CN104677896A - 一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备及应用 - Google Patents

Abstract

一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备及应用，所述制备是将亲水通道贴合于疏水基底上，其中亲水通道是先在滤纸上打印通道图案后剪切得到；疏水基底是用甲基三氯硅烷与十八烷基三氯硅烷的正己烷溶液处理滤纸得到的；所述应用是利用该纸基微流控芯片，结合比色分析法，实现快速定量检测。本制备方法简单快捷，制作周期短，成本低，能耗小，无污染。适用于临床诊断、食品卫生、环境监测及生物化学等领域，应用前景十分广泛。

Description

一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备及应用

技术领域

本发明涉及一种纸基微流控芯片的制作方法及应用，具体的说是一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备方法。

背景技术

作为一种新兴的微流控分析技术平台，微流控芯片(Microfluidic chip)不仅显著降低了试剂消耗量，而且有效提高了分析效率。因此在临床诊断、食品卫生、环境监测及生物化学等领域有很大的应用前景。

传统的以硅材料、石英和玻璃材料以及高分子聚合物等为基材的微流控芯片的制备不仅操作复杂，成本高而且对工艺环境要求严格，限制了微流控芯片的推广和应用。自2007年Whitesides 组首次提出纸基微流控芯片(microfluidic paper-based analytical devices，纸基微流控芯片)的概念后，纸基微流控芯片分析技术得到了迅猛发展。与传统的微流控芯片相比，纸基微流控芯片利用纸的毛细作用引导液体在亲水纸通道内流动，因此无需额外的流体驱动装置。此外纸基微流控芯片还具有成本低、操作性强、生物兼容性好、后续处理简单等特点，可作为小型化、便携式的现场快速检测(Point-of-care test, POCT)器件。

目前已有报道用紫外光刻、蜡印、等离子体处理、喷墨打印以及激光处理等方法制备纸基微流控芯片。例如：

2007年Whitesides 小组将 SU-8 光胶涂在滤纸上，然后在掩模的保护下进行紫外光刻，曝光区的光胶形成疏水“坝”，显影除掉未曝光的光胶，即形成亲水区域，制得纸基微流控芯片。(A. W. Martinez, S. T. Phillips, M. J. Butte, G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 46 (2007) 1318-1320)。2013年He 等报道了一种在掩膜覆盖下利用紫外降解硅烷化滤纸的方法，制得纸基微流控芯片（Q. H. He, C. C. Ma, X. Q. Hu and H. W. Chen, Ana. Chem. 85 (2013) 1327-1331）。

此外，Whitesides小组(E. Carrilho, A. W. Martinez, G. M. Whitesides, Anal. Chem. 81 (2009) 7091-7095 ) 以及Lin小组(Y. Lu, W. W. Shi, J. H. Qin, B. C. Lin, Anal. Chem., 82 (2010) 3329-335)相继用蜡印技术制得纸基微流控芯片。

Shen等利用AKD处理亲水性滤纸，提出了等离子体技术制作纸基微流控芯片的方法(X. Li, J. F. Tian, T. Nguyen, W. Shen, Anal. Chem., 80 (2008) 9131-9134)。2010年他们改进了等离子体处理技术，用喷墨打印机在滤纸局部区域直接打印AKD溶液的方法制作纸基微流控芯片 (X. Li, J. F. Tian, G. Garnier, W. Shen, Colloid Surf. B: Biointerfaces, 76 (2010) 564-570)。

2013 年Nie等报道了一种直接通过CO₂激光切割机激光刻蚀滤纸的方法加工纸基微流控芯片(J. Nie, Y. Liang, Y. Zhang, S. Le, etc. Analyst 138 (2013) 671-676)。

Zhu等用剪纸的方法制得树形和Y形纸基微流控芯片，用于检测血清中葡萄糖的浓度(W. J. Zhu, D. Q. Feng, M. Chen, Z. D. Chen, R. Zhu,H. L. Fang,W. Wang, Sensors and Actuators B，190 (2014) 414-418)。

公开号为：CN 103394384 A公开了“纸基微流控芯片及其制备方法”，是一种包括纸基芯片和纸基底片的纸基微流控芯片，纸基底片粘接在纸基芯片的底部，然后通过加热和/或紫外光照射进行交联固化处理。本发明还公开了一种三维纸基微流控芯片，由纸基微流控芯片经拉伸或折叠形成。

公开号为：CN 104198469 A公开了“双性电极电致化学发光纸基微流控芯片及其成像传感应用”，在设计好的微流控通道和电极图案网板上刷涂导电碳浆，将电极的形状印刷在滤纸上，再把该滤纸紧贴在网板上，用蜡笔在网板上刷涂，然后加热，得到双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片。

公开号为：CN 203949878 U公开了“一种用于葡萄糖、尿酸、乳酸同时检测的纸基微流控芯片”，利用作图软件绘制好的芯片微通道构型，加工成镂空的玻璃模型，用油性记号笔顺着镂空模型，在普通定性滤纸上双面绘制各个区域及微通道，并利用该微流控芯片，结合氧化酶和辣根过氧化物酶的显色体系，同时测定血清样品中的葡萄糖、尿酸、乳酸。

