CN103657748A - 印刷式纸质微流体芯片及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种印刷式纸质微流体芯片及制作方法，其芯片包括：纸质基底、由导电金属墨水形成的电极、加热器、温敏传感器、光敏传感器、磁敏传感器、压电传感器、湿敏传感器、电化学传感器或电极阵列电润湿泵中的一个或它们的集成元件，以及接入闭合回路的电子电路。本发明的印刷式纸质微流体芯片及制作方法，由于引入了低熔点液态金属墨水，使得整个芯片上的传感器件均可以印刷的方式直接制作出来，达到所见即所得，制备过程在常温及常规条件下即可完成，且由于采用了随处可见的可降解性纸作为基底，对环境要求不高，因而可显著降低微流体芯片制备工艺的复杂性，大幅度提高其制作效率并降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及微流体芯片技术领域，特别涉及一种印刷式纸质微流体芯片及制作方法。
背景技术
微/纳米流体器件是微机电系统的一个重要分支。由于它具有尺寸微小，无效体积小，功耗低，控制精度高，响应速度快等特点，且易于批量加工及实现微泵、微阀、微流量传感器等流体器件与控制电路的集成，因而在许多领域有着日益广泛的应用。在过去数十年间，随着微流体系统在疾病检测、生化分析、DNA测序、药物筛选和输运、体内环境检测以及其他生物技术中的广泛应用，样品分析与检测过程的微型化已成为微系统技术中最为重要的研究领域之一。
在微流体器件的发展过程中，出于对使用方便性、低价性的追求，学术界和工业界正着力朝着用完即弃型微/纳流体芯片技术的方向发展。然而，微流体器件一般采用半导体或集成电路加工模式实现，过程繁琐，工艺复杂，迄今成本仍远不能达到用完即弃的目标。为此，一些新的微流体器件逐渐浮出水面，其中纸质微流体技术是朝此方向迈进的重要举措之一。这类流体器件由于采用随处可得的纸张作为流体器件的基底，因而相较于以往的硅基、玻璃基乃至聚合物如PDMS基微流体器件相比，成本得以大幅度降低，且由于纸张自身优良的可降解特性，其用完即弃后对环境的影响较小。但纸质微流体器件技术所面临的巨大困难仍在于要在其表面制作出各种传感器，即使像电极这样的器件一般也只能通过高温蒸镀、电化学反应等复杂工艺实现，对基底材料影响很大甚至无法加工，制作过程中耗能大、污染处理费用高。所以，迄今尚未发展出可直接在纸质一步成形印刷出电学传感器的微流体芯片。也因如此，关于纸质微流体器件当前还主要处于研究早期。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种印刷式纸质微流体芯片及制作方法，可确保相应器件的快速制造乃至技术使用上的灵活性。
（二）技术方案
本发明提供一种印刷式纸质微流体芯片，包括：纸质基底、由导电金属墨水形成的电极、加热器、温敏传感器、光敏传感器、磁敏传感器、压电传感器、湿敏传感器、电化学传感器或电极阵列电润湿泵中的一个或它们的集成元件，以及接入闭合回路的电子电路。
其中，所述纸质基底为印刷涂料纸、防潮纸、防光纸、防水纸、绝缘纸、防虫纸、感应纸、装饰纸或研磨纸中的一种；所述加热器为薄膜加热器。
其中，所述纸质基底的表面有石蜡浸润部分，所述石蜡浸润部分有微流道结构。
其中，所述印刷涂料纸为铜版纸、涂布纸或合成纤维纸；所述防潮纸为沥青纸、涂塑纸或涂蜡纸；所述防光纸为胶卷纸；所述防水纸为油纸或树脂涂布纸；所述绝缘纸为电缆纸或涤纶纸；所述防虫纸为米虫纸；所述感应纸为光感试纸、电感试纸、热敏试纸、力感试纸、磁感试纸、放射性感应试纸、化学感应试纸或生化试纸；所述装饰纸为蜡光纸或水松纸；所述研磨纸为木工砂纸或水磨砂纸；所述化学感应试纸是PH试纸。
其中，所述导电金属墨水含有0.1wt%～10wt%低熔点液态金属的氧化物和0wt%～90wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒。
其中，所述导电金属墨水含有0.01wt%～80wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒。
其中，所述低熔点液态金属是镓、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金中的至少一种；所述导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金、碳纳米管或石墨烯；所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
本发明还提供一种印刷式纸质微流体芯片的制作方法，包括以下步骤：
S1：确定纸质基底；
S2：借助笔型装置、印刷设备或刷子将所述导电金属墨水涂覆于纸质基底表面，形成纸质微流体芯片。
其中，在S1中，采用石蜡浸润部分或全部纸质基底，在所述纸质基底的石蜡浸润部分采用微模版压出特定图案微流道；在S2中，将导电金属墨水涂覆在纸质基底石蜡浸润部分的微流道中。
