CN104437689A - 基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，包括(1)打印要加工的黑白底稿，打印完成后裁切出打印区域，获得光敏印章曝光用掩膜；(2)利用掩膜对光敏印章垫曝光，获得带有图案的光敏印章垫；(3)利用光敏印章垫印制纸基微流控芯片。本发明的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，与传统方法相比，不需要洁净间的苛刻条件，不需要绝对平整的表面、不需要昂贵的光刻技术，具有操作灵活方便等优点，且加工精度高。

Description

基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法

技术领域

本发明涉及一种纸基微流控芯片的制造方法，尤其是涉及一种采用光敏印章印刷进行纸基微流控芯片制造的方法。。

背景技术

纸质微流控芯片(microfluidic paper-based analytical devices，μPADs)，简称纸芯片，是以纸(如滤纸、层析纸及硝酸纤维素膜等)作为芯片制作材料和生化分析平台的一种微流控芯片。由于滤纸本身具有毛细作用，可自动驱动样品和试剂，无需外置压力泵等设备，有利于分析系统的集成化和便携化。2007年，Whitesides研究小组第一次提出纸芯片实验室这一概念，纸芯片在随后的几年间得到迅猛的发展。目前纸芯片的制作方法主要有光刻法、蜡印法、打印法、绘图法、丝网印刷法等，利用这些方法，在纸上形成由疏水坝构成的亲水性通道网络，制作纸质微流控芯片。

目前的纸芯片制造方法主要包括：最初Martinez等对浸透SU-8光刻胶的滤纸进行光刻，受紫外光照射的区域SU-8光刻胶固化，形成疏水坝，然后洗去未固化的光刻胶，从而在疏水坝之间获得亲水性通道(Martinez,A.W.,Phillips,S.T.,Butte,M.J.,Whitesides,G.M.Angew.Chem.,PatternedPaper as a Platform for Inexpensive,Low-Volume,Portable Bioassays,Int.Ed.2007,46,1318–1320)。Haller等采用化学气相沉积在滤纸上沉积光敏材料后进行紫外光刻，固化区域形成疏水坝，随后洗去未固化的光敏材料，从而在疏水坝之间获得亲水性通道(Patrick D.Haller,Cristofer A.Flowersand Malancha Gupta Three-dimensional patterning of porous materials usingvapor phase polymerization,Soft Matter,2011,7,2428-2432)。He先使用十八烷基三氯化硅烷(OTS)将滤纸处理为疏水，然后进行UV掩膜光刻，使得照射后的区域变为亲水，未照射区域仍然保持疏水性，从而获得由疏水坝构成的亲水性通道网络(Qiaohong He,Cuicui Ma,Xianqiao Hu,andHengwu Chen.Method for Fabrication of Paper-Based Microfluidic Devicesby Alkylsilane Self-Assembling and UV/O3-Patterning.Anal.Chem.2013,85,1327-1331)。

Lu等提出了基于喷蜡打印(Wax Printing)方式的纸芯片制造方法，通过喷蜡打印机打印出疏水区域图案后，将纸进行烘烤，待蜡渗透入纸中，从而获得亲疏流道相间的纸芯片(Yao Lu,Weiwei Shi,Lei Jiang,Jianhua Qin,Bingcheng Lin,Rapid prototyping of paper-based microfluidics with wax forlow-cost,portable bioassay,Electrophoresis 2009,30,1497-1500)。

Abe等先将滤纸浸入溶有聚苯乙烯的甲苯溶液，待甲苯挥发后滤纸变为疏水性。采用甲苯溶液作为墨水，通过喷墨打印方式在滤纸上打印出设定图案，由于甲苯可溶解聚苯乙烯，设定图案区域便变为亲水通道，从而获得纸芯片(K.Abe,K.Koter,K.Suzuki,D.Citterio,Inkjet-printedpaperfluidic immuno-chemical sensing device.Anal.Bioanal Chem,2010,398,885–893.)。Li等将烷基烯酮二聚物(AKD)溶液打印到滤纸上，然后烘干AKD溶液形成疏水坝来获得纸芯片(Xu Li,Junfei Tian,Gil Garnier,WeiShen.Fabrication of paper-based microfluidic sensors by printing,Colloidsand Surfaces B:Biointerfaces,2010,76,564–570)。

