CN104841499A - 一种纸基数字微流器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纸基数字微流器件，其包含：下极板，该下极板由衬底、电极层、介质层及第一疏水层依次设置构成；其中，衬底要求化学性质稳定,不与试剂以及样品反应；及，上盖板，该上盖板包含第二疏水层及设置在其上的纸质层；该纸质层由样品吸收区域及非样品吸收区域构成。本发明以通用的单平面数字微流芯片为基础，上盖板材料采用滤纸等具有多孔结构的材料,并对该材料进行特殊处理后,使数字微流器件具有试剂贮藏,被动分离样品的功能。本发明具有设计新颖、制作简便等优点，大大地拓宽了介质电润湿数字微流芯片以及纸基微流芯片的实用功能及应用范围。

Description

一种纸基数字微流器件

技术领域

本发明属于数字微流控技术和纸基微流控的交叉领域，涉及一种基于介质上电润湿驱动的数字微流控技术以及纸基微流检测技术，具体涉及一种纸基数字微流器件。

背景技术

床边检测(Point of Care Testing, POCT)是指在病人床边或病房内进行的检测,现已扩展至无需传统医院检测设备在病人身边进行的快出检测手段。这种检测包含了一大类操作简单快速,且试剂稳定,便于保存和携带,而又不缺乏精确性的临床检测方法。

目前商业化的床边检测手段主要是基于纸基微流器件的检测。纸基微流器件具有操作简单,成本低廉的特点,一般应用于半定量分析的领域,主要是因为其在定量分析以及液体控制上就有着明显的缺陷。定量分析误差较大主要是由于试剂或样品的量难以控制。液体控制的缺陷源于纸基微流依靠毛细现象被动输运样品,有大量的试剂或样品浪费在输运的过程中。

基于电润湿的数字微流技术是指通过对电极上施加电压,通过静电力对单个液滴进行操控的技术,该技术具有实现简单,控制方便的特点,被认为是实现床边检测的有力候选技术。而通用的基于电湿润的数字微流芯片没有存储试剂的方法,在非实验室进行检测的时候十分不便。并且，在数字微流器件集成传统过滤的功能工艺复杂，成本高。

发明内容

本发明目的在于融合现有纸基微流器件以及电润湿数字微流器件,设计一种纸基数字微流器件使其同时具有纸基微流以及数字微流的特点,弥补单纯采用电润湿数字微流技术以及纸基微流技术的不足。

为达到上述目的，本发明提供了一种纸基数字微流器件，其包含：

下极板，该下极板由衬底、电极层、介质层及第一疏水层依次设置构成；其中，衬底要求化学性质稳定,不与试剂以及样品反应；及

上盖板，该上盖板包含第二疏水层及设置在其上的纸质层；该纸质层由样品吸收区域及非样品吸收区域构成。所述上盖板上并无电极,亲水区域以及疏水区域的形状、大小并不限定，依功能而定。

上述的纸基数字微流器件，其中，所述的上盖板还包含设置在纸质层上的阻挡层。该阻挡层是可选的,当没有配置阻挡层时,从上盖板上方加入的样品能够透过未经疏水处理的纸质层扩散到数字微流器件内部,对样品进行初步的被动分离,分离尺寸与所选取的上盖板的材料有关。与试剂贮藏的配置类似,需要与外部进行样品交换的位置的上盖板不进行疏水处理。

上述的纸基数字微流器件，其中，所述的电极层包含若干平面电极。

上述的纸基数字微流器件，其中，所述的纸质层为能够吸收试剂的多孔纤维材料，能够将试剂固定在该材料中,待有溶剂流过该区域时能够从中溶解出被固定的试剂。其中，非样品吸收区域经疏水处理过，不能吸收试剂。

上述的纸基数字微流器件，其中，所述的纸质层的材料选择滤纸。

上述的纸基数字微流器件，其中，所述的疏水处理是指涂蜡处理。

上述的纸基数字微流器件，其中，所述的第一疏水层、第二疏水层的材料选择蜡或特氟龙。

本发明的纸基数字微流器件的上盖板采用多孔材料作为基底材料作为纸质层，并对部分区域进行必要疏水处理，以作为非吸收样品区域；采用电极驱动液滴的方式为本发明的纸基微流器件提供液体输运的方法。

