CN104226389A - 一种布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法，该方法包括以下步骤：将棉布置于容器中，加水，煮沸；将棉布取出，晾干水分，放入另一容器中，加入碳酸钠溶液浸泡；然后将棉布取出，用水冲洗后晾干；将处理后的棉布平铺在平台上，把具有设计图案的丝网印刷网板覆盖在棉布之上，涂蜡，碾磨；然后将网板和棉布一起烘烤，烘烤完毕将棉布与网板分离，即得到布基微流控分析芯片。本发明方法是直接透过网板将蜡涂在棉布上，再经过加热熔融渗入棉布中，不需要通过其他介质来转移，因此蜡利用效率高、效果好。此外，本发明方法制得的芯片具有高通量、高分辨率的特点。

Description

一种布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法

技术领域

本发明属于微流控芯片加工技术领域，具体涉及一种布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法。

背景技术

近年来，微流控分析芯片技术的发展非常迅速，最初应用于化学相关领域，后来被引入应用到生物、医学领域，现在正作为一个跨越化学、生物、医学、物理等多学科的新领域，具有很好的发展前景，对于整个社会的医疗检测技术的发展具有巨大意义。更为重要的是，为了提高资源贫瘠、经济相对落后地区的医疗技术水平，迫切需要人们研究成本低廉、质轻简便、操作简单、稳定性强、检测周期短、灵敏度高的微流控分析芯片技术。目前，众多微流控领域的研究人员正为着这一目标而不懈努力。

当今，用于制作微流控分析芯片的衬底材料常常是玻璃、硅片、石英等无机材料以及PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)等高分子聚合材料，其芯片制备技术已相当成熟，比如紫外光刻、干/湿刻蚀、软刻蚀等。然而，玻璃、硅片以及石英衬底材料及相关加工设备价格相对较高；高分子聚合物常需要使用额外的固化剂，使得芯片制备过程比较繁琐，耗时。

棉布的主要成分为有机纤维，是服饰制品的常用材料；它普遍易得、价格低廉、便于操作，且适合形成多样性的微流控流体通道，是制备微流控分析芯片所需衬底材料的一种新选择。

2009年，Wei Shen小组首次提出利用棉线制备微流控分析芯片技术(ACSAppl.Mater.Interfaces，2010，2，1–6)。在该项工作中，亲水棉线缝纫在超疏水的纤维基底上形成微流体通道，或者亲水棉线与纸结合形成线-纸基复合微流控芯片。

同年，Whitesides小组对线基微流控分析芯片做了一系列研究(ACS Appl.Mater.Interfaces，2010，2，1722–1728)。这项研究工作也是采用缝纫的芯片制备方法，但相比于Wei Shen小组的研究工作已作出了一系列改进，并对线吸液特性、多种缝纫图案做了相关研究。自此，线基微流控分析芯片作为一种新的诊断平台引起了人们极大关注。

2011年，Dhananjaya Dendukuri小组利用织布机将线缠绕在一起，制成微流控免疫芯片(Lab on a Chip,2011,11,2493-249)。

同年，Victor Breedveld等人将亲水棉线和疏水棉线根据不同的设计编织在一起，形成流体通道(ACS Appl.Mater.Intrefaces，2011，3，3796-3803)。

以上提及的研究工作都是利用棉线的自然毛细吸液特性来引导液体在亲水通道内流动和分布，这避免了额外的外部注射加样系统。然而，这些微流控分析芯片的制备通常需要人工编织、缠绕，其效率很低、很难批量加工，而且这种加工技术很难精确定位检测区域，使得这一类芯片应用存在相当程度的限制。织布机编制技术能克服人工编制效率低的缺点，但是它仍然很难准确定位检测区域，而且分辨率低、往往需要专业人员操作。