其中，在S1中，采用石蜡浸润部分或全部纸质基底，在S2中，将导电金属墨水按各种图案直接涂覆在纸质基底的石蜡浸润部分上。
（三）有益效果
本发明的印刷式纸质微流体芯片及制作方法，由于引入了低熔点液态金属墨水，使得整个芯片上的传感器件均可以印刷的方式直接制作出来，达到所见即所得，制备过程在常温及常规条件下即可完成，且由于采用了随处可见的可降解性纸作为基底，对环境要求不高，因而可显著降低微流体芯片制备工艺的复杂性，大幅度提高其制作效率并降低成本。使用该方法得到的微流体芯片，可广泛用于各种检测行业。本发明提供的技术具有普遍意义，除用于制作纸上微流体器件外，也适用于其他基底，如塑料、玻璃、木材等。
附图说明
图1为本发明印刷式纸质微流体芯片制作方法步骤流程图；
图2为本发明实施例1印刷式纸质微流体芯片结构示意图；
图3a为本发明实施例2印刷式纸质微流体芯片结构示意图；
图3b为图3a的A-A剖视图；
图4为本发明实施例3印刷式纸质微流体芯片结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种印刷式纸质微流体芯片，包括：纸质基底、由导电金属墨水形成的电极、加热器、温敏传感器、光敏传感器、磁敏传感器、压电传感器、湿敏传感器、电化学传感器或电极阵列电润湿泵中的一个或它们的集成元件，以及接入闭合回路的电子电路。
所述纸质基底为印刷涂料纸、防潮纸、防光纸、防水纸、绝缘纸、防虫纸、感应纸、装饰纸或研磨纸中的一种；所述加热器为薄膜加热器。所述纸质基底的表面有石蜡浸润部分，所述石蜡浸润部分有微流道结构。所述印刷涂料纸为铜版纸、涂布纸或合成纤维纸；所述防潮纸为沥青纸、涂塑纸或涂蜡纸；所述防光纸为胶卷纸；所述防水纸为油纸或树脂涂布纸；所述绝缘纸为电缆纸或涤纶纸；所述防虫纸为米虫纸；所述感应纸为光感试纸、电感试纸、热敏试纸、力感试纸、磁感试纸、放射性感应试纸、化学感应试纸或生化试纸；所述装饰纸为蜡光纸或水松纸；所述研磨纸为木工砂纸或水磨砂纸；所述化学感应试纸是PH试纸。
所述导电金属墨水含有0.1wt%～10wt%低熔点液态金属的氧化物和0wt%～90wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒。所述导电金属墨水含有0.01wt%～80wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒。所述低熔点液态金属是镓、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金中的至少一种；所述导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金、碳纳米管或石墨烯；所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
如图1所示，本发明还提供一种印刷式纸质微流体芯片制作方法，包括以下步骤：
S1：确定纸质基底；
S2：借助笔型装置、印刷设备或刷子将所述导电金属墨水涂覆于纸质基底表面，形成纸质微流体芯片。
另外，在S1中，采用石蜡浸润部分或全部纸质基底，在所述纸质基底的石蜡浸润部分采用微模版压出特定图案微流道；在S2中，将导电金属墨水涂覆在纸质基底石蜡浸润部分的微流道中。
还可以在S1中，采用石蜡浸润部分或全部纸质基底，在S2中，将导电金属墨水按各种图案直接涂覆在纸质基底的石蜡浸润部分上。
实施例1
图2为本发明实施例1印刷式纸质微流体芯片结构示意图，如图2所示，本实施例中微流体芯片基底11选用0.5mm厚的纸，将其部分采用石蜡浸润，形成图2中的长方形石蜡纸部分112，在此基础上应用金属硬模在石蜡纸部分112压印出宽度为0.1mm的流道113，流道两端为2mm×2mm的流体入口池114和出口池115；之后，在室温下将含有0.25wt%镓氧化物的导电金属墨水（液态镓）121以线的形式垂直涂覆在石蜡纸112中的流道113上下侧，形成宽度为0.5mm的电极121、122，在此两电极末端为2mm×2mm的接线端123、124。由此，便完成了本实施例的流式细胞检测芯片的制作。使用时，一旦流道113中有细胞流过电极对121、122，则将改变电极对间的电阻抗，于是，借助于电流信号即可识别细胞特性。
实施例2
图3a为本发明实施例2印刷式纸质微流体芯片结构示意图，图3b为图3a的A-A剖视图，如图3a-3b所示，采用无流道结构对直接滴定于基底上的液滴进行测量，其中电极形状采用齿形结构，以提升灵敏度。本实施例中微流体芯片基底212选用0.5mm厚的纸，将其全部采用石蜡浸润；之后，在室温下将含有0.25wt%镓氧化物的导电金属墨水（液态镓）以齿形交错形式涂覆在石蜡纸质表面，形成线宽为0.5mm的齿形电极221、222，在此两电极末端为2mm×2mm的接线端223、224。由此，便完成了本实施例的液滴式流体检测芯片的制作。使用时，一旦滴状样品23粘附于电极221、222并发生某种生化反应，则将改变电极对间的电阻抗，于是，借助于电流信号即可识别样品的有关特性。
