3D打印在分析化学中的应用研究

吴少尉，靳兰兰，谢义梅，刘信平，魏世勇，吴齐越

(1.湖北民族学院化学与环境工程学院，湖北恩施 445000；2.中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北武汉 430074；3.国家富硒产品质量监督检验中心,湖北恩施 445000)

1 引言

近年来报道[1 - 4]火热的三维打印(3D Printing)技术是一种以计算机三维设计数字模型文件为基础，运用弹性水凝胶[5]、金属及非金属材料[6 - 8]、陶瓷粉体材料[9]或树脂塑料[10 - 12]、生物组织[13 - 15]等特殊可粘合材料，借助光固化和纸层叠等方式逐层打印，以快速成形构造物体的技术。该技术最突出的优点是无需任何模具或过多机械修饰，就能直接从计算机图形数据中生成任意形状的物体，从而极大地缩短物品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。它与平面打印机工作原理基本相同，在电脑软件驱动控制下，打印材料通过激光烧结或者熔融挤压成型(Fused Deposition Modeling,FDM)，最终把屏幕上的蓝图变成实物。这一技术如今在教育实训[16]、工程设计建造、汽车、航海航天、珠宝饰品、地理信息系统及医疗等众多领域得到青睐应用，甚至一些食品也可通过3D打印制作[17 - 19]。

仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的分析测试技术，是分析化学最为重要的组成部分及其发展方向。而化学、物理学、数学、计算机科学、精密仪器制造科学等学科的发展推动着分析仪器的更新发展。而3D打印技术正好也是上述五们学科的交叉综合体现，故3D打印技术的出现，应更迅速地引入分析化学中，相互渗透广泛研究。分析化学中的原理概念和仪器设计理念可以实时地转化为实物，并把科学进程可视化展现，表现出灵活多变的设计和建模，深入探究器件空间构型及分析性能。使分析仪器从微型化、自动化、智能化、专一化到各种仪器分析方法的集成联用大发展，最大限度地获得设计经验和直接动手研制机会，快速实现创新设计理念，培养创新思维能力。打印仪器的日臻完善，更新换代的提升应用，逐步推动科技进步。本文侧重从色谱、电化学、光谱及质谱仪器分析等方面评论近年来3D打印在分析化学中的应用研究，为仪器分析的科学研究提供借鉴参考，以使3D打印技术和分析化学学科交叉融合协同发展。

2 3D打印在色谱仪器分析中的应用

色谱分析仪器的关键部件在色谱柱，它保证实现复杂样品的理想分离，这也是色谱分离科学研发的永久方向。借助计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)软件设计八面体微珠填充成的简单立方体结构，整体形成了六角形平行或人字形排列的通道。经过紫外光固化丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂3D打印完整有序柱床[20]，精确界定及控制填充物形态，高保真地制作了多孔介质色谱柱，包括柱内流速分布器和色谱柱头连接部位一并制作成功。停留时间分布测试表明柱床按照所设计的有效容积行为保留。错流分布器使流速在整个柱内横截面保持一致。3D打印色谱柱不仅有助于流体在多孔介质中的基础理论研究，也提供了色谱柱的制作新方法。这种3D打印柱床的方法也可延伸于存在固、液两相接触作用的过滤、催化、吸附等过程研究。用一块5×30×30 mm长方体钛合金(Ti-6Al-4V)选择性激光烧结3D打印色谱柱微通道(600×0.9 mm i.d.)，甲基丙烯酸丁酯结合乙二醇二甲基丙烯酸酯整体聚合在通道内来制备色谱柱。辅以不连续变温洗脱，较好地应用来分离完整的肽和蛋白质[21]。这种3D打印设计新型色谱柱联合直接接触热传导体系将来会在便携式色谱仪器开发上发挥重要作用。Wang等[22]通过3D打印制作了一个完整的自动分离N型多糖的实验平台，从糖蛋白中释放出的寡糖经过荧光标记，高效液相色谱(HPLC)分离，辅以质谱鉴定检测，提升了样品通量和分析重现性。为研究生物过程中糖蛋白的生理作用提供了一个快速高通量的工具。Mardani等[23]考察选择了与普通溶剂化学兼容的聚合物材料，3D打印制作法兰连接的模块盘绕型蒸馏柱，柱的微细填料也通过3D打印一并制作。蒸馏柱以全逆流和连续流的模式分离己烷和环己烷的二元混合物。在它们沸点温度测定了柱子的热损失。通过气相色谱(GC)在线分析逆流和顺流液中的组成成分。用一个悬浮液计量仪[24]取代3D打印机的热塑喷头，优化打印参数，打印制作0.2 mm厚并带有40个平行微通道的10×10 cm薄层硅胶板，通过平面色谱实现了一次分离40个混合染料样品，成本低廉简便快速。Yu等[25]借助3D 打印薄层色谱分离成像分析的便携式篮架，相对于紫外灯和磷光剂薄层色谱板安放手机摄像头于确定位置，斑点位置及图像强度分别用于奈韦拉平、阿莫地喹、醋氨酚等药物的定性和定量分析，分析结果媲美于商品台式薄层色谱密度计的分析性能。高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)强的分离分析能力与灵活多变的微型前处理芯片的组合靠合适的界面来实现，Liu等[26]3D 打印制作HPLC-MS与微流控芯片的在线联用多流路界面，无需修正，直接与HPLC的自动采样针连接，且匹配于水溶性和醇溶性样品分析，终端用户易于重现制作。