2012年，Azadeh Nilghaz等人提出一种蜡转印技术来加工布基微流控分析芯片，其加工过程如下：在纸上打印出所需要的亲水性通道图案；将纸用高温熔融的液态蜡浸泡数分钟；晾干后根据所设计图案进行仔细雕刻或裁剪；把裁剪或雕刻后的蜡纸覆盖在棉布上，一起放在加热板上烘烤，蜡从纸上转移并渗透到棉布上，从而形成微流控分析芯片。这种布基微流控分析芯片的加工方法能比较准确地定位检测区域，但是仍然存在一些缺陷：(1)蜡纸上的图案模型需要人工雕刻或裁剪，因此很难获得尺寸精确的亲水通道，而且很难制作流路复杂的微流控分析芯片；(2)蜡从纸上转移到布上，存在一个转移效率的问题。该转移效率受制于多种因素(如纸类型、纸与布接触程度、温度等)，因此该加工方法对纸、布甚至操作条件都有较高要求；(3)最后，该加工方法难于进行高通量、高分辨率芯片加工。

发明内容

为了克服以上所述的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种制作简便、成本低廉、适用性广的高通量布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法，该方法可作为一般实验室制备布基微流控分析芯片的一种新方法。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制备得到的布基微流控分析芯片。

本发明的再一目的在于提供由上述的布基微流控分析芯片的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法，包括以下步骤：

(1)将棉布置于容器中，加水，煮沸；将棉布取出，晾干水分，放入另一容器中，加入碳酸钠溶液浸泡；然后将棉布取出，用水冲洗后晾干；

(2)将经步骤(1)处理后的棉布平铺在平台上，把具有设计图案的丝网印刷网板覆盖在棉布之上，涂蜡，碾磨；然后将网板和棉布一起烘烤，使得蜡充分地熔融并渗入棉布中，烘烤完毕将棉布与网板分离，即得到布基微流控分析芯片；

所述的加入碳酸钠溶液浸泡，优选浸泡5-10min；

所述的丝网印刷网板为涤纶网纱材质，图案用软件Adobe Illustrate CS5设计；

所述的蜡可以用市售的蜡笔；

所述的碾磨须用具有平滑表面的硬物碾磨，使蜡更多透过网板附着在棉布表面；

所述的烘烤优选在75℃的加热板上烘烤5s。

由上述方法制得的布基微流控分析芯片可用于生化检测，尤其可用于尿液中牛血清蛋白或葡萄糖的比色检测。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明的方法不需要复杂的大型设备，仅需要水浴锅和加热板，这两种仪器操作比较简单。

2)本发明方法所使用的棉布和蜡都很廉价，蜡是一般文具店都能买到的蜡笔。

3)本发明所描述的方法流程简单，不需要专业人员操作。

4)本发明方法是直接透过网板将蜡涂在棉布上，再经过加热熔融渗入棉布中，不需要通过其他介质来转移，因此蜡利用效率高、效果好。此外，本发明方法制得的芯片具有高通量、高分辨率的特点。

附图说明

图1是实施例1制得的布基微流控分析芯片及其疏水区和亲水区的分布示意图。

图2是实施例1的布基微流控分析芯片在滴加胭脂红溶液后其亲水区的成像图。

图3是实施例2中利用软件Adobe Illustrate CS5设计的网板图案。

图4是实施例2中丝网印刷网板的示意图。

图5是实施例2的高通量布基微流控分析芯片的示意图。

图6是布基微流控分析芯片亲水性通道分辨率的试验结果示意图。

图7是布基微流控分析芯片疏水坝分辨率的试验结果示意图。

图8是用布基微流控分析芯片检测尿液中牛血清蛋白的比色检测实物成像图。

图9为尿液中牛血清蛋白的浓度与对应的比色强度值之间的关系曲线图。

图10是用布基微流控分析芯片检测尿液中葡萄糖的比色检测实物成像图。

图11为尿液中葡萄糖的浓度与对应的比色强度值之间的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种布基微流控分析芯片(亲水区域有3种形状)的蜡网印加工方法，包括以下步骤：