实施例3
图4为本发明实施例3印刷式纸质微流体芯片结构示意图，如图4所示，实施例1和实施例2不同的是，此处电极功能是作为加热薄膜存在。本实施例中微流体芯片基底31选用0.5mm厚的纸，将其部分采用石蜡浸润，在此基础上应用金属硬模在石蜡纸部分按图所示的蜿蜒曲折形式压印出宽度为0.1mm的流道312，流道两端为2mm×2mm的流体入口池313和出口池314；之后，在室温下将含有0.25wt%镓氧化物的金属墨水（液态镓）321以薄膜的形式涂覆在石蜡纸部分的对应部位，由此分别形成宽度为5mm的三段加热膜33、34、35，与外接电路联合后即可控制各自的加热功率。此PCR芯片中，当反应混合液流经三个不同加热功率薄膜33、34、35因而温度不同的区域时，即完成变性、退火和延伸反应，完成基因扩增。薄膜自身电阻与温度成相关，于是根据电阻大小，还可知对应的温度。
实施例4
本实施例与实施例1类似，印刷过程和结构可完全一致，唯一区别在于沿微流道布置有10对同样的电极阵列，这样通过电路编程，可确保沿流道方向的电极顺序打开或关闭，从而改变流道内流体的表面张力，继而影响到流体的润湿效应，由此可按一定顺序驱动流体的运动，此即纸上电极阵列电润湿泵驱动的芯片。
实施例5
本实施例与实施例1类似，印刷过程和结构可完全一致，唯一区别在于所选用墨水具备一定电磁特性，即印刷用墨水系通过对含有0.25wt%镓氧化物的金属墨水（液态镓）中添加有10wt%的纳米镍颗粒后制备而得。该电极材料由于镍的掺杂，会具备一定的磁学特性，由此能承担有关电磁测试的需求。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种印刷式纸质微流体芯片，其特征在于，包括：纸质基底、由导电金属墨水形成的电极、加热器、温敏传感器、光敏传感器、磁敏传感器、压电传感器、湿敏传感器、电化学传感器或电极阵列电润湿泵中的一个或它们的集成元件，以及接入闭合回路的电子电路。
2.如权利要求1所述的印刷式纸质微流体芯片，其特征在于，所述纸质基底为印刷涂料纸、防潮纸、防光纸、防水纸、绝缘纸、防虫纸、感应纸、装饰纸或研磨纸中的一种；所述加热器为薄膜加热器。
3.如权利要求1或2所述的印刷式纸质微流体芯片，其特征在于，所述纸质基底的表面有石蜡浸润部分，所述石蜡浸润部分有微流道结构。
4.如权利要求2所述的印刷式纸质微流体芯片，其特征在于，所述印刷涂料纸为铜版纸、涂布纸或合成纤维纸；所述防潮纸为沥青纸、涂塑纸或涂蜡纸；所述防光纸为胶卷纸；所述防水纸为油纸或树脂涂布纸；所述绝缘纸为电缆纸或涤纶纸；所述防虫纸为米虫纸；所述感应纸为光感试纸、电感试纸、热敏试纸、力感试纸、磁感试纸、放射性感应试纸、化学感应试纸或生化试纸；所述装饰纸为蜡光纸或水松纸；所述研磨纸为木工砂纸或水磨砂纸；所述化学感应试纸是PH试纸。
5.如权利要求1所述的印刷式纸质微流体芯片，其特征在于，所述导电金属墨水含有0.1wt%～10wt%低熔点液态金属的氧化物和0wt%～90wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒。
6.如权利要求5所述的印刷式纸质微流体芯片，其特征在于，所述导电金属墨水含有0.01wt%～80wt%导电性纳米颗粒或半导体纳米颗粒。
7.如权利要求5所述的印刷式纸质微流体芯片，其特征在于，所述低熔点液态金属是镓、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金中的至少一种；所述导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金、碳纳米管或石墨烯；所述半导体纳米颗粒为粒径1nm～900nm的硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒。
8.一种印刷式纸质微流体芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定纸质基底；
S2：借助笔型装置、印刷设备或刷子将所述导电金属墨水涂覆于纸质基底表面，形成纸质微流体芯片。
9.如权利要求8所述的印刷式纸质微流体芯片的制作方法，其特征在于，在S1中，采用石蜡浸润部分或全部纸质基底，在所述纸质基底的石蜡浸润部分采用微模版压出特定图案微流道；在S2中，将导电金属墨水涂覆在纸质基底石蜡浸润部分的微流道中。
10.如权利要求8所述的印刷式纸质微流体芯片的制作方法，其特征在于，在S1中，采用石蜡浸润部分或全部纸质基底，在S2中，将导电金属墨水按各种图案直接涂覆在纸质基底的石蜡浸润部分上。
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