CN103394384B - 纸基微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纸基微流控芯片，包括纸基芯片和纸基底片，所述的纸基芯片具有微流体通道，所述的纸基底片对应粘接在所述纸基芯片的底部；所述的纸基芯片、纸基底片分别经液态胶作交联固化处理。本发明还公开了一种三维纸基微流控芯片，由所述的纸基微流控芯片经拉伸或折叠形成。本发明所述的纸基微流控芯片具有成本低、制备简单、液体流动可控等优点，适用于微流体分析实验。

Description

纸基微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片及其制备方法，特别是涉及一种纸基微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微流控芯片提供了一种高效、快速的新型反应平台，其将样品预处理、反应、分离和检测等多重操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成反应全过程，具有液体流动可控、样品消耗少、分析速度快等优点，现已广泛应用于化学、生物、医学等领域中。

传统的微流控芯片是以玻璃、硅片、高分子聚合物等为基材，通过光刻蚀等技术在这些基材上构建微通道，并集成微阀门和微泵，构成微流控芯片。然而，这种微流控芯片的制备存在操作复杂，需要昂贵的设备以及苛刻的工艺环境等缺陷，严重限制了微流控芯片的推广和应用。

为了克服传统微流控芯片的缺陷，Martinez等人于2007年提出了纸基微流控芯片[Martinez et al.,Angew.Chem.Int.Ed.2007,46,1318-1320]，以普通滤纸作为基材，利用蜡在纸基材上绘制出功能单元和通道的图形，构成亲水区域（通道），借助纸基纤维素骨架的毛细作用，实现液体在亲水通道内的定向流动。与传统的微流控芯片相比，纸基微流控芯片无需额外的泵送装置来控制液体的流动，并且具有成本低、制备简单、无需复杂的设备等优点。然而，由于毛细作用的迁移速度主要受纸基纤维素的微观结构影响，不利于对液体的流动行为进行控制，而且这种纸基微通道通常会将液体暴露于空气中，导致流动液体的挥发与污染。

发明内容

基于此，有必要针对现有的微流控芯片所存在的缺陷，提供一种成本低、制备简单、液体流动可控的纸基微流控芯片及其制备方法。

本发明的另一个目的是提供一种三维纸基微流控芯片及其制备方法。

一种纸基微流控芯片，包括纸基芯片和纸基底片，所述的纸基芯片具有微流体通道，所述的纸基底片对应粘接在所述纸基芯片的底部；所述的纸基芯片、纸基底片分别经液态胶作交联固化处理。

在其中一种实施方式中，所述的液态胶为有机硅聚合物、环氧树脂聚合物、噻吩聚合物或尿烷类聚合物；所述的有机硅聚合物包括聚二甲基硅氧烷，所述的环氧树脂聚合物包括SU8光刻胶，所述的噻吩聚合物包括NOA81紫外固化胶。

在其中一种实施方式中，所述的纸基微流控芯片还包括纸基盖片或透明盖片，所述的纸基盖片或透明盖片对应粘接在所述纸基芯片的顶部。

在其中一种实施方式中，所述的纸基盖片或透明盖片上还设有进样孔和出样孔。

在其中一种实施方式中，所述的微流体通道的直径为100μm～10mm。

在其中一种实施方式中，所述的微流体通道呈直线型、十字型、螺旋型、凸字型或者波纹型等。

在其中一种实施方式中，所述的纸基芯片由两层或两层以上的纸基材粘接而成。

一种三维纸基微流控芯片，由本发明所述的纸基微流控芯片经拉伸或折叠形成。

本发明所述的纸基微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

（1）设计微流体通道构型，取纸基材并裁剪出与所述微流体通道构型相匹配的纸基芯片，在纸基芯片上镂空切割出微流体通道；

（2）取纸基材并切割出与纸基芯片相匹配的纸基底片，将纸基底片对应粘接在纸基芯片的底部；

（3）将粘接后的纸基芯片和纸基底片浸泡于液态胶中，将多余的液态胶除去后，进行交联固化，制得所述的纸基微流控芯片。

在其中一种实施方式中，所述的液态胶为有机硅聚合物、环氧树脂聚合物、噻吩聚合物或尿烷类聚合物，通过加热和/或紫外光照射进行交联固化。

在其中一种实施方式中，取纸基材或透明胶带基材并切割出与纸基芯片相匹配的纸基盖片或透明盖片，对纸基芯片和纸基底片进行交联固化后，将纸基盖片或透明盖片对应粘接在纸基芯片的顶部。

