《Talanta》：Design and development of lab-on-a-centrifuge based on liquid-core waveguide enhancement technology for colorimetric detection of soil Cr(VI) from sample-to-answer
Bingyu Mu|Xing Na|Zhengqin Shi|Zhe Liu|Jixin Liu
中国农业科学院农产品质量标准与检测技术研究所农产品质量安全国家重点实验室，北京 100081，中国
摘要
快速、灵敏地检测土壤中的六价铬（Cr(VI）对于环境监测和人类健康风险评估至关重要。便携式、高度集成化的检测设备在现场六价铬分析方面具有广泛的需求。在这项工作中，成功设计了一种基于离心液芯波导（LCW）的高灵敏度检测系统。该系统依靠离心力实现整个过程的自动化，包括土壤六价铬提取物的过滤、样品引入、比色反应、信号检测以及废液排放。使用Teflon AF 2400材料制成的长光路样品池来提高灵敏度，同时利用离心力去除检测液路中的气泡，显著提高了检测稳定性（提高了6.75倍）。设计了π形检测液路结构以避免使用泵和阀门，从而最小化死体积。创新性地采用了旋转最大检测方法来减少连续操作时的测量误差。在优化操作条件后，单个样品的检测可以在10分钟内完成（不包括提取时间）。该系统对水中的六价铬的检测限（LOD）为3 μg/L，线性范围为10至150 μg/L（R2 = 0.9987）。土壤中六价铬的理论检测限为0.3 mg/kg。通过准确分析认证参考物质和真实土壤样品，验证了该系统的可靠性和实用性。这项工作为现场快速、高灵敏度地定量检测土壤中的六价铬提供了精确的解决方案。
引言
铬是地壳中相对丰富的元素，在各种工业过程中得到广泛应用[1]，[2]。在土壤中，铬主要以三价（Cr(III)）和六价（Cr(VI)）两种氧化态存在。六价铬具有高毒性、强致癌性，并且容易在生物体内积累，可通过皮肤接触和食物链对人类健康造成严重威胁[3]，[4]，[5]。因此，准确测定土壤中的六价铬含量至关重要。比色法因其操作简便和结果直观而适用于现场检测[6]，[7]。然而，土壤基质干扰严重影响了测定的准确性[8]。虽然稀释可以减轻这些干扰，但不可避免地会降低灵敏度。现有的标准方法提取程序繁琐，设备复杂，无法直接在现场应用[9]。因此，开发一种简单且高灵敏度的现场土壤六价铬分析设备尤为重要。
离心微流控技术为传统的实验室技术提供了有吸引力的替代方案，在现场需求检测领域受到越来越多的关注。离心过程涉及三种力：离心力、科里奥利力和欧拉力[10]，[11]，[12]。这些固有力使得无需外部压力源即可实现混合[13]、反应[14]、计量[15]和储存[16]等各种复杂操作。Oksuz等人[17]早先利用离心力实现了微通道中的血浆分离和细胞计数。Cai等人[18]依靠离心力完成了不同大小液滴的分选和洗脱。Steigert等人[19]设计了一个用于血液酒精检测的离心平台，整个过程仅需150秒。此外，Duffy等人[20]，[21]将基于CD的微流控系统与低成本光学检测相结合，通过将发光二极管（LED）与光电二极管（PD）配对来测定水中的磷酸盐和六价铬。然而，在盘式检测领域，现有研究通常将光源和探测器设计成垂直于离心盘的方向，导致光路较短，灵敏度受限[22]，[23]，[24]，[25]。此外，土壤基质复杂，通常需要稀释才能实现准确检测，这进一步增加了对光路长度的需求。
基于全内反射（TIR）原理的液芯波导（LCW）可以有效增加光路长度并提高检测灵敏度[26]，[27]。在这项工作中，我们使用了仅由Teflon AF 2400材料制成的I型LCW，以避免高背景信号。I型LCW具有两个重要特性：（1）低折射率（RI）。Teflon AF 2400的折射率（1.29）低于水（1.31），这意味着光信号可以在LCW壁上传播并得到增强，从而提高分析灵敏度[28]，[29]；（2）高气体渗透性。Teflon AF 2400材料的气体渗透性是聚四氟乙烯的300倍，适用于多组分气体的分离[30]，[31]，[32]。Teflon AF 2400由四氟乙烯和2,2-二氟甲基-4,5-二氟-1,3-二氧化物组成，其结构（CF?-CF?）n特性使其具有化学惰性[33]。因此，研究人员将LCW用作液体路径、光路和信号增强工具，广泛应用于光谱分析（如吸收光谱[34]，[35]、荧光检测[36]，[37]和拉曼光谱[38]，[39]）。必须防止LCW受到气泡的干扰。气泡的存在会阻挡光信号的传输，导致检测结果不准确。文献中报道的现有气泡去除方法基于两种原理：正压或负压[40]，[41]，[42]。这两种方法都需要使用泵和阀门，结构复杂，且具有较大的死体积。基于Teflon AF 2400材料的气体渗透性，利用离心力去除气泡是一种新的方法。
在这项研究中，成功设计并开发了一种基于离心LCW增强技术的便携式现场高灵敏度检测设备。该系统依靠离心力驱动整个过程。设计了π形检测液路结构以最小化死体积。使用Teflon AF 2400材料制成的长光路样品池来提高灵敏度，同时利用离心力去除气泡。采用旋转最大检测方法减少测量误差并实现连续操作。此外，还集成了一个低成本的光学系统，包括LED和PD用于信号测量。通过对认证参考物质和真实土壤样品的准确检测，验证了该系统的稳定性和实用性。
材料
实验中使用的LCW由Teflon AF 2400材料制成（外径1.6毫米，内径1毫米），购自Biogeneral Inc.（美国加利福尼亚州圣地亚哥）。六价铬标准溶液（GBW(E) 080257）和用于测定土壤中六价铬的认证参考物质（GBW 07583）购自中国国家计量院（北京）。硫酸（CAS: 7664-93-9）、丙酮（CAS: 67-64-1）和磷酸（CAS: 7664-38-2）购自中国国家...
离心过滤/显色发展室的设计与评估
土壤六价铬提取物中含有的杂质会干扰后续的比色反应，需要通过离心去除。为了确保结果的准确性和重复性，在进行反应之前必须等待所有提取液通过过滤膜。因此，研究设计了一个离心过滤/显色发展室（采用3D打印技术制造，一次性使用）。该结构具有较低的旋转速度...
结论
本研究成功开发了一种基于离心LCW增强技术的高灵敏度检测系统，用于快速自动化分析土壤中的六价铬。整个过程（从土壤六价铬提取液过滤、样品引入、比色反应、信号检测到废液排放）均实现了自动化，减少了人为操作引起的误差。使用Teflon AF 2400材料制成的样品池，显著提高了光路...
作者贡献声明
Jixin Liu：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Zhe Liu：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验研究。Bingyu Mu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。Zhengqin Shi：软件开发、数据管理。Xing Na：监督、资源协调、方法学设计
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢北京Ability Technology有限公司在本研究中的财务支持和技术协助。