本发明的下极板中通用电极的设计应满足基于数字微流芯片的通用电极结构（专利号：CN201210190156。1），其具体形状和尺寸并不限定。

本发明的最大创新在于利用电润湿数字微流器件以及纸基微流器件组合成新型纸基数字微流器件,不仅能够在芯片上贮藏试剂,对样品进行被动筛选,还能够自由驱动试剂样品而不造成浪费。

本发明提供的纸基数字微流器件具有如下显著优势:

(a)  相较于通用数字微流器件增加了试剂贮藏，样品筛选分离的功能。并且，纸基微流器件作为反应衬底，读取设备简单，速度快，更加适用于便携式检测。

(b) 相较于通用纸基微流器件使其能够对液体进行自由操控而不会造成实际样品的浪费。采用数字微流器件产生的液滴精度高于手动滴加降低了纸基微流器件的误差。同时，采用一定的检测策略能够在不增加额外人工操作的情况下极大的扩展纸基微流器件的检测范围（例如在芯片上对样品进行稀释或者浓缩）。

(c)  下极板采用通用数字微流芯片工艺，上盖板采用纸基微流器件工艺,无需额外复杂工艺。

附图说明

图1为本发明的纸基数字微流器件的俯视结构图。

图2为图1的B-B剖视图。

图3 为本发明的纸基数字微流器件按图1 B-B 剖面图中的下极板S0。

图4a为本发明的纸基数字微流器件按图1 B-B 剖面图中的上盖板S1。

图4b为图4a中上盖板S1的纸质层104的局部放大图。

图5a 为本发明的纸基器件的一个实施例中纸质层104的俯视图。

图5b为本发明的纸基器件的一个实施例中第二疏水层103的俯视图。

图6 为本发明的纸基器件的一个实施例中纸质层104的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明提供的一种纸基数字微流器件基于目前介质上电润湿数字微流技术的芯片结构和驱动方法,而检测方法依托于纸基微流器件的检测方法。应当指出，本实施方式是为了说明目的而提供，而不在意以任何方式限制本发明的范围。

如图1-2所示，本发明的纸基数字微流器件的主体由两层结构组成：下层的单平面电润湿数字微流驱动层下极板S0以及上层的纸基微流器件上盖板S1。在上盖板S1中，104B代表亲水区域（用作试剂贮存或样品反应）。图3为通用电润湿数字微流器件（图1的 B-B 剖面图中的下极板S0）的示意图,本发明中电润湿数字微流驱动层与通用数字微流芯片无异,包含由下向上依次设置的绝缘衬底100、电极层（由电极E1,E2,E3平行设置构成）、介质层101以及第一疏水层102。 应当说明，用作衬底的材料并不固定，只要绝缘即可，如可以为石英、玻璃、绝缘的硅片等；而电极可以由任何导电材料组成，其电极大小和间隔及具体电极的个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例，而且图1、2并不精确反应电极的尺寸及截面情况，只是从芯片角度表示其电极排布。介质层应为绝缘介质材料但并不限定，优选为介电常数较高、抗击穿能力较强的材料。

图4a 为该纸基器件的上盖板（S1）按图1的B-B剖面图,其结构从下到上分别为第二疏水层103、纸质层104（包括样品吸收区域104B以及非样品吸收区域104A，如图4b所示），及阻挡层105。上层的纸基微流层可以采用气溶胶打印的方法制备；纸质层104以及第二疏水层103是一同打印的，打印的特氟龙（teflon）会首先渗入材料内部最后在表面覆盖。阻挡层采用粘合的方法即可。在疏水区域打印一层疏水材料并使其渗透到多孔材料的内部,规定出试剂、样品可以透过的区域。这里的疏水材料可以是蜡,Teflon等。应当指出，附图中的样品吸收区104B并不精确反应亲水区域的尺寸以及截面情况,只是从芯片角度表示其空间位置,芯片上可以由任意数量的亲水区域。应当指出，样品吸收区104B的材质与非样品吸收区104A材质相同。不同的是，非样品吸收区104A经过疏水处理，而样品吸收区104B未经过疏水处理。上层纸基微流器件的疏水层103将非样品吸收区104A完全覆盖而不覆盖样品吸收区104B。应当指出,纸基微流层S1的最上层的阻挡层105并不是必须的, 阻挡层的作用是防止异物进入亲水区域，因亲水区域里可能有试剂。当需要进行样品的被动筛选分离时,该阻挡层不存在。