毛细管电泳(CE)也是一种适用于带电物质的分离分析技术，除了紫外或荧光检测外，还可通过3D打印制作接口支撑架[27]，配备电容耦合非接触电导检测更加简便，免除了电渗流标记物使用，灵敏检测出的谱峰相比于电喷雾电离质谱检测器，谱峰展宽小，尖锐对称。Prikryl等[28]3D打印制作CE分离后的LED荧光检测器，由检测头和检测池组成，寡糖分离后荧光检测，检测效果可以对比上光电倍增管和半导体光二极管检测器，降低了生产成本，容易重复制作并模块化组装。微型自由流动电泳装置[29]也可用ABS树脂熔融沉积3D打印制作，用来分离肌红蛋白和细胞色素C的效果可以匹敌常规玻璃电泳槽。CE分离与MS检测仪之间的喷雾进样接口设计直接影响着信号强度和离子流色谱峰提取的重现性，Anna等[30]应用白色聚乳酸材料通过FDM方式3D打印制作一个可变角度打磨抛光装置，用来研究纳升喷雾毛细管尖端角度对喷雾进样效能的影响，5度尖角的打磨抛光，得到好的对称度，提高了平整面并降低了润湿性。3D打印重复制作纳微喷雾尖端可以方便地在实验室快速进行，现制现用。

3 3D打印在电化学仪器分析中的应用

电化学分析包括电导、电位、库伦及伏安分析等仪器分析方法，在分析仪器朝向微型化和便携式等方向发展趋势下，微流控芯片(Microfluidic Chip)研发是分析家把化学、生物学和医学等检验过程的样品处理、反应、分离、检测等单元操作整合研制到一块微米尺度的芯片上，也可称作微全分析系统(μTAS)等。人们可用粉体材料喷墨或细丝熔融沉积3D打印制作结构复杂、整体紧凑的微尺度装置来完成相应的分析任务。

采用聚乳酸(PLA)材料熔融挤压3D打印[x、y和z]分别为42.64、14.95 和4.87 mm微流控芯片[31]，配以工作、参考、辅助三电极和接管，借助CdS量子点标记流感病毒，结合顺磁性颗粒分离，微分脉冲伏安法检测Cd的增强信号，进而实现对流感抗原的电化学检测。Schimo等[32]设定0.3 mm的空间分辨率选择性激光烧结聚酰胺3D打印，连同ABS树脂熔融沉积3D打印制作双流通电解池，精确控制铝箔工作电极和镀金不锈钢螺纹棒对电极之间的距离，即可调节铝箔片表面电解质底液的流动轮廓和电极间的场强，通过双流通电解池氧化阳极铝箔的两侧面，均匀定位制造了孔间距210 nm 和孔径50 nm透过性好的铝膜，用于湿度传感，3D打印重现性好和成本效益高。Lu 等[33]用石墨烯片和纳米金颗粒修饰丝网印制电极，生物酰化素单克隆附睾特定蛋白4抗体联结到链霉亲和素改性的磁微球上，牛血清白蛋白封堵磁珠上非特异性结合位点。生物酰化的附睾特定蛋白4抗体微球再沉积在丝网印制电极上制备了电化学免疫传感器，连同一个激光烧结3D打印的电磁检测器来酶联免疫分析人附睾特定蛋白4，拓宽了动态范围，改善了重现性，可用于临床分析诊断。用聚酰胺这个热稳定性好，机械和化学稳定性好，并且生物兼容性也较好的聚合物来激光烧结3D打印恰当的版块槽和振摇瓶盖帽支撑体[34]，完整地嵌入压电微流泵和微型螺旋阀组合一个可以在线测量酸碱度、溶解氧和生物量的多路传感平台。各种微生物培养条件下，pH控制精度可以达到0.1个单位。Lee等[35]3D打印了旋流器和梯度发生器等微流装置来处理细胞，对3D打印的分辨率、准确度、重现性、表面粗糙度、亲水性及生物兼容性等做了考察表征。3D打印技术在微流控装置制作[36]、化学和生物化学分析[37]中的应用及3D打印微流控芯片的优势和局限性[38 - 39]相继评论报道。以下表1从3D打印方式、打印材料、制作物件、目标分析物等方面总结出3D打印在电化学仪器分析中的实际应用。

