CN102781676A - 在多孔基底上制造液体流动引导结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用印刷液通过柔版印刷或凹版印刷来在多孔基底板上制造引导液体的结构层的方法，其中印刷液改变了基底板的性能，从而阻止了印制结构层的区域内的液体流动。印刷层向基板的渗透可通过印刷滚筒的压力和印刷液的组成来进行调节。在上述方法中，可以使用包含经济的聚合物和溶剂的印刷液。就印刷技术而言，本发明能够与现有的印刷机器兼容，因而非常适于大批量生产。

Description

在多孔基底上制造液体流动引导结构的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于在多孔基底板上制造引导液体流动的结构层的方法。
背景技术
在许多多孔基底如硝基纤维素板、纤维素基纸和多孔聚合物板中，液体沿基底板横向地流动。这种流动通常为毛细作用。这种板在诊断领域中已经被开发出多种用途，如在生物传感器和免疫检测的横向流动中。在这些应用中采用了从基底板中切出的条带，其中液体沿条带的整个宽度横向地流动。在样品液体必须被运送至数个反应/检测区的多分析测试中，有利的是形成基底板以使样品液体仅流过板的特定区域，即在板中形成能够引导液体流动的结构层。
可在多孔基底板上采用多种不同的方法来制造引导液体流动的结构层。专利文献US2009/0298191A1（基于图案化多孔介质的横向流动和流通的生物测定装置、其制造方法和使用方法）尤其公开了下述方法：
－基底板用光致抗蚀剂饱和，通过限定了液体通道的光掩膜而暴露在UV光下，且当光致抗蚀剂从液体通道的位置处溶解掉时最终显影。以上述方式创建了用光致抗蚀剂饱和的区域，限定了液体通道的边缘。
－将硬化聚合物如聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂覆在模板上，模板的凸起图案限定了液体通道的边界区。之后将模板压至基底板上，例如压20秒。最后去除模板，聚合物被硬化。
－根据所需的图案，将本身为疏水性的或能使基底板变为疏水性的液体施加在基底板上，这例如可以采用以下方法：经模版喷涂液体、丝网印刷、喷墨印刷或采用绘图仪。
－通过在加热的作用下吸收蜡质，使基底上的所需区域饱和而变成疏水性。
在D.A.Bruzewicz、M.Reches和G.M.Whitesides发表的文献“Low-costprinting of poly(dimethylsiloxane)barriers to define microchannels in paper”（Anal.Chem.,2008,80(9),3387-3392）中，通过采用PDMS溶液作为绘图笔的墨水来制造引导液体流动的屏障线。
除了基于光致刻蚀剂的方法以外，液体流动通道的边缘精度是依据现有技术的前述方法中的一个难题。因为会改变基底板而引导液体流动的液体必然被整个基底板吸收，所以该液体也会同时横向地流动，因而液体流动通道的边缘变得不精确。
在K.Abe，K.Suzuki和D.Citterio发表的文献“Inkjet-printed microfluidicmultianalyte chemical sensing paper”（Anal.Chem.,80(18),6928-6934,2008）中公开了一种方法，其中首先用1.0wt%的聚苯乙烯-甲苯溶液将纸饱和，然后干燥，液体通道最终通过利用甲苯的喷墨印刷所刻蚀成敞开的。这种喷墨印刷通常必须重复10-30次，以便得到足够的刻蚀深度，从而使得在辊对辊生产工艺中难以采用此种方法。
所有依据现有技术的前述制造方法都非常慢，因此难以应用于工业上的大规模生产工艺。在专利文献US2009/029191A1中，估算利用基于光致抗蚀剂的方法图案化单个10×10cm的基底板需要约8-10分钟，而利用模板的方法需要约2分钟。
发明内容
本发明提出了一种新的方法，允许能够经济有效地且快速地在多孔基底上制造引导液体流动的结构层。例如，通过本发明能够在亲水性的多孔纸上制出图案化的液体流动通道。
本发明尤其是建立了一种经济有效且快速的方法，其在液体通道处具有精确的边缘线。
前述目标是通过以下方法实现的，该方法也为本发明的目标，其采用印刷液通过柔版印刷或凹版印刷来在多孔基底板上制造引导液体的结构层，印刷液改变了基底板的性能，从而阻止了印刷成的结构层的区域内的液体流动。
更具体地说，根据本发明的方法的特征之处如权利要求1的特征部分所述。
本发明的一个显著优点在于，就印刷技术而言，其能够与现有的印刷设备兼容，因此非常适于大批量生产。
本发明还具有包含聚合物和溶剂的简单溶液或大致由其组成的溶液比例如在现有技术的方法中使用的商用光致抗蚀剂更经济的优点。
本发明的实施例提供了其他的显著优点。
根据一个实施例，印刷液向基底板深度方向的渗透可通过调整印刷滚筒与基底板之间的压力来调节。通过采用适当的印刷滚筒压力以及使印刷液具有适宜的粘度，印刷液的溶剂就会挥发迅速，保持印刷液的横向扩散少，因而引导液体流动的结构的边缘区变得分明。印刷液的性能也可通过采用具有多种不同沸点的溶剂来进行优化。印刷液向基底板的渗透可通过印刷多个相互间叠置的印刷液层来增强。
