the amount of ethanol

表1 不同型號(hào)濾紙毛細(xì)作用到達(dá)10 mm處所用的時(shí)間（s）Table 1 The elapsed time for different types of fi lter paper travelling to 10 mm （s）

2.4 噴墨打印周期的選擇

濾紙有一定厚度，連續(xù)重復(fù)的噴墨打印周期在一定程度上決定疏水油墨在濾紙上的滲透程度。以亞甲基藍(lán)有色水溶液考察噴墨打印周期對(duì)疏水屏障的封閉性、穩(wěn)定性的影響。以中速定性濾紙為基底、噴墨打印周期（T）為1、2、3、4、5時(shí)，背面點(diǎn)樣后的圖片（見圖2），可以看出，當(dāng)連續(xù)噴墨打印周期T=4時(shí)，疏水屏障基本形成穩(wěn)定的點(diǎn)樣空間。

2.5 點(diǎn)樣體積的選擇

圖2 不同噴墨打印周期下紙基反面圖Fig.2 Paper-based negative maps of different inkjet printing cycles

不同的點(diǎn)樣體積形成的斑點(diǎn)大小也有所不同。點(diǎn)樣體積越大形成的斑點(diǎn)越大，覆蓋也越全面。但單位面積的濾紙儲(chǔ)存液體性能有限，同時(shí)也會(huì)流失液體造成一定誤差。以中速定性濾紙為基底，噴墨打印周期為4時(shí)，從左向右依次點(diǎn)樣5、10、15、20、25、30μL的亞甲基藍(lán)水溶液，結(jié)果見圖3，當(dāng)點(diǎn)樣體積為20 μL時(shí)，基本覆蓋微流體紙基的整個(gè)點(diǎn)樣空間，超過(guò)20 μ L后，在背面有明顯的液體流失。因此，20 μL為最佳的點(diǎn)樣體積。

圖3 不同點(diǎn)樣體積的圖片F(xiàn)ig.3 The picture of different sample-spotting volume

2.6 顯色時(shí)間的選擇

KClO3與鹽酸苯胺是一種氧化還原反應(yīng)，需一段時(shí)間才能到達(dá)平衡，考察不同反應(yīng)時(shí)間下顏色的變化。通過(guò)不同濃度KClO3溶液與鹽酸苯胺試劑反應(yīng)，在不同反應(yīng)時(shí)間拍照，觀察RGB數(shù)值波動(dòng)。結(jié)果表明當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，數(shù)字影像RGB數(shù)值基本保持穩(wěn)定。因此，10 min為最佳反應(yīng)時(shí)間。

2.7 拍照條件的選擇

考察不同拍攝模式對(duì)數(shù)碼成像結(jié)果的影響。結(jié)果表明，在不同環(huán)境下（自然光源或不同白熾燈下），以iPhone-LED手電筒提供穩(wěn)定光源拍照，數(shù)碼影像的RGB數(shù)值有所波動(dòng)，但圖片灰度處理后數(shù)值無(wú)明顯變化。分別在自動(dòng)、光圈優(yōu)先、快門優(yōu)先、程序曝光等條件下進(jìn)行拍照，點(diǎn)樣變色區(qū)域以及背景灰度值均無(wú)明顯波動(dòng)，拍照模式對(duì)數(shù)碼影像灰度值影響不大。同時(shí)，圖像灰度處理時(shí)對(duì)光源要求進(jìn)一步降低，滿足現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)要求。本文選擇自動(dòng)模式進(jìn)行拍照獲取數(shù)碼影像。

2.8 數(shù)碼灰度比色法繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

配制50、60、70、80、90 μg/mL的KClO3溶液，與鹽酸苯胺試劑反應(yīng)。10 min后，用普通數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)模式下拍照獲取數(shù)碼影像見圖4，通過(guò)不同軟件處理讀取數(shù)碼影像灰度值。

圖4 不同濃度梯度下變色圖案Fig.4 Color patterns at different concentration gradients

2.8.1 Photoshop-RGBp-RGB灰度處理模式

Photoshop圖片灰度處理，此時(shí)像素點(diǎn)灰度值與RGB數(shù)值相等。每個(gè)數(shù)碼影像讀取10組像素點(diǎn)灰度數(shù)值，求平均值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。KClO3液濃度在50~90 μg/mL范圍內(nèi)像素點(diǎn)灰度值與濃度呈線性（見圖5），線性方程為Y=472.5-5.11X，R2=0.97。

圖5 RGB模式下灰度標(biāo)準(zhǔn)曲線圖Fig.5 Gray scale curve for RGB pattern

圖6 ACDsee-Scion Image模式下的灰度標(biāo)準(zhǔn)曲線圖Fig.6 Gray scale curve for ACDsee-Scion Image pattern