Dungchai等使用蜡丝网印的方法进行纸芯片的制作，他们通过将蜡喷在作为掩膜的丝网上，然后烘烤获得蜡疏水坝，实现微流控芯片的制作(W.Dungchai,O.Chailapakul,C.S.Henry,A low-cost,simple,and rapidfabrication method for paper-based microfluidics using wax screen-printing,Analyst,2011,136,77-82)。Bruzewicz等通过使用笔直写(Direct writing)的方式制作纸芯片，他们使用改造后的笔挤出PDMS溶液，通过绘图仪控制笔进行二维运动从而构造出疏水区(D.A.Bruzewicz,M.Reches,G.M.Whitesides,Low-cost printing of poly(dimethylsiloxane)barriers to definemicrochannels in paper,Anal.Chem.,2008,80,3387-3392.)。Fenton等通过数控切纸仪(computer-controlled knife plotter)对滤纸进行裁切构成亲水性通道，再在封胶带上切割出进液口，构成纸芯片(E.M.Fenton,M.R.Mascarenas,G.P.Lo'pez,S.S.Sibbett,Multiplex lateral-flow test stripsfabricated by two-dimensional shaping,Appl.Mater.Inter.2009,1,124-129.)。

上述各种方法各有利弊，光刻法分辨率高，但价格昂贵，且制作过程中易产生有毒的中间产物；蜡印法加工方便，但需要购置专用的喷蜡打印机；打印法使用普通喷墨打印机即可制作但需要改造打印机，制作过程需要反复打印；绘图法较为灵活但分辨率不高；丝网印刷法需要专用丝网印模，精度不高。

发明内容

本发明提出了一种基于光敏印章印刷(Flash Foam Stamp Lithography,FFSL)的纸基微流控芯片的制造方法，使用目前非常成熟的光敏印章作为纸基微流控芯片的核心模版。本发明不需要洁净间的苛刻条件，不需要绝对平整的表面、不需要昂贵的光刻技术，具有操作灵活方便等优点。

一种基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，步骤如下：

(1)掩膜制作

使用激光或喷墨打印机打印要加工的黑白底稿，目前激光打印机的分辨率可达1200DPI，喷墨打印机可达2400DPI，因而打印出的图案的分辨率可达到20μm。打印纸可选用半透明的硫酸纸或印刷中专用的菲林纸。打印完成后裁切出打印区域，获得光敏印章曝光用掩膜。

(2)制造光敏印章

依次把掩膜放在曝光机(曝光机为商业化的光敏印章机)的玻璃片上，上面放同样大小的光敏印章垫，将两者夹紧，盖上曝光机盖子，曝光。通常曝光次数控制在1-10次。曝光完成，在曝光面获得带有图案的光敏印章垫，该光敏印章垫对应的曝光面即为光敏印章印刷纸基微流控芯片所用的工作面，利用该光敏印章垫组装光敏印章。

其成型原理为：光敏印章垫是一种超微泡材料，其表面的微孔孔径非常小，平均孔径小于30μm。本身具有储油渗油及光闪熔特性。光敏材料在受到强光照射的时候，可以吸收光能并转换成热能，颜色越暗吸收的能量越多。曝光时，光敏印章垫表面见光部分瞬间吸收大量的光能后，温度迅速上升并达到熔点，闪光结束后，表面熔体的温度迅速降低，形成一定厚度和强度的薄膜，这层薄膜同时起到封孔闭孔的作用，并隔绝印油的渗透。而没有受到光照的部分仍然可以储油渗油。

(3)制作纸基微流控芯片。

方法一、疏水坝直接盖印

将光敏印章垫浸入液态疏水材料A中，利用光敏印章垫上未曝光区域上的微孔，吸收液态疏水材料A，根据疏水材料粘度的不同，浸入时间可在10s-24h甚至更长，进一步优选为10-30min。取出吸收了液态疏水材料的光敏印章垫后，将光敏印章垫的工作面表面上的液态疏水材料A擦拭干，在亲水型分析滤纸上以盖印的方式保持一段时间，通常为0.5s-5min，进一步优选为1-2s，液态疏水材料A通过毛细管效应从光敏印章垫上未曝光区域渗透到亲水型分析滤纸上。然后通过在烤箱内烘烤等方式将亲水型分析滤纸上的液态疏水材料固化，形成疏水坝，而疏水坝间隔离出的亲水通道即可用于微流控分析。所述疏水材料A为常见的可固化的材料，作为优选，所述疏水材料A为硅橡胶。所述硅橡胶的固化温度为60-70℃，固化时间为2-3h。