如果基底板很厚，以致印在正面的印刷液层不能渗透过整个基底，那么可以在基板的背面上印刷图案化的或均匀的印刷液层。当印在前面和背面上的印刷液层相接触时，得到了能够引导液体流动的结构层。当本发明用于制造液体流动通道时，印在背面的均匀的印刷液层具有能够同时作为保护层的优点，其能够阻止液体从基底的底表面逸出。
附图说明
以下参照附图来对本发明的实施例和其他优点进行更详细的阐述。
图1显示了根据本发明的一个实施例的结构；
图2显示了所制成的引导液体流动的结构层的示例；
图3显示了采用根据本发明的方法所制造的微量滴定板的示例；
图4a显示了根据本发明的一个实施例的结构的示意性侧剖视图；
图4b显示了根据本发明的第二实施例的结构的示意性侧剖视图；
图5说明了以不同方法制造的液体通道中的液体流动；
图6说明了所制成的结构区的宽度对其阻止横向液体流动的能力的影响。
具体实施方式
图1说明了根据本发明的一个实施例的结构。在基底板1上形成了结构层2，由于该结构层的作用，使得基底板中的液体只能沿着液体流动通道3向检测或反应区4流动。样品液滴5施加于流动通道的交叉点6处。结构层2在厚度方向上延伸过基底板的整个深度。
例如，可采用溶解在有机溶剂中的聚合物如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或纤维素醋酸酯作为印刷液，其用于使基底板形成为阻止了液体在印刷层的区域内流动。其他可用的物质为炔烯酮二聚体和交联的聚乙烯醇PVA。由于聚苯乙烯不需要热处理并且是完全生物相容的，因此优选聚苯乙烯。
优选使用由有机溶剂中制得的印刷液而不是水基印刷液。这是因为水的作用与有机溶剂的作用相比通常更容易破坏纤维素基基底的多孔结构。该溶剂例如可以是甲苯、二甲苯或其混合物。
溶液中的聚合物的量例如可以是1~40wt%。
根据一个实施例，使用了具有相对低的聚合物浓度的印刷液，优选2~10wt%，更适宜3.5~7wt%。通过采用较低的浓度，通常能够实现更大的结构深度，但基底中聚合物的最终浓度相应较低。这可以通过增加印刷层的数目来补偿。根据一个实施例，在如此低的聚合物浓度下，至少设有两个印刷层。
根据第二实施例，使用了相对高的聚合物浓度，优选10~40wt%，更适宜15~35wt%。在试验中已观察到，在配置有特别低分子量的聚合物如聚苯乙烯的印刷液中，处于该浓度范围内的粘度仍然足够低，以用于采用依据本发明的印刷方法进行印刷，并且其仍然能够很好地渗透到基底的孔中。另外，由于短链的原因，在很多情况下所印刷的结构的性能要优于采用具有较长链的聚合物材料时的性能。尤其是，这种材料可形成致密的屏障层。因此，低至单次印刷可能就足够了。
所采用的聚合物的分子量例如可以是2500~500000。如果印刷液中聚合物的浓度大于10wt%，则优选采用分子量最高为250000的聚合物，尤其是最高为100000的聚合物。例如，在试验中采用了20wt%的浓度，可以观察到平均分子量约为35000的双峰聚苯乙烯在所形成通道的液体导向能力方面产生非常好的印刷结果。然而必须注意，最佳的分子量不仅取决于浓度，还取决其他因素，如基底材料、预计用在通道中的材料，以及最终用途。
图4a示意性显示了根据本发明的一个实施例的结构。在基底40上印制了第一疏水性印制区42a和第二疏水性印制区42b，在它们之间仍保留有未印制的亲水性样品区44。由于印制区42a和42b的存在，传送至样品区44的液体将保留在上述区域中。
流动通道的宽度通常为30μm~5mm，尤其是0.25~4mm。
可设置一个印刷层或多个相互间重叠的印刷层。一般采用1-3个印刷层。通过采用相互间重叠的多个层，聚合物能够深入基底，以增强印制结构的液体引导作用。通过增大印制基底与印刷滚筒之间的压力，也能够得到类似的作用。
聚合物浓度、印刷压力和印刷次数优选选择成使得可以得到延伸至基底的整个深度的结构区。
如图4b所示，可在基底的背面上印制均匀的或局部的层46。此层通常遍布样品区44的整个宽度，且避免了液体在基底的厚度方向上流出。因此，除了横向屏障层42a和42b外，该结构中还具有深度方向上的屏障层46。同时，提高了横向的液体引导作用，并减少了对印刷层或基底正面上的压力的要求。还有的优点是，由于降低了毛细作用的体积，所以大幅地降低了对样品的需求。这也有效地抑制了异物从基底的底部（如台顶）向样品区的移动。
根据一个实施例，在印制于基底背面上的屏障层46中设有开口，用于将样品供应给样品区44和/或从中移出，例如移至位于第一基底上的第二基底。
其中水基样品可横向地扩散的任何多孔物质都可用作基底。这种基底例如为硝基纤维素板、纤维素基纸和多孔聚合物板。尤其是，可以使用为此目的设计的色谱纸。