表1 3D打印在电化学仪器分析中的应用

4 3D打印在光质谱仪器分析中的应用

在紫外-可见分光光度分析中，Pisaruka等[47]采用ABS树脂或者聚乳酸材料，优化打印参数，3D打印制作水浴加热的比色样品池。匹配于设计打印的吸收池，拓宽了可使用的比色溶剂范围，通过测定十二烷基硫酸钠的40 ℃溶液的临界胶束浓度，硝酸钴和鲑鱼精子DNA 的摩尔消光系数，氯化钴与水和异丙醇的混合溶液的热致其紫外-可见光谱的重现变化均证明了打印池的效能，成本低廉，通用性好。Choi等[48]用石蜡在0.18 mm厚的层析纸上打印疏水的栅栏屏障，在栅栏间形成直径4 mm注射区和21×1.8 mm2样品通路的半哑铃型微流体分析装置。在可折叠重合的上层纸预加载上比色指示剂和生物溶液，并干燥形成一定间距的圆形或方形检测区，在下层纸上注入样品溶液后，就将上层纸折叠重合起来，待显色反应结束后，可用扫描器、数字显微镜或者可照相手机对检测区的图像颜色变化程度进行比色分析，可对于1.5～75 μmol/L的蛋白质和0～250 mmol/L的葡萄糖进行线性检测。在3D打印机平台上，以各种分析用层析纸或滤纸为底板，打印制作微流体纸质分析装置，用来现场比色分析微量铁[49]，重金属离子Cu(Ⅱ),Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Cr(Ⅵ) 的含量[50]，测定钙镁硬度[51]以及用于葡萄糖，乳酸盐和尿酸等生物标记物[52]的多路同时检测，通量高，成本低，简便快速。以ABS树脂为主体材料，丙烯酸基感光聚合物做支撑材料，3D打印制作具有“T”型微通道的流路体[53]，空气和水等流体可以间隔相继流入，并在水平流路另一端上下设计打印一定宽度，互成一定角度的光通道。在其中引入折光指数较大的聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成光流体控制转换的微型开关，当以一定入射角进入光路的激光在三光路与流体流路交叉作用点位，在水和空气等流体间隔流入时，会在一定角度方位检测到折射光信号，进而达到在两阀间转换控制目的。Tyson等[54]用PLA材料3D打印鼠脑组织切片室，薄片厚度灵活可控，易于清洗，用ABS材料熔融沉积3D打印着色成像室，切片可以在池内进行抗体着色并通过共聚焦成像和荧光显微分析。切片室和成像室均能按照实验需求设计打印制作出来，相比于聚丙烯酸和不锈钢材质的商品化切片室，其适应性，灵活性，重复性以及成本效益均占优。