1)取约0.8平方米棉布放于烧杯中，加入500mL超纯水，然后放入温度为95℃的水浴锅中沸煮5min；

2)沸煮过后将棉布取出，水滴干后放棉布于另一烧杯中，加入500mL浓度为10mg/mL的碳酸钠溶液，浸泡5min；

3)经碳酸钠溶液浸泡后，用清水冲洗，直至棉布pH值为6，室温下晾干2h；人体尿液的正常pH值为6左右，显弱酸性。冲洗至棉布的pH值为6，是为了保证在后期的生化检测中，不会因此出现很大的干扰。

4)处理后的棉布平铺在平台上，并在其上面覆盖着具有设计图案的网板，用力压紧，防止网板或棉布移动。接着，用蜡笔涂蜡，再用具有平滑表面的勺子碾磨，使蜡透过网板附着在棉布表面；

5)涂蜡碾磨后，棉布与网板粘在一起，保持棉布与网板不分离，一起放在温度为75℃的加热板上烘烤5s，使得蜡充分渗入棉布中，然后将棉布与网板分离，得到布基微流控分析芯片，如图1所示；

6)在蜡网印加工成的布基微流控分析芯片的亲水区域中滴加胭脂红溶液，发现溶液能很好地充满整个亲水区域而并不扩散至疏水区域，如图2所示，从而验证了布基微流控分析芯片蜡网印成功。

实施例2

高通量布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法

1.利用软件Adobe Illustrate CS5设计的网板图案如图3所示，图案中黑色表示蜡可以透过网板，白色表示蜡不可以透过网板。在宽与高分别为160mm、120mm的矩形画布上，设计了两种不同尺寸的圆形阵列。一种阵列是圆直径为8mm，4行12列布置；另一种阵列是圆直径为10mm，4行9列布置。

2.根据网板设计图案制作成的网板如图4所示，该网板中深色表示蜡不能透过的部分，对应着在棉布衬底上形成亲水区域；浅色表示蜡能透过的部分，对应着在棉布衬底上形成疏水区域。网板的材料为涤纶网纱，外框为铝合金。

3.利用上述网板，选取直径8mm圆形的阵列制作高通量布基微流控分析芯片，如图5所示，芯片上圆形区域为亲水性微池，其余部分为疏水区域。

加工方法的其他具体步骤如实施例1所述。

实施例3

布基微流控分析芯片亲水性通道的分辨率

如图6所示，布基微流控分析芯片的亲水性通道设计宽度从0.9mm变化到2.5mm(依次递增0.2mm)。当熔融温度和加热时间分别为75℃和5s时，胭脂红染料溶液均能充满设计宽度大于1.9mm的亲水性通道。然而，在熔融温度保持不变的情况下，仅仅将加热时间提升至10s和15s，即使在设计宽度最大(2.5mm)的亲水性通道中胭脂红染料溶液也不能成功充满。因此，蜡网印加工的布基微流控分析芯片亲水性通道最小宽度能达到1.9mm。棉布表面的蜡加热熔融之后，不仅垂直向棉布内部渗透，还向四周扩散。并且，在熔融温度一定时，加热时间越长，蜡越趋向于往四周扩散。随着加热时间的增加，疏水区域的蜡朝亲水通道一侧扩散越多，使得实际的亲水通道变窄，甚至不能构成亲水通道。

加工方法的其他具体步骤如实施例1所述。

实施例4

布基微流控分析芯片疏水坝的分辨率

如图7所示，选取一系列疏水坝设计宽度，其范围从50μm变化到450μm，依次递增50μm。当熔融温度和加热时间分别为75℃和5s时，设计宽度为300μm的疏水坝可以完全有效地防止住胭脂红染料溶液从一个亲水区域扩散至另一亲水区域。虽然设计宽度小于300μm的疏水坝偶尔也能防止染料溶液扩散，但其表现不稳定。当蜡网印加工条件设定为75℃和10s时，最小有效疏水坝的设计宽度降低至150μm。当加热时间进一步延长至15s时，最小有效疏水坝的设计宽度能达到100μm。如实例3中所述，在熔融温度一定时，加热时间越长，蜡越趋向于往四周扩散。随着加热时间的增加，蜡在疏水坝的两侧向亲水区域扩散越多，使得实际疏水坝的宽度增加，阻碍液体扩散的能力越强。