在其中一种实施方式中，在所述的纸基盖片或透明盖片上切割出进样孔和出样孔。

在其中一种实施方式中，将所述微流体通道的直径控制在100μm～10mm的范围内。

在其中一种实施方式中，所述的微流体通道构型为直线型、十字型、螺旋型、凸字型或者波纹型等。

在其中一种实施方式中，所述的纸基芯片由两层或两层以上的纸基材粘接而成。

本发明所述的纸基微流控芯片，具有成本低、制备简单、液体流动可控等优点。以纸基材为骨架，价格便宜，通过激光切割机或切纸机等简单设备，即可在纸基材上蚀刻出微流体通道，无需采用光蚀刻等复杂、昂贵的技术；通过在纸基材上构建微流体通道，利用微泵技术即可控制液体在微流体通道内的流动行为，克服了传统纸基微流控芯片流体缓慢、不可控等缺陷；通过液态胶对纸基材进行交联固化，一方面可防止液体向纸基材的孔隙渗透，另一方面还可以提高纸基材表明的光滑程度，减少液体在微流体通道流动时受到的阻力，其中优选的是聚二甲基硅氧烷（PDMS）和SU8光刻胶，其具有性能稳定、交联固化方法简单、空间分辨率高等优点；通过在纸基芯片的顶部设置盖片，形成密闭的反应腔，可防止液体暴露于空气中而受到污染，而设置为透明盖片，可以直接观察液体在通道内的流动情况；通过调节纸基芯片中的单层纸基材的厚度或纸基材的层数，即可调节微流体通道的高度，适应不同的实验要求。由于纸基材具有柔韧性，制成纸基微流控芯片后，根据微流体通道的构型，通过简单的拉伸或折叠操作，即可形成三维纸基微流控芯片，并且可通过折叠缩小三维纸基微流控芯片的空间体积，易于携带。

附图说明

图1为实施例一所制得的直线型纸基微流控芯片的结构图；

图2A为实施例一所制得的直线型纸基微流控芯片的横截面结构图；

图2B为实施例二所制得的直线型纸基微流控芯片的横截面结构图；

图3为实施例三所制得的直线型三维纸基微流控芯片的结构图；

图4为实施例四所制得的十字型纸基微流控芯片的结构图；

图5为实施例五所制得的螺旋型纸基微流控芯片的结构图；

图6为实施例六所制得的螺旋型三维纸基微流控芯片的结构图；

图7为实施例七所制得的凸字型纸基微流控芯片的结构图；

图8为实施例八所制得的凸字型三维纸基微流控芯片的结构图。

具体实施方式

实施例一：直线型纸基微流控芯片的制备

用电脑设计直线型的微流体通道构型，取单层纸基材并裁剪出与该直线型通道构型相匹配的纸基芯片，用激光切割机在纸基芯片上镂空切割出直线型微流体通道，通过调节激光强度，设定微流体通道的直径为300μm（如图1所示）。

取单层纸基材，用激光切割机切割出与纸基芯片相匹配的纸基底片，用8146-2光学透明胶（美国3M公司制造）将纸基底片对应粘接在纸基芯片的底部。将粘接后的纸基芯片和纸基底片浸泡于聚二甲基硅氧烷胶中，将多余的聚二甲基硅氧烷胶除去后，置于烘箱中，在60～120℃下加热烘烤40分钟～6小时（优选为80℃下加热烘烤1小时），使聚二甲基硅氧烷胶交联固化。

取透明胶带基材（8146-2光学透明胶带），用激光切割机切割出与纸基芯片相匹配的透明盖片，并在透明盖片上切割出与微流体通道相匹配的进样孔和出样孔，将透明盖片对应粘接在纸基芯片的顶部，制得直线型纸基微流控芯片。