然而上述这些方法大多在实验条件、制作成本及时间、操作工艺、批量生产、通道分辨率等方面存在一定的限制。而Nie等在2013年提出的通过CO₂激光切割机激光刻蚀滤纸的方法(J. Nie, Y. Liang, Y. Zhang, S. Le, etc. Analyst 138 (2013) 671-676)以及2014年Zhu等人的剪纸法(W. J. Zhu, D. Q. Feng, M. Chen, Z. D. Chen, R. Zhu,H. L. Fang,W. Wang, Sensors and Actuators B，190 (2014) 414-418)虽然克服了以上缺点，但是各自也有明显的不足。前者会因为液体在亲水通道内纵向渗透到通道背面，导致流动液体被污染以及污染与其接触的物体；而后者由于只有亲水通道，没有基底，因此在使用的时候需要外加一个夹持器械，给检测操作带来一定的麻烦。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备及应用，使得纸基微流控芯片的制备方法简单快捷，制作周期短，成本低，能耗小，无污染，并结合比色分析法，实现快速定量检测的目的。

上述目的是通过以下技术方案实现的。

一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备，其特征在于：所述纸基微流控芯片是由亲水通道贴合于疏水基底上构成；

所述疏水基底的制备方法是按以下步骤进行的：

（1）室温下将甲基三氯硅烷与十八烷基三氯硅烷按7:3的体积比溶于正己烷溶液中，搅拌均匀，混合溶液浓度为0.1%；

（2）室温下将滤纸置于上述混合溶液中，浸泡5分钟；

（3）取出上述滤纸，置于恒温干燥箱中加热干燥5分钟，获得疏水基底；

所述亲水通道的制备方法是按以下步骤进行的：

（1）设计亲水通道构型；

（2）用喷墨打印机将上述设计好的亲水通道构型图案打印在滤纸上；

（3）剪切打印在滤纸上的亲水通道构型图案，获得亲水通道。

在上述技术方案中，进一步的附加技术方案如下。

所述亲水通道和疏水基底是中速定性滤纸，平均厚度是0.18mm，平均孔径是11μm。

所述疏水基底的表面水接触角是142°~150°。

一种用于上述的基于比色分析的快速检测纸基微流控芯片在生化检测六价铬的应用，其所述应用是按下列步骤进行的：

(1) 分别称取0.06g和0.3g的1,5-二苯基卡巴肼和甲基三辛基氯化铵，溶于10ml丙酮，搅拌至完全溶解，并置于4oC冰箱中避光保存备用，用作显色剂；

(2)将亲水通道置于干净的玻璃培养皿上，用移液枪将显色剂滴入亲水通道正中央的加样区，室温干燥；

(3)将添加有显色剂的亲水通道的背面喷洒少量胶液，然后粘贴到疏水基底的中心；

(4)用K₂CrO₄配制1000mg/L的六价铬溶液，并用HCL和NaOH溶液调节到pH=4，后分别稀释至100mg/L、25mg/L、10mg/L、5mg/L、2mg/L、0.5mg/L。

(5)用移液枪分别移取不同浓度的样品滴加于检测区，与经微通道流至检测区的显色剂完全反应；

(6)待显色稳定后，用扫描仪扫描显色结果，然后用Photoshop软件分别获取不同显色区在CMYK色彩模式下的M值，然后得到在一定浓度显色剂下显色强度随着六价铬浓度的变化曲线。

实现上述本发明所提供的一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备及应用，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：本发明将亲水通道和疏水基底贴合于一起，利用该纸基微流控芯片的毛细作用引导液体在亲水纸通道内流动，无需额外的流体驱动装置；而且纸基微流控芯片还具有制作成本低、操作性强、生物兼容性好、后续处理简单等特点。

本发明制备方法简单快捷，制作周期短，成本低，能耗小，无污染，结合比色分析法，实现了快速定量检测的目的，因此可作为小型化、便携式的现场快速检测器件，特别是在临床诊断、食品卫生、环境监测及生物化学等领域有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明疏水基底在处理前的扫描电镜（SEM）照片。

图2是本发明疏水基底在处理后的扫描电镜（SEM）照片。

图3是本发明亲水通道的构型图。

图4是本发明纸基微流控芯片用于检测六价铬的显色结果扫描图。

图5是本发明图4中在一定浓度显色剂下显色强度(M值)随着六价铬浓度的

变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，但本发明的具体实施方式不限于此。

具体实施方式1

如附图1、附图2和附图3所述，实施本发明上述所提供的一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备方法，其所制备的纸基微流控芯片是由亲水通道通过喷胶粘合在疏水基底上构成的，或者是通过其它任何方法粘贴在一起均可，其中：

