CN102914536A - 一种图案化多层阵列纸芯片和制备方法及其应用 - Google Patents

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郑国侠
李雅杰
王云华
魏俊峰
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本发明提供了一种图案化多层阵列纸芯片和制备方法及其应用，该图案化多层阵列纸芯片正面、背面与内部均为蜡区域与滤纸区域交替出现、亲水区域和疏水区域交替出现的结构；其制备方法是用电脑设计好所需要的图案，然后用打印机将蜡打印到未处理的滤纸表面，将打印好的图案化多层阵列纸芯片放入高温容器中烘烤，然后取出冷却，经过装备后即得到蜡图案化的图案化多层阵列纸芯片。本发明应用于应用于环境污染物的高通量、快速检测，如水体中和经适当处理的蔬菜等农产品中重金属离子的分析测定；本发明制作方法简单、直接、成本低、制作速度非常快，非常适合于大规模制作图案化多层阵列纸芯片，具有商业前景。

Description

一种图案化多层阵列纸芯片和制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及到微流控芯片技术与环境污染物分析、检测领域的相关研究，特别提供了一种图案化多层阵列纸芯片和制备方法及其应用。
背景技术
芯片是微流控芯片研究的一个基础和关键，芯片的材料和设计决定了它所被赋予的功能。常见的微流控芯片所使用的材料包括硅、石英、玻璃和有机聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。随着芯片研究的不断发展，芯片的材料也在逐步扩展，2007年初哈佛大学Whitesides小组首次尝试将纸作为一种微流控芯片的制作材料。纸材料具有一些特殊的优点如：（1）成本低廉：适合制备一次性使用的芯片；（2）组成纸的纤维素可吸收水分：表面张力可以作为整个芯片的驱动力，无需外界动力源；（3）纸具有可燃性：纸质芯片在完成分析功能后可以采用燃烧的方法安全处理，不会留下生物垃圾。
目前文献报道的纸质微流控芯片（纸芯片）制作方法如光刻法、等离子处理法等均存在着过程繁琐、制作成本高、速度慢和难以批量生产等缺点，无法满足纸芯片一次性使用的要求。也有使用喷蜡打印的方式，但都是单层芯片，单次实验给出的信息量较少、通量低。虽然，纸芯片的研究目前正处于初级发展阶段，工作仍集中于芯片制作方法和芯片检测技术。但由于其材质上的特殊优势，纸芯片或可成为微流控芯片领域的重要平台技术之一，在现场检测、快速分析等领域提发挥优势作用。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种图案化多层阵列纸芯片，该芯片具有显色反应阵列，可在同一块芯片上给出大量检测信息，具有高通量的特征。
本发明的另一目的在于提供上述芯片的制备方法，以解决现有技术存在的制作过程复杂、成本高、所需仪器昂贵等问题。
本发明的再一目的在于提供上述芯片的应用。
  本发明提供的图案化多层阵列纸芯片，其特征在于：纸芯片是由正方形滤纸层和双面胶层交替重叠构成的层状结构，每层滤纸留有作为渗透液体的滤纸区域外其余部分为浸透蜡的蜡区域；其中最上层滤纸层为滴加层，具有样品滴加入口的滤纸区域，外围的其余部分为浸透蜡的蜡区域；最底层滤纸层为显色反应层，具有滤纸区域的显色反应单元阵列，显色反应单元阵列的各单元滤纸区域带有分析试剂，显色反应单元阵列的各单元滤纸区域外围的其余部分为浸透蜡的蜡区域；中间各滤纸层，是下一层滤纸层具有将上层滤纸区域渗透下来的液体向至少两个方向湿润分散通道形状的滤纸区域，外围的其余部分为浸透蜡的蜡区域，与显色反应层上面相邻的滤纸层具有的湿润分散通道形状的滤纸区域端部分别与显色反应层各显色反应单元上下对应；各层双面胶层具有连通上下层滤纸层滤纸区域的液流通道，液流通道内填有粉末状纤维素。本发明的滤纸层中，根据结构需要，保留的滤纸区域也称亲水区域，浸透蜡的蜡区域也称疏水区。
本发明提供的图案化多层阵列纸芯片，其构成图案和滤纸层数可依照不同检测需求进行分别设计。
本发明提供的图案化多层阵列纸芯片制备方法包括如下步骤：是用电脑设计所需要的图案，然后用喷蜡打印机将蜡打印到未处理的滤纸表面，将打印好的滤纸放入烘箱中烘烤，让打印的蜡在滤纸上融化并侵染滤纸形成封闭的蜡区域，未被蜡侵染的滤纸部分形成亲水区域，取出滤纸，冷却，即得到蜡图案化的滤纸层；在芯片底层的显色反应阵列单元亲水区域加入分析试剂，晾干；将双面胶层打孔，添加纤维素，形成液流通道。然后将多层蜡图案化滤纸层与双面胶层进行封接组装，即得所述图案化多层阵列纸芯片。
如使用计算机绘图软件设计出所需要的图案；使用喷蜡打印机将设计好的图案在Whatman? 1号滤纸上打印出来；将喷蜡打印好的滤纸放置于140℃的烘箱中加热3分钟，让打印在滤纸上的蜡融化并透过滤纸形成疏水性图案；使用激光切割机或者手动打孔器，对3M-300lse双面胶进行打孔，打孔位置为相邻两层芯片的液体流通处；当每层单层滤纸层和打孔双面胶都制作完成以后，使用堆叠的方法将它们组合起来，其具体步骤为：先揭掉双面胶的一层保护膜，贴在已经制作完成的第一层图案化纸芯片上，然后揭掉双面胶的另一层保护膜，将第二层图案化纸芯片贴在上面，然后重复这个装配过程，滤纸层—双面胶—滤纸层—双面胶—滤纸层直到整个图案化多层阵列纸芯片装备完成。