取经过染料染色的液体，在纸基芯片的进样入口区用注射泵将其灌入微流体通道，染色液体在微流体通道内流动，并经进样出口区流出，液体流动过程中未发生渗透或泄漏，证明所制得的纸基微流控芯片具有良好的密封性。

实施例二：直线型纸基微流控芯片的制备

用电脑设计直线型的微流体通道构型，取2层纸基材并分别裁剪出与该直线型通道构型相匹配的纸基芯片，用激光切割机分别在2层纸基芯片上镂空切割出直线型微流体通道，通过调节激光强度，设定微流体通道的直径为300μm。用8146-2光学透明胶将2层纸基芯片对应粘合在一起，形成复层纸基芯片。

取单层纸基材，用激光切割机切割出与复层纸基芯片相匹配的纸基底片，用8146-2光学透明胶将纸基底片对应粘接在复层纸基芯片的底部。将粘接后的复层纸基芯片和纸基底片浸泡于聚二甲基硅氧烷胶中，将多余的聚二甲基硅氧烷胶除去后，置于烘箱中，在60～120℃下加热烘烤40分钟～6小时（优选为80℃下加热烘烤1小时），使聚二甲基硅氧烷胶交联固化。

取透明胶带基材（8146-2光学透明胶带），用激光切割机切割出与复层纸基芯片相匹配的透明盖片，在透明盖片上切割出与微流体通道相匹配的进样孔和出样孔，将透明盖片对应粘接在复层纸基芯片的顶部，制得直线型纸基微流控芯片。

取经过染料染色的液体，在纸基芯片的进样入口区用注射泵将其灌入微流体通道，染色液体在微流体通道内流动，并经进样出口区流出，液体流动过程中未发生渗透或泄漏，证明所制得的纸基微流控芯片具有良好的密封性。

取实施例一、实施例二所制得的直线型纸基微流控芯片，分别用切割刀横向切开其微流体通道，并分别置于电子显微镜下观察其微流体通道的高度，结果如图2A和图2B所示。结果表明，通过增加纸基芯片中的纸基材的层数，可增加微流体通道的高度，从而制备出不同深度的纸基微流控芯片。

实施例三：直线型三维纸基微流控芯片的制备

取实施例一或实施例二所制得的直线型纸基微流控芯片，进行折叠，形成直线型三维纸基微流控芯片（如图3所示）。

实施例四：十字型纸基微流控芯片的制备

用电脑设计十字型的微流体通道构型，取单层纸基材并裁剪出与该十字型通道构型相匹配的纸基芯片，用激光切割机在纸基芯片上镂空切割出十字型微流体通道，通过调节激光强度，设定其中一端的通道直径为400μm，其余三端的通道直径为200μm（如图4所示）。

取单层纸基材，用激光切割机切割出与纸基芯片相匹配的纸基底片，用8146-2光学透明胶将纸基底片对应粘接在纸基芯片的底部。将粘接后的纸基芯片和纸基底片浸泡于SU8光刻胶中，将多余的SU8光刻胶除去后，置于强度为2～5mw/cm²（优选为3mw/cm²）的紫外光下，照射5～20秒，然后置于烘箱中，在80～120℃下加热烘烤10～120分钟，使SU8光刻胶交联固化。

取透明胶带基材（8146-2光学透明胶带），用激光切割机切割出与纸基芯片相匹配的透明盖片，在透明盖片上切割出与微流体通道相匹配的进样孔和出样孔，将透明盖片对应粘接在纸基芯片的顶部，制得十字型纸基微流控芯片。

取矿物油溶液，用注射泵经纸基芯片上相对的两个进样入口区将其同时灌入微流体通道；取经过染料染色的水溶液，用注射泵经纸基芯片上的第三个进样入口区将其灌入微流体通道。结果表明，液体流动过程中并未发生渗透或泄漏；水溶液流体与矿物油溶液流体相遇后，制备出油包水型微乳液，且水滴大小均一、稳定。由此可见，所制得的纸基微流控芯片具有良好的密封性，并且液体流动稳定、可控。