目前直接将疏水材料有序沉积到分析滤纸上，获得疏水坝，利用疏水坝间隔离出的亲水通道制造微流控纸芯片的方法，一种是通过绘图技术制备(D.A.Bruzewicz,M.Reches,G.M.Whitesides,Low cost printing ofpoly(dimethylsiloxane)barriers to define microchannels in paper,Anal.Chem.2008,80,3387-3392.)。一种是喷蜡技术(Y Lu,W.Shi,J.Qin,B.Lin,Fabrication and characterization of paper-based microfluidics prepared innitrocellulose membrane by wax printing,Anal.Chem.2010,82,329-335.)

绘图技术的原理是将PDMS稀释剂作为墨水装入台式绘图仪笔中，使用绘图仪在滤纸土自动描绘出所设计的图形，PDMS稀释剂描绘的区域形成疏水坝，滤纸其他区域保持原有的亲水性。该方法制得微流控纸芯片的精度较低约在1mm左右，难以批量化。和该方法相比，本方法无需大型设备，成本极低，同时精度可以控制在100微米以内。

喷蜡技术的原理主要是通过喷蜡打印机或手工将蜡有效沉积到分析滤纸表面，然后通过烘烤使得蜡渗透入纸芯片内部，获得疏水坝，滤纸其他区域保持原有的亲水性。该方法制得微流控纸芯片需要较贵的喷蜡打印机，难以批量化。和该方法相比，本方法采用的盖印方式容易批量生产，专用的设备只是一台光敏印章曝光机，约在500元作用，成本低。

方法二、亲水通道盖印

先将分析滤纸浸入疏水材料A′中，完全浸透后，将分析滤纸取出晾干，使得亲水的分析滤纸变为疏水滤纸。将光敏印章垫浸入可溶解疏水材料A′的溶剂B中，利用光敏印章上未曝光区域的微孔，吸收溶剂B，根据溶剂B粘度的不同，浸入时间可在10s-24h甚至更长；进一步优选为8-10min。取出充满溶剂B的光敏印章垫后，将光敏印章垫的工作面表面上的溶剂B材料擦拭干，使用光敏印章垫上带有微结构的表面在分析滤纸上以盖印的方式保持一段时间，通常为0.5s-5min；进一步优选为1-1.2min。溶剂B通过毛细管效应从光敏印章垫上未曝光区域传递到分析滤纸上，溶解了疏水材料A′，使得溶解后的区域变为亲水通道，该亲水通道可用于微流控分析。

所述的疏水材料A′可采用高分子材料的溶液；采用的溶剂与溶剂B可相同或者不同，分别独立的优选为甲苯或者丙酮；所述的高分子材料优选为聚苯乙烯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料；作为更进一步优选，所述高分子材料的溶液为聚苯乙烯的甲苯溶液或者丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料的丙酮溶液。所述高分子材料的溶液的质量百分比浓度为1-2％，进一步优选为1-1.2％。

使用溶剂刻蚀疏水材料，在刻蚀区形成亲水通道的方法目前主要是通过喷墨打印的方式进行(K.Abe,K.Koter,K.Suzuki,D.Citterio,Inkjet-printed paperfluidic immuno-chemical sensing device,Anal.Bioanal.Chem,2010,398,885-893.)。其具体步骤为先将分析滤纸浸入1.0-1.8％的聚苯乙烯甲苯溶液中2h，取出滤纸待溶剂挥发后获得疏水滤纸；通过喷墨打印机在设计的亲水通道位置多次打印甲苯溶剂(10-20次)，从而有效去除聚苯乙烯，形成亲水通道；同样通过打印机在设定区域打印或固定化学或生物试剂，用于后续的分析检测。这种方法制作纸芯片，缺点是需要多次打印，难以用于批量生产。本方法无需多次打印，方便快捷，同样也可用盖印的方式固定化学或生物试剂，批量生产也很方便。