加工方法的其他具体步骤如实施例1所述。

实施例5

以人工尿液中牛血清蛋白、葡萄糖的比色检测为例，考察布基微流控分析芯片的生化检测应用

本实施例采用实施例2中所制的高通量布基微流控分析芯片，其中圆形反应池的直径为8mm，4行12列布置，如图5所示。

1、人工尿中牛血清蛋白检测过程如下：

1)在反应池(即亲水区)内加入15μL的250mM(毫摩尔/升)柠檬酸盐缓冲液(pH值1.8)，室温下晾干1h；

2)加入5μL的9mM四溴酚蓝溶液，室温下晾干10min；

3)加入3μL含不同浓度牛血清蛋白的人工尿溶液，室温下晾干10min后用平板扫描仪获得分析芯片扫描图片，如图8所示；

4)用软件Photoshop CS4打开图片，转化为CMYK模式，选择青色通道，选择相应的显色区域，记录软件自动给出的平均颜色强度值，再利用Origin 7.0软件处理数据，得到相对平均颜色强度值与人工尿溶液中所含牛血清蛋白浓度之间的关系曲线，如图9所示。

图8-9表明布基微流控分析芯片能比色检测人工尿中5μM甚至更小浓度的牛血清蛋白。

2、人工尿中葡萄糖检测过程如下：

1)在反应池(即亲水区)中加入3μL的0.6M(摩尔/升)碘化钾溶液，室温下晾干10min；

2)加入3μL酶混合溶液，此溶液由120U/mL(单位/毫升)葡萄糖氧化酶溶液和30U/mL辣根过氧化物酶溶液按体积比5:1混合而成，室温下晾干10min；3)加入3微升含不同浓度葡萄糖的人工尿溶液，室温下晾干10min后，用平板扫描仪获得分析芯片扫描图片，如图10所示；

4)用软件PhotoshopCS4打开图片，转化为8位灰度模式，选择相应的显色区域，记录软件自动给出的平均灰度值，再利用Origin 7.0软件处理数据，得到相对平均灰度值与人工尿溶液中所含葡萄糖浓度之间的关系曲线，如图11所示。

图10-11表明布基微流控分析芯片能比色检测人工尿中0.5mM葡萄糖。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将棉布置于容器中，加水，煮沸；将棉布取出，晾干水分，放入另一容器中，加入碳酸钠溶液浸泡；然后将棉布取出，用水冲洗后晾干；

(2)将经步骤(1)处理后的棉布平铺在平台上，把具有设计图案的丝网印刷网板覆盖在棉布之上，涂蜡，碾磨；然后将网板和棉布一起烘烤，烘烤完毕将棉布与网板分离，即得到布基微流控分析芯片。

2.根据权利要求1所述的布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法，其特征在于：所述的加入碳酸钠溶液浸泡，是浸泡5-10min。

3.根据权利要求1所述的布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法，其特征在于：所述的丝网印刷网板为涤纶网纱材质，图案用软件Adobe Illustrate CS5设计。

4.根据权利要求1所述的布基微流控分析芯片的蜡网印加工方法，其特征在于：所述的烘烤是在75℃的加热板上烘烤5s。

5.一种布基微流控分析芯片，其特征在于：是由权利要求1-4任一项所述的方法制备得到。

6.权利要求5所述的布基微流控分析芯片在生化检测中的应用。

7.权利要求5所述的布基微流控分析芯片在尿液中牛血清蛋白或葡萄糖的比色检测中的应用。