光谱及质谱检测仪器与各种分离方法的在线联用技术成为分析复杂体系的强有力手段。Su等[55]通过3D打印制作一个微型上载和进样阀，该阀由下层的底座定子和上面内带定量管的转子两部分构成，底座定子呈倒圆锥性状，在圆锥曲面同一高度上打印4个微通道，两两相对并互相垂直，粘结上聚四氟乙烯导管，一路可用于连续输送电感耦合等离子体(ICP)的载流，另外一路此时与转子上的定量管导通，转子定量管一端又与微渗析探针相连，探针扎入活鼠脑海马体组织内，用于收集处理细胞间的微渗析液样品，每6 min收集一次，然后把定子旋转90°，在线联入蠕动泵流动注射单元及ICP-MS之间，实时动态测定活鼠脑细胞间渗析液中微量元素Ca和 Zn含量，并在N-甲基天冬氨酸盐刺激神经作用下，监测了活鼠脑生理反应后细胞间液中Ca和 Zn含量动态变化，符合生理生化研究实验结果。3D打印制作可以灵活控制阀内定量管容量，优化进样体积是5 μL，在线流动进样检测时，生理盐水造成的基体效应小。3D打印微型上载和进样阀部件创建了蠕动注射和ICP-MS合适的界面微接口。使用热塑性好的ABS细丝逐层熔融沉积3D打印微型高压喷雾[56]进样装置。花费0.3元，耗时20 min所打印的进样装置主要由一个3 mm 直径的样品液储槽连接一个3 cm 长，500 μm 宽和500 μm深的微通道构成。在微通道的端头插上一个0.5 cm长×ca. 0.5 mm宽的纸尖端，在含有0.1% 甲酸的甲醇介质样品溶液储槽上施加4 kV高压，形成了稳定的喷雾电离，可直接进到3 mm外的质谱仪入口中。定性分析了圆珠笔墨水，咖啡因，木糖和溶解酵素样品。3D打印快捷优化制作微型进样装置理念有望用到许多生化分析进样系统研发。使用丙烯酸塑料为打印材料，石蜡做支撑材料喷射3D打印化学发光检测流通池[57]，辅以精度铣抛处理，在同一块聚合物芯片上分成两个独立的检测区带。借助酸性高锰酸钾与吗啡和一系列肾上腺素酚胺的快速化学发光，用于流动注射分析和HPLC分析检测上，发射光强的检测均高于传统的圈式导管检测体系。这可能是白色透明的聚合物材料打印的流通池对发出的光更好地传输到了光电倍增管检测器。检测区带的定位也提高了重现性。用聚乳酸3D打印一些圆柱体，立方体，半球体状的空穴井[58]，作为解析电喷雾电离质谱分析中的样品支撑井体，可以容纳不同物理状态的样品。并分析了溶液状态中和壳聚糖凝胶样中的胰岛素和硫酸庆大霉素目标分子，同常规聚四氟乙烯支撑体相比，分析信号增强了2～5倍，稳定性也提高(RSD<6%)，分析的检出限和线性范围都得以改善。这激发了探索3D打印技术的优势，用于研发解析电喷雾电离离子源装置，并用于药物和化妆品剂型配方的快速表征，活性成分分析。以下表2从3D打印方式、打印材料、制作物件等方面总结出3D打印在光谱及质谱仪器分析中的实际应用。

表2 3D打印在光谱和质谱仪器分析中的应用

5 展望

3D打印技术未来我们认为可从以下角度去思考探究其在分析化学中的应用潜力：(1)精心打印制作分析仪器的各个单元部件，改善其分析性能，借助3D打印工艺直接将进样单元、分离单元及检测单元集成为紧凑的便携式分析仪器。(2)用于微全分析系统的芯片3D打印以及微型分析装置制作尽量一次成型，受限于目前的3D打印精度(约为几十至100微米)，有时需要另外抛光处理，减小死体积并提升与微量分析体系的匹配性和兼容性。随着打印精度的提升，材料科学和分析化学的发展，以后可能会实现微流体芯片上特定抗体或一些反应物等的同时打印，甚至达到分子簇的拼装打印。(3)结合色谱、光谱和质谱、电化学等仪器分析检测原理和对像，3D打印制造专属性测试分析仪器。(4)无论采用熔融沉积、微滴喷射光固化、喷射粘结剂粘附颗粒、还是选择性激光烧结3D打印成型等方式制造。就现今使用的打印材料看，打印温度一般都比较高，至少100 ℃以上，开发与分析体系介质兼容性好的新材料，优化选择打印方式及工艺，降低打印温度，增强使用的安全性，还有很大研究空间，3D打印机的研制尚需与多学科协同发展，争取性价比高的的桌面式3D打印机早日成为分析实验室的标配。