本发明提出FFSL方法和普通使用盖章方法表面看有相同之处，其实质截然不同，目的也完全不同。普通盖章的目的是将油墨深入纸张中，形成图案，要求墨水的渗透性能好，对油墨材料是否疏水，是否能固化无要求。本发明要使用可固化的墨水，如PDMS压入滤纸中，待PDMS固化后，在滤纸的截面形成一条条疏水坝，从而在疏水坝之间构成流道，对墨水的要求是渗透性低，否则难以控制疏水坝的尺寸。由于纸张的毛细效应，分析试样被约束在流道中定向流动，构成纸基微流控芯片。

本发明的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，与传统方法相比，不需要洁净间的苛刻条件，不需要绝对平整的表面、不需要昂贵的光刻技术，具有操作灵活方便等优点，且加工精度高。

附图说明

图1为基于光敏印章印刷(FFSL)的纸基微流控芯片的制造方法原理图。

图2为实施例1中疏水坝设计图案。

图3为实施例1中基于疏水坝直接盖印方式制作纸基微流控芯片结构图。

图4为实施例2、实施例3中亲水通道设计图案。

图5为实施例2、实施例3中基于亲水通道盖印方式制作纸基微流控芯片结构图。

具体实施方式

实施例1

图1为本实施例中基于光敏印章印刷(FFSL)的纸基微流控芯片的制造方法原理图。

(1)掩膜制作

使用喷墨打印机打印要加工的黑白底稿如图2所示，打印分辨率为1200DPI，打印出的图案的精度可控制在30μm以内。打印纸选用印刷中专用的菲林。打印完成后裁切出打印区域，获得光敏印章曝光用掩膜。

(2)制造光敏印章

依次把掩膜放在商业化的光敏印章机(巨龙之光G180智能自动曝光光敏印章机)的镜片上，上面放同样大小的光敏印章垫，将两者夹紧，盖上曝光机盖子，曝光。曝光次数选择为3次。曝光完成，在曝光面获得带有图案的光敏印章，该面即为光敏印章印刷纸基微流控芯片所用的工作面。

(3)基于疏水坝直接盖印方式制作纸基微流控芯片。

将光敏印章浸入液态疏水材料PDMS中(PDMS，硅橡胶)，利用光敏印章上未曝光区域上的微孔，吸收液态疏水材料PDMS，浸入时间为15min。取出吸收了液态疏水材料的光敏印章后，将工作面表面上的液态疏水材料擦拭干，在亲水型分析滤纸(Whatman No.1滤纸)上以盖印的方式保持1s，液态疏水材料通过毛细管效应从未曝光区域渗透到滤纸上。然后通过在烤箱内烘烤等方式将滤纸上的液态疏水材料PDMS固化，形成疏水坝。固化温度为60℃，固化时间为2h。固化完成后，由疏水坝2间隔离出的亲水通道1即可用于微流控分析。图3为制作完成的纸基微流控芯片。

实施例2

(1)掩膜制作

使用喷墨打印机打印要加工的黑白底稿如图4所示，打印分辨率为1200DPI，打印出的图案的精度可控制在30μm以内。打印纸选用印刷中专用的菲林。打印完成后裁切出打印区域，获得光敏印章曝光用掩膜。

(2)制造光敏印章

依次把掩膜放在商业化的光敏印章机(巨龙之光G180智能自动曝光光敏印章机)的镜片上，上面放同样大小的光敏印章垫，将两者夹紧，盖上曝光机盖子，曝光。曝光次数选择为3次。曝光完成，在曝光面获得带有图案的光敏印章，该面即为光敏印章印刷纸基微流控芯片所用的工作面。

(3)基于亲水通道盖印方式制作纸基微流控芯片。

将Whatman No.1滤纸浸入由甲苯溶解的聚苯乙烯溶液中2h，聚苯乙烯浓度为1.2％。取出滤纸待溶剂挥发后获得疏水滤纸。将光敏印章浸入甲苯中，利用光敏印章上未曝光区域上的微孔，吸收甲苯，浸入时间为8min。取出吸收了甲苯的光敏印章后，将工作面表面上的甲苯擦拭干，在疏水滤纸上以盖印的方式保持1min，通过毛细管效应将甲苯从未曝光区域传递到分析滤纸上，溶解该区域的聚苯乙烯，取下印章后使用酒精冲洗滤纸表面，去除残余甲苯，从而获得亲水通道3。而未溶解区域构成疏水坝4，最终获得纸基微流控芯片，图5所示。