实施例五：螺旋型纸基微流控芯片的制备

用电脑设计螺旋型的微流体通道构型，取单层纸基材并裁剪出与该螺旋型通道构型相匹配的纸基芯片（纸基芯片呈螺旋型），用激光切割机在纸基芯片上镂空切割出螺旋型微流体通道，通过调节激光强度，设定微流体通道的直径为500μm（如图5所示）。

取单层纸基材，用激光切割机切割出与纸基芯片相匹配的纸基底片（纸基底片呈螺旋型），用8146-2光学透明胶将纸基底片对应粘接在纸基芯片的底部。将粘接后的纸基芯片和纸基底片浸泡于聚二甲基硅氧烷胶中，将多余的聚二甲基硅氧烷胶除去后，置于烘箱中，在60～120℃下加热烘烤40分钟～6小时（优选为80℃下加热烘烤1小时），使聚二甲基硅氧烷胶交联固化。

取透明胶带基材（8146-2光学透明胶带），用激光切割机切割出与纸基芯片相匹配的透明盖片（透明盖片呈螺旋型），在透明盖片上切割出与微流体通道相匹配的进样孔和出样孔，将透明盖片对应粘接在纸基芯片的顶部，制得螺旋型纸基微流控芯片。

实施例六：螺旋型三维纸基微流控芯片的制备

取实施例五所制得的螺旋型纸基微流控芯片，进行拉伸，形成螺旋型三维纸基微流控芯片（如图6所示）。

取两种不同颜色的染色液体，用注射泵经纸基芯片上的进样入口区将两种染色液体同时灌入微流体通道。结果表明，两种染色液体在微流体通道内实现快速混合，且液体流动过程中未发生渗透或泄漏，证明所制得的三维纸基微流控芯片具有良好的连通性和密封性。

实施例七：凸字型纸基微流控芯片的制备

用电脑设计凸字型的微流体通道构型，取单层纸基材并裁剪出与该凸字型通道构型相匹配的纸基芯片（纸基芯片呈凸字型），用激光切割机在纸基芯片上镂空切割出凸字型微流体通道，通过调节激光强度，设定微流体通道的直径为1mm（如图7所示）。

取单层纸基材，用激光切割机切割出与纸基芯片相匹配的纸基底片（纸基底片呈凸字型），用8146-2光学透明胶将纸基底片对应粘接在纸基芯片的底部。将粘接后的纸基芯片和纸基底片浸泡于SU8光刻胶中，将多余的SU8光刻胶除去后，置于强度为2～5mw/cm²（优选为3mw/cm²）的紫外光下，照射5～20秒，然后置于烘箱中，在80～120℃下加热烘烤10～120分钟，使SU8光刻胶交联固化。

取透明胶带基材（8146-2光学透明胶带），用激光切割机切割出与纸基芯片相匹配的透明盖片（透明盖片呈凸字型），在透明盖片上切割出与微流体通道相匹配的进样孔和出样孔，将透明盖片对应粘接在纸基芯片的顶部，制得凸字型纸基微流控芯片。

实施例八：凸字型三维纸基微流控芯片的制备

取实施例七所制得的凸字型纸基微流控芯片，进行折叠，形成凸字型三维纸基微流控芯片（如图8所示）。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种三维纸基微流控芯片，其特征在于：由纸基微流控芯片经拉伸或折叠形成；所述的纸基微流控芯片包括纸基芯片和纸基底片，所述的纸基芯片具有微流体通道，所述微流体通道由激光切割机在所述纸基芯片上镂空切割所得，微流体通道的直径为100μm～10mm；所述的纸基底片对应粘接在所述纸基芯片的底部；所述的纸基芯片、纸基底片分别经聚二甲基硅氧烷作交联固化处理。

2.根据权利要求1所述的三维纸基微流控芯片，其特征在于：所述的纸基微流控芯片还包括纸基盖片或透明盖片，所述的纸基盖片或透明盖片对应粘接在所述纸基芯片的顶部。

3.根据权利要求2所述的三维纸基微流控芯片，其特征在于：所述的纸基盖片或透明盖片上还设有进样孔和出样孔。

4.根据权利要求1所述的三维纸基微流控芯片，其特征在于：所述的微流体通道呈直线型、十字型、螺旋型、凸字型或波纹型。