本发明提供的图案化多层阵列纸芯片，其优点在于：芯片具有显色反应阵列，可在同一块芯片上给出大量检测信息，具有高通量的特征。同时，可根据检测需求对芯片的构成图案和滤纸层数进行分别设计，芯片柔性强。芯片制备方法操作简单，成本低廉。芯片检测利用显色反应原理，反应动力学过程快，大大提高了检测效率，同时显色反应明显，可以使用肉眼或者便携式仪器进行快速判定和分析，因此在环境污物染现场、快速分析检测领域具有巨大的应用前景。
附图说明
图1为图案化多层阵列纸芯片结构示意图，其中，1为样品滴加层，2为双面胶层，3为滤纸层（×n（n=0,1,2,3,4,5…），可根据检测需求任意设计，4为显色反应层，5为样品滴加入口，6为液流通道，7为亲水区域，8为疏水区域，9为显色反应阵列；
图2为流路通道测试图，其中，1为样品滴加层，2为双面胶层，3为滤纸层，4为显色反应层；虚线箭头为样品流动方向； 
图3为实施例1中图案化多层阵列纸芯片结构示意图，其中，1为样品滴加层，2为双面胶层，3为滤纸层，4为显色反应层，5为样品滴加入口，6为液流通道，7为亲水区域，8为疏水区域，9为显色反应阵列（1×16）；
图4为实施例2中图案化多层阵列纸芯片结构示意图，其中，1为样品滴加层，2为双面胶层，3为滤纸层，4为显色反应层，5为样品滴加入口（×4），6为液流通道，7为亲水区域，8为疏水区域，9为显色反应阵列（4×4）；
图5为实施例3中图案化多层阵列纸芯片结构示意图，其中，1为样品滴加层，2为双面胶层，3为滤纸层，4为显色反应层，5为样品滴加入口（×4），6为液流通道，7为亲水区域，8为疏水区域，9为显色反应阵列（4×4）； 
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
将Whatman? 1号滤纸放入喷蜡打印机，将设计好的图案打印于滤纸之上（如图3所示），并按图3外轮廓进行裁剪；将裁剪好的滤纸放入140℃烘箱内烘烤3分钟；将烘烤过后的滤纸取出，置于阴暗处，待其温度降低至室温。将3M-300lse双面胶，按图3所示图案进行打孔和外轮廓剪裁。将双面胶的一侧的保护膜揭下，与第一层滤纸层粘合在一起，然后揭下另一层保护膜，并与第二层滤纸层粘合。重复上述步骤，直至整个图案化多层阵列纸芯片装配完成。按照上述步骤制备的多层阵列纸芯片其结构示意图如图3所示。通过该芯片，可将单一样品平行分配为16个平行样品，提高检测通量。
实施例2
将Whatman? 1号滤纸放入喷蜡打印机，将设计好的图案打印于滤纸之上（如图4所示），并按图4外轮廓进行裁剪；将裁剪好的滤纸放入140℃烘箱内烘烤3分钟；将烘烤过后的滤纸取出，置于阴暗处，待其温度降低至室温。将3M-300lse双面胶，按图4所示图案进行打孔和外轮廓剪裁。将双面胶的一侧的保护膜揭下，与第一层滤纸层粘合在一起，然后揭下另一层保护膜，并与第二层滤纸层粘合。重复上述步骤，直至整个图案化多层阵列纸芯片装配完成。按照上述步骤制备的多层阵列纸芯片其结构示意图如图4所示。通过该芯片，可将4种待测样品分别平行分配为4个平行样品，并形成图4中显色反应阵列的排列方式。
实施例3
将Whatman? 1号滤纸放入喷蜡打印机，将设计好的图案打印于滤纸之上（如图5所示），并按图5外轮廓进行裁剪；将裁剪好的滤纸放入140℃烘箱内烘烤3分钟；将烘烤过后的滤纸取出，置于阴暗处，待其温度降低至室温。将3M-300lse双面胶，按图5所示图案进行打孔和外轮廓剪裁。将双面胶的一侧的保护膜揭下，与第一层滤纸层粘合在一起，然后揭下另一层保护膜，并与第二层滤纸层粘合。重复上述步骤，直至整个图案化多层阵列纸芯片装配完成。按照上述步骤制备的多层阵列纸芯片其结构示意图如图5所示。通过该芯片，可将4种待测样品各自再平行分配为4个平行样品，并形成图5中显色反应阵列的排列方式。
实施例4
使用去离子水，将二乙基二硫代氨基甲酸钠在浓度为0.05M的EDTA中，配置成浓度为1mg/mL的显色剂，并用体积分数为2%的氨水，将其pH调制8.5。将5μL显色剂滴加至图案化多层阵列纸芯片的最底层中显色反应阵列单元，晾干。可按实施例1、2或3中的一种或多种方式进行纸芯片的制备。使用去离子水，将固体CuSO4·5H2O配置成浓度为100ppm的Cu2+标准溶液。将浓度为100ppm的Cu2+溶液分别稀释至50ppm、20ppm、10ppm、5ppm、2ppm、1ppm。将浓度为1-100ppm的Cu2+溶液50μL，滴加至图案化多层阵列纸芯片上层的样品滴加入口。将图案化多层阵列纸芯片静置20分钟后，观察显色层的颜色变化。Cu2+经显色后，阵列区域变成黄褐色，整体颜色依照Cu2+浓度的由高到低的变化呈由深到浅的渐变效果。最低检出限为1-2ppm。
实施例5
使用去离子水，将丁二酮肟溶于体积分数为2%的氨水中，配置成浓度为2mg/ml的显色剂。将5μL显色剂滴加至图案化多层阵列纸芯片的最底层中显色反应阵列单元，晾干。可按实施例1、2或3中的一种或多种方式进行纸芯片的制备。使用去离子水，将固体NiSO4·6H2O配置成浓度为100ppm的Ni2+标准溶液。将浓度为100ppm的Ni2+溶液分别稀释至50ppm、20ppm、10ppm、5ppm、2ppm、1ppm。将浓度为1-100ppm的Ni2+溶液50μL，滴加至图案化多层阵列纸芯片上层的样品滴加入口。将图案化多层阵列纸芯片静置20分钟后，观察显色层的颜色变化。Ni2+经显色后，阵列区域变成紫红色，整体颜色依照Ni2+浓度的由高到低的变化呈由深到浅的渐变效果。最低检出限为2-5ppm。