图2显示了在由桉树纤维制得的纸（50g/m2）上制出的引导液体流动的结构层的示例。由于结构层6的作用，液体只能沿液体通道7-11流动。通道7为4mm宽，而通道11为0.25mm宽。在图中，已经通过毛细作用在通道中扩散并用食品颜色着色的水滴12施加于液体通道中。通过柔版15印刷相互间重叠的三层5wt%聚苯乙烯-二甲苯溶液的印刷层，从而在纸上形成了引导液体流动的结构层6。使用RK Flexiproof100装置作为印刷设备。印刷速度为60m/min。优化印刷滚筒的压力以得到最好的结果。如果在纸的背面印刷单个均匀的印刷液层，则正面上的单个图案化层将足以用于建立成图案化的液体通道。
图3显示了在由桉树制得的纸（50g/m2）上制出的微量滴定板的示例。该纸含有直径为7mm的样品井14，在每个样品井14中施加了20μl的用食品颜色着色的水。以与图2的实施例中同样的方式，在样品井的周围形成了引导液体流动的结构层13。
图5显示了样品溶液在以不同方法制得的液体通道中的扩散。采用聚苯乙烯-二甲苯(PS-XYL)溶液和聚苯乙烯-甲苯(PS-TOL)溶液，当采用聚合物浓度为5wt%和至少两个印刷层时，得到了对样品（用食品色着色的去离子水）的最佳引导作用。在图中的所有示例中，溶液区的宽度为1mm。
图6显示了屏障区的横向宽度对液体的毛细流动的影响。将5wt%的聚苯乙烯-二甲苯溶液在色谱纸上印制成100~800μm的环（内环）。在环内施加了5μL的着色的去离子水。已观察到，采用约400μm的结构宽度可以完全阻止向屏障区的横向流动。通过优化印刷工艺和材料，有可能实现甚至约100μm的结构，而这已足够紧密了。
根据一个实施例，在得到了液体流动引导结构的同一印刷工艺中，还可在基底上印刷用于诊断的生物分子或其他试剂。因此，例如使用辊对辊方法能够很容易地制造整个分析装置。

Claims (15)

1.用于在多孔基底上制造引导液体流动的结构层的方法，其特征在于，所述结构层采用印刷液通过柔版印刷或凹版印刷形成，其中所述印刷液改变了基底板的性能，从而阻止了印制结构层的区域内的液体流动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，印刷液到基底板的渗透通过印刷滚筒压力、印刷次数、印刷液溶剂和/或印刷液粘度来进行优化。
3.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述印刷液包含聚合物，例如聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇或纤维素醋酸酯。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，采用一种或多种有机溶剂如甲苯或二甲苯作为印刷液溶剂。
5.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，印刷了多个相互间重叠的印刷液层。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，印刷液印刷在基底板的两面上。
7.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在基底板的正面印刷了一个或多个图案化的印刷液层，并在背面印刷了一个或多个均匀的或图案化的印刷液层。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所印制的结构层延伸至基底的整个厚度。
9.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在基底的第一面上印制至少两个相互间隔开的印刷层，以用于在结构层之间创建横向流动通道。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在基底的第二面上印刷至少延伸过横向流动通道的整个宽度的均匀的结构层。
11.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，在基底的横向方向上的结构层的宽度至少为100μm。
12.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，
印刷液包含聚苯乙烯，
印刷液包含作为溶剂的甲苯、二甲苯或其混合物，
印刷液中的聚苯乙烯的份额为2.5~40wt%。
13.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所印制的结构包括：
由所印制的结构层限定的多个流动通道，
位于流动通道的交叉点处的施加区，
与各流动通道相连的检测或反应区。
14.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，印刷液包含2.5~10wt%的聚合物。
15.根据权利要求1~13中任意一项所述的方法，其特征在于，印刷液包含10~40wt%的聚合物，其平均分子量最高为250000，优选最高为100000。
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