2.8.2 ACDsee-ScionIImmaaggee灰度處理模式

通過(guò)ACDsee9.0軟件，將數(shù)碼影像轉(zhuǎn)化成TIFF格式，Scion Image 4.03軟件讀取指定區(qū)域平均灰度值，KClO3濃度在50~90 μg/mL范圍內(nèi)像素點(diǎn)灰度平均值與濃度成正比，其中Y=-114.9+3.439X，R2=0.99，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（見圖6）。由于“咖啡環(huán)效應(yīng)的存在”，在點(diǎn)樣變色區(qū)域周邊灰度值稍高于中心部位。ACDSee-Scion模式下，灰度積分后平均像素點(diǎn)灰度處理方式有著更佳的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2.9 干擾離子影響及檢出限

在復(fù)雜離子環(huán)境下，此方法在線性范圍 內(nèi) ClO-3溶液的加標(biāo)回收率為90%±5%。當(dāng)溶液中有MnO-4離子存在時(shí)，會(huì)對(duì)結(jié)果造成干擾，需滴加硫酸亞鐵銨溶液予以排除。本方法的定性檢出限為0.95μ g/mL。

3 結(jié) 論

本文以記號(hào)筆墨水配制疏水基，以中速定性濾紙為基底，建立了噴墨打印微流體紙基灰度比色法檢驗(yàn)氯酸鉀的方法。該方法通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)紙基模板，實(shí)現(xiàn)了可視化加工，穩(wěn)定性和重復(fù)性高；將氯酸鉀溶液滴到制備的微流體紙基上反應(yīng)，避免了現(xiàn)場(chǎng)大量溶液的配制，操作簡(jiǎn)單，適合現(xiàn)場(chǎng)篩查檢驗(yàn)；通過(guò)相機(jī)拍照獲取數(shù)碼影像，采用ACDsee-Scion Image處理方式對(duì)圖片進(jìn)行灰度處理，對(duì)變色區(qū)域像素點(diǎn)灰度值積分得到灰度平均值，分析結(jié)果準(zhǔn)確，克服了“咖啡環(huán)效應(yīng)”對(duì)檢驗(yàn)的影響；通過(guò)圖片像素點(diǎn)灰度值確定待測(cè)物的濃度，克服了傳統(tǒng)以RGB數(shù)值彩色波動(dòng)比色法［8］對(duì)穩(wěn)定拍照環(huán)境的依賴。本方法對(duì)操作人員和場(chǎng)地均無(wú)特殊要求，成本低、取樣少、可多組分析同時(shí)進(jìn)行，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、簡(jiǎn)單、便捷的新方法，適合對(duì)煙花爆竹等危險(xiǎn)可疑物品進(jìn)行大面積的現(xiàn)場(chǎng)篩查檢驗(yàn)。

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Determination of Potassium Chlorate with Microfl uidic Paper-based Analytical Devices by Digital Colorimetric Assay

SU Rina1， YANG Ruiqin1，*， YU Aoyang1，2
（1.People's Public Security University of China， Beijing 100038， China；2.National Police University of China， Shenyang 110854， China）

Objective To determine potassium chlorate in suspicious object with microfluidic paper-based analytical devices by digital gray colorimetric analysis. Methods In acidic medium， potassium chlorate reacts with hydrochloric aniline to form stable colored chelate complexes. Hydrophobic barrier was built on fi lter paper through inkjet printer with sensing ink prepared from permanent mark ink. After contacting with sensing ink， the fi lter paper changed into hydrophilicity from hydrophobicity. The pattern with computer was designed， and then printed onto fi lter paper with sensing ink. After evaporation of ink solvent， the colorant， hydrophobic resin remaining in the fi lter cellulose built up a visible hydrophobic barrier. Thus the uniform and stable spotting space had been created. The hydrophobic zone was spotted with 20 μL hydrochloric aniline reagents followed by KClO3solution， each with 10 minutes of air-dry. The image of the spot photos was grayscale processed，and image analysis software was used to measure the gray values of detection zones for quantitative analysis. Some important parameters that influenced the efficiency and the digital imaging result were studied and optimized. Results The results indicated that the concentration of sample was positively correlated with the image gray value. Hydrophilic circle zone was formed after four successive inkjet printings. 20 μL of spotting volume was optimum， and Scion Image 4.03 performed better. A good liner relationship was obtained in the range of 50～90 μg/mL （R2=0.99） with detection limit of 0.92 μg/mL. Conclusions This method can perform quantitative analysis of KClO3at very low cost， and well meet the requirements of site detection due to its simplicity and rapidity.

inkjet printing microfl uidic； potassium chlorate； aniline hydrochloride； grayscale colorimetric assay

DF795.1

A

1008-3650（2015）06-0485-04

10.16467/j.1008-3650.2015.06.012

2015-03-23

蘇日娜，在讀研究生，研究方向?yàn)樾淌驴茖W(xué)技術(shù)。 E-mail： 741573664@qq.com

楊瑞琴，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾淌驴茖W(xué)技術(shù)。 E-mail： 2604419477@qq.com

引用本文格式：蘇日娜，楊瑞琴，于遨洋. 噴墨打印微流體紙基數(shù)碼灰度比色法快速檢驗(yàn)氯酸鉀. 刑事技術(shù)，2015，40（6）：485-488.