Claims (9)

1.一种图案化多层阵列纸芯片，其特征在于：纸芯片是由正方形滤纸层和双面胶层交替重叠构成的层状结构，每层滤纸留有作为渗透液体的滤纸区域外其余部分为浸透蜡的蜡区域；其中最上层滤纸层为滴加层，具有样品滴加入口的滤纸区域，外围的其余部分为浸透蜡的蜡区域；最底层滤纸层为显色反应层，具有滤纸区域的显色反应单元阵列，显色反应单元阵列的各单元滤纸区域带有分析试剂，显色反应单元阵列的各单元滤纸区域外围的其余部分为浸透蜡的蜡区域；中间各滤纸层，是下一层滤纸层具有将上层滤纸区域渗透下来的液体向至少两个方向湿润分散通道形状的滤纸区域，外围的其余部分为浸透蜡的蜡区域，与显色反应层上面相邻的滤纸层具有的湿润分散通道形状的滤纸区域端部分别与显色反应层各显色反应单元上下对应；各层双面胶层具有连通上下层滤纸层滤纸区域的液流通道，液流通道内填有粉末状纤维素。
2.按照权利要求1所述的图案化多层阵列纸芯片，其特征在于：所述纸芯片的构成图案和滤纸层数可依照不同检测需求进行分别设计。
3.一种图案化多层阵列纸芯片制备方法，是用电脑设计所需要的图案，然后用喷蜡打印机将蜡打印到未处理的滤纸表面，将打印好的滤纸放入烘箱中烘烤，让打印的蜡在滤纸上融化并侵染滤纸形成封闭的蜡区域，未被蜡侵染的滤纸部分形成亲水区域，取出滤纸，冷却，即得到蜡图案化的滤纸层；在芯片底层的显色反应阵列各单元亲水区域加入分析试剂，晾干；将双面胶层打孔，添加纤维素，形成液流通道；然后将多层蜡图案化滤纸层与双面胶层进行封接组装，即得所述图案化多层阵列纸芯片。
4.按照权利要求3所述的图案化多层阵列纸芯片制备方法，其特征在于：所使用的滤纸为Whatman? 1号滤纸。
5.按照权利要求3所述的图案化多层阵列纸芯片制备方法，其特征在于：所述喷蜡打印机为Xerox Phase 8500或者具有相同功能的喷蜡打印机。
6.按照权利要求3所述的图案化多层阵列纸芯片制备方法，其特征在于：烘烤温度为140℃，时间为3min。
7.按照权利要求3所述的图案化多层阵列纸芯片制备方法，其特征在于：所述多层纸芯片封接组装方式为利用双面胶粘结。
8.按照权利要求3所述的图案化多层阵列纸芯片制备方法，其特征在于：所使用的双面胶层为3M双面胶，型号为300lse。
9.按照权利要求1所述的图案化多层阵列纸芯片应用于环境污染物的高通量、快速检测，如水体中和经适当处理的蔬菜等农产品中重金属离子的分析测定。 
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