图5a-5b给出了本发明的纸基数字微流器件的一个应用,其中图5a为纸质层104的俯视图（104A为经疏水处理的非样品吸收区；104B为未经疏水处理的样品吸收区）。图5b为第二疏水层103的俯视图，其中的圆圈（圆型区域）表示该区域没有疏水功能，故能将样品吸收区104B中的内容（如试剂）收集到最下面的液滴（即位于上盖板与下极板之间的液滴）里。将多种物质混合的液体倾倒于斜放的器件的样品吸收区104B上，由于毛细作用，该液体将沿预留的沟道向上流动逐渐使液体中不同性质的物质分离。在这一阶段上盖板与下级板之间没有充入试剂或样品，待分离的样品在纸上受毛细力的作用逐渐浸润整个亲水区域（104B层）,而不同分子大小的物质会在该过程中分离开来（停在不同的位置上），可以参考叶绿素的分离实验。这时将上述器件平放，在上盖板与下极板之间注入吸收液，并使其移动到需要吸收的物质所在的位置下方（图5b中圆型区域正下方），即可将部分该物质从纸基器件中分离出来。

图6给出了本发明的纸基数字微流器件的另一个应用场景的上纸质层104示意图，A、B、C、D处预先填充了能与样品反应的物质，若与样品混合后颜色会发生变化。比色纸基微流芯片在制作完成之后其检测样品的浓度范围便已确定，测量浓度过高或者过低的样品时就难以读取。利用数字微流芯片能够分发以及容易在片上集成加热器的特点，能够在样品不在测量范围的时候对样品进行必要的稀释与浓缩。由于数字微流器件能够对液滴进行精确的控制，如将样品与稀释溶液1：1混合或将两个电极大小的液滴浓缩到一个电极大小。一次在芯片上注入样品以及稀释溶液,当观察到A的颜色饱和或接近饱和时对样品进行1:1的稀释,再将稀释后的样品输运到B处；若B处也观察到颜色饱和现象的话，再次稀释并输运到C处观察；若C处也观察到颜色饱和的话，则再次稀释并输运到D处观察……若同样观察到饱和现象则以此类推。

本发明的一些实施例中，纸基数字微流器件的芯片中还可储存试剂。在该实施例中，预先将试剂溶液滴入亲水区域，烘干即可。需要取出时，将溶解液滴输运到亲水区域的下方，待完全浸润后，受浓度梯度作用能够回收部分试剂。当然，也可将亲水区域作为反应的区域，将样品输运到该处，进行比色或者荧光的反应。

本发明提供的纸基数字微流器件将现有纸基微流器件以及电润湿数字微流器件结合，不仅弥补了单纯才采用电润湿数字微流技术以及纸基微流技术的不足，而且，能够在芯片上贮藏试剂,对样品进行被动筛选,还能够自由驱动试剂样品而不造成浪费；能够替代目前广泛使用的侧向流试纸，降低纸基微流的试剂及样品消耗，并能大大提高灵敏度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种纸基数字微流器件，其特征在于，其包含：

    下极板（S0），该下极板（S0）由衬底（100）、电极层、介质层（101）及第一疏水层（102）依次设置构成；及

上盖板（S1），该上盖板（S1）包含第二疏水层（103）及设置在其上的纸质层（104）；该纸质层（104）由样品吸收区域（104B）及非样品吸收区域（104A）构成。

2.如权利要求1所述的纸基数字微流器件，其特征在于，所述的上盖板（S1）还包含设置在纸质层（104）上的阻挡层（105）。

3.如权利要求1或2所述的纸基数字微流器件，其特征在于，所述的电极层包含若干平面驱动电极。

4.如权利要求1所述的纸基数字微流器件，其特征在于，所述的纸质层（104）的材料为能够吸收试剂的多孔纤维材料。

5.如权利要求4所述的纸基数字微流器件，其特征在于，所述的纸质层（104）的材料选择滤纸。

6.如权利要求4所述的纸基数字微流器件，其特征在于，所述的非样品吸收区域（104A）为纸质层（104）经疏水处理过的部分，不能吸收试剂。

7.如权利要求6所述的纸基数字微流器件，其特征在于，所述的样品吸收区域（104B）为纸质层（104）未经疏水处理的部分，能将试剂固定在该区域的材料中,待有溶剂流过该区域时能够从中溶解出被固定的试剂。

8.如权利要求6或7所述的纸基数字微流器件，其特征在于，所述的疏水处理是指涂蜡处理。

9.如权利要求1所述的纸基数字微流器件，其特征在于，所述的第一疏水层（102）、第二疏水层（103）的材料选择蜡或特氟龙。