所述疏水基底的制备方法是按以下步骤进行的：

首先、在室温下，将甲基三氯硅烷与十八烷基三氯硅烷按7:3的体积比溶于正己烷溶液中，搅拌混合均匀，其混合溶液的浓度为0.1%；

其次、在室温下，将滤纸置于上述混合溶液中，浸泡5分钟；

最后、取出上述浸泡过的滤纸，再置于恒温干燥箱中，加热干燥5分钟，获得疏水基底；如附图2所示。

所述亲水通道的制备方法是按以下步骤进行的：

首先、用绘图软件设计好亲水通道形状构型；如附图3所示；

其次、用喷墨打印机将上述设计好的亲水通道形状构型图案打印在滤纸上；

最后、按照打印在滤纸上的图案，用剪刀剪切下打印在滤纸上的亲水通道形状构型图案，获得亲水通道。

在上述的实施方案中，亲水通道和疏水基底采用的是中速定性滤纸，其平均厚度是0.18mm，平均孔径是11μm均可。

在上述的实施方案中，疏水基底的表面水接触角是142°~150°均可。

实施例1

实施一种用于水中六价铬浓度检测的纸基微流控芯片的疏水化基底的制备方法，包括以下步骤。

（1）分别取7μL 和3μL的Sigma公司的甲基三氯硅烷和十八烷基三氯硅烷以及10mL的Aladdin公司的正己烷溶液在室温环境均匀混合。

（2）室温下将边长为6cm的圆角三角形滤纸在上述疏水化溶液中浸泡5分钟，取出后放入40°C的洁净恒温干燥箱，加热干燥5分钟，即得疏水化基底。

（3）用CorelDRAW软件设计亲水通道的形状，然后将其打印在滤纸上，最后按照打印的图案用剪刀剪下亲水通道。

（4）分别称取0.06g和0.3g的1,5-二苯基卡巴肼和甲基三辛基氯化铵，溶于10ml丙酮，搅拌至完全溶解，并放在4oC冰箱中避光保存，用作显色剂。

（5）将亲水通道放在干净的玻璃培养皿上，然后用移液枪取80μL显色剂，滴在亲水通道正中央的加样区，室温干燥。

（6）将亲水通道的背面喷少量喷胶，然后粘到疏水基底的中心。

实施例2

实施例1制得的纸基微流控芯片用于检测水中六价铬的应用，包括以下步骤：

（1）用K₂CrO₄配制1000mg/L的六价铬溶液，并用HCL和NaOH溶液调节到pH=4。然后分别稀释至100mg/L、25mg/L、10mg/L、5mg/L、2mg/L、0.5mg/L。

（2）用移液枪分别移取2μL的不同浓度的样品滴加于检测区，与经微通道流至检测区的显色剂完全反应。

（3）重复实验，用扫描仪扫描显色结果，用Photoshop软件分别获取不同显色区在CMYK色彩模式下的M值，最后把得到的数据导入Origin进行拟合，得到在一定浓度显色剂下显色强度随着六价铬浓度的变化曲线。

上述实施例为本发明用于水中六价铬浓度检测的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他基于比色分析的快速检测都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备，其特征在于：所述纸基微流控芯片是由亲水通道贴合于疏水基底上构成；

所述疏水基底的制备方法是按以下步骤进行的：

（1）室温下将甲基三氯硅烷与十八烷基三氯硅烷按7:3的体积比溶于正己烷溶液中，搅拌均匀，混合溶液浓度为0.1%；

（2）室温下将滤纸置于上述混合溶液中，浸泡5分钟；

（3）取出上述滤纸，置于恒温干燥箱中加热干燥5分钟，获得疏水基底；

所述亲水通道的制备方法是按以下步骤进行的：

（1）设计亲水通道构型；

（2）用喷墨打印机将上述设计好的亲水通道构型图案打印在滤纸上；

剪切打印在滤纸上的亲水通道构型图案，获得亲水通道。

2.如权利要求1所述的基于比色分析的快速检测纸基微流控芯片的制备，其特征在于：所述亲水通道和疏水基底是中速定性滤纸，平均厚度是0.18mm，平均孔径是11μm。

3.如权利要求1所述的基于比色分析的快速检测纸基微流控芯片的制备，其特征在于：所述疏水基底的表面水接触角是142°~150°。

4.一种用于如权利要求1所述的基于比色分析的快速检测纸基微流控芯片在生化检测六价铬的应用，其所述应用是按下列步骤进行的：

(1) 分别称取0.06g和0.3g的1,5-二苯基卡巴肼和甲基三辛基氯化铵，溶于10ml丙酮，搅拌至完全溶解，并置于4oC冰箱中避光保存备用，用作显色剂；

(2)将亲水通道置于干净的玻璃培养皿上，用移液枪将显色剂滴入亲水通道正中央的加样区，室温干燥；

(3)将添加有显色剂的亲水通道的背面喷洒少量胶液，然后粘贴到疏水基底的中心；

(4)用K₂CrO₄配制1000mg/L的六价铬溶液，并用HCL和NaOH溶液调节到pH=4，后分别稀释至100mg/L、25mg/L、10mg/L、5mg/L、2mg/L、0.5mg/L；

(5)用移液枪分别移取不同浓度的样品滴加于检测区，与经微通道流至检测区的显色剂完全反应；

(6)待显色稳定后，用扫描仪扫描显色结果，然后用Photoshop软件分别获取不同显色区在CMYK色彩模式下的M值，然后得到在一定浓度显色剂下显色强度随着六价铬浓度的变化曲线。