实施例3

(1)掩膜制作

使用喷墨打印机打印要加工的黑白底稿如图4所示，打印分辨率为1200DPI，打印出的图案的精度可控制在30μm以内。打印纸选用印刷中专用的菲林。打印完成后裁切出打印区域，获得光敏印章曝光用掩膜。

(2)制造光敏印章

依次把掩膜放在商业化的光敏印章机(巨龙之光G180智能自动曝光光敏印章机)的镜片上，上面放同样大小的光敏印章垫，将两者夹紧，盖上曝光机盖子，曝光。曝光次数选择为3次。曝光完成，在曝光面获得带有图案的光敏印章，该面即为光敏印章印刷纸基微流控芯片所用的工作面。

(3)基于亲水通道盖印方式制作纸基微流控芯片。

将Whatman No.1滤纸浸入由丙酮溶解的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)溶液中2.5h，ABS浓度为1.0％。取出滤纸待溶剂挥发后获得疏水滤纸。将光敏印章浸入丙酮中，利用光敏印章上未曝光区域上的微孔，吸收丙酮，浸入时间为10min。取出吸收了丙酮的光敏印章后，将工作面表面上的丙酮擦拭干，在疏水滤纸上以盖印的方式保持1.2min，通过毛细管效应将丙酮从未曝光区域传递到分析滤纸上，溶解了该区域的ABS，取下印章后使用酒精冲洗滤纸表面，去除残余甲苯，从而获得亲水通道。而未溶解区域构成疏水坝，最终获得纸基微流控芯片。

Claims (9)

1.一种基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，其特征在于，步骤如下：

(1)掩膜制作：根据需要加工的纸基微流控芯片的流道结构，打印要加工的黑白底稿，打印纸选用半透明材质，打印完成后裁切出打印区域，获得光敏印章曝光用掩膜；

(2)制造光敏印章：利用掩膜对光敏印章垫曝光，曝光完成，获得带有图案的光敏印章垫，该光敏印章垫对应的曝光面即为光敏印章垫印刷纸基微流控芯片所用的工作面；

(3)利用步骤(2)中得到的光敏印章垫印制纸基微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，其特征在于，步骤(3)中印制纸基微流控芯片的方法如下：

(3-1)将光敏印章垫浸入液态疏水材料A中，利用光敏印章垫上未曝光区域上的微孔，吸收液态疏水材料A；

(3-2)取出吸收了液态疏水材料A的光敏印章垫后，将光敏印章垫的工作面表面上的液态疏水材料A擦拭干；

(3-3)将吸收了液态疏水材料A的光敏印章垫盖印在亲水型分析滤纸上，液态疏水材料A从光敏印章垫上未曝光区域渗透到亲水型分析滤纸上；

(3-4)将亲水型分析滤纸上的液态疏水材料固化，形成疏水坝，而疏水坝间隔离出的亲水通道即可用于微流控分析。

3.根据权利要求2所述的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，所述疏水材料A为硅橡胶。

4.根据权利要求2所述的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，所述盖印时间为0.5s-5min。

5.根据权利要求1所述的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，其特征在于，步骤(3)中印制纸基微流控芯片的方法如下：

(3′-1)将亲水型分析滤纸浸入疏水材料A′中，完全浸透后，将分析滤纸取出晾干，使得亲水型分析滤纸变为疏水型滤纸；

(3′-2)将光敏印章垫浸入可溶解疏水材料A′的溶剂B中，利用光敏印章上垫未曝光区域的微孔，吸收溶剂B；

(3′-3)取出充满溶剂B的光敏印章垫后，将光敏印章垫的工作面表面上的溶剂B擦拭干；

(3′-4)将光敏印章垫盖印在疏水型分析滤纸，溶剂B通过毛细管效应从光敏印章垫上未曝光区域传递到疏水型分析滤纸上，溶解了对应区域的疏水材料A′，使得溶解后的区域变为亲水通道，该亲水通道可用于微流控分析。

6.根据权利要求5所述的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，其特征在于，所述盖印时间为0.5s-5min。

7.根据权利要求5所述的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，其特征在于，所述疏水材料A′为聚苯乙烯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。

8.根据权利要求5所述的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，其特征在于，所述溶剂B为甲苯或者丙酮。

9.根据权利要求1-8任一权利要求所述的基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法，其特征在于，步骤(1)中采用激光打印机或喷墨打印机打印。