CN105004718B - 一种纸基微流控芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纸基微流控芯片的制备方法，通过三甲氧基硅烷的庚烷溶液处理得到疏水基底；通过剪切打印在滤纸上通道的图案，然后将其在十六烷基三甲基溴化铵中浸泡得到亲水基底；将前面处理好的亲疏水纸张粘合一起，就得到所用的亲疏水通路。本制备方法与传统的方法相比，不需要任何昂贵的仪器、试剂，金属模具，这种方法新颖，简单，快捷，成本低，制作周期短，整个过程在7分钟内完成。

Description

一种纸基微流控芯片的制备方法

技术领域

本发明属于化学芯片制备领域，具体涉及一种纸基微流控芯片的制造方法。

背景技术

纸芯片(μPADs)是近几年发展起来的一种基于纸的微流控器件，它具有成本低廉、操作简单、不需要外援设备、可多元检测等优点，它将常用微流控器件的优点(材料廉价、样品量小、通量高)与横向流动检测(通过毛细作用带动液体流动、吸附试剂、过滤样品，不需要昂贵的泵或压力控制阀等外援设备)的优势结合起来，因此在医学诊断、药物研发、水质检测和环境质量监控等广阔领域有很大的应用前景。

目前，国内外主要采用紫外光刻、蜡印、等离子体处理、喷墨打印、绘图、丝网印刷、柔印、激光处理及融蜡浸透等技术，在滤纸的特定区域制造出疏水的隔离带(或隔离坝)，形成具有亲疏水性的通道网络，制得微流控纸芯片。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。(Martinez,A.W.；Phillips,S.T.；Butte,M.J.；Whitesides,G.M.Angew.Chem.Int.Ed.2007,46,1318-1320)。

2009年Lin小组提出了蜡笔手绘、蜡笔临摹打印图形以及蜡印三种方法在滤纸的特定区域图案化固体蜡，然后将滤纸放入高温炉加热，使蜡融化并渗透到滤纸中，形成疏水坝，制得具有毫米级亲水通道的纸芯片(Lu,Y.；Shi,W.；Jiang,L.；Qin,J.；Lin,B.Electrophoresis 2009,30,1497-1500.)。Whitesides小组也研发了类似的蜡印技术，并提出了滤纸中蜡融化速率的计算模型(Carrilho,E.；Martinez,A.W.；Whitesides,G.M.Anal.Chem.2009,81,7091-7095.)。

2010年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(Li,X.；Tian,J.；Garnier,G.；Shen,W.Colloids Surf.,B 2010,76,564-570.)。

2008年Whitesides小组利用打有孔眼并在孔眼内填充了纤维素粉的双面胶将两层2D纸芯片粘合在一起，首次制得3D纸芯片(Martinez,A.W.；Phillips,S.T.；Whitesides,G.M.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2008,105,19606-19611.)。

2013年He等用十八烷基三氯硅烷(OTS)的正己烷溶液浸泡亲水性滤纸，使滤纸由亲水变为疏水。然后，在石英掩模的保护下，通过深紫外光及其在空气中诱导产生的臭氧选择性区域光降解，制得具有亲/疏水图案的微流控纸芯片(He,Q.；Ma,C.；Hu,X.；Chen,H.Anal.Chem.2013,85,1327-1331.)。

此外，公开号为：CN 104677896 A公开了“一种用于比色分析的纸基微流控芯片的制备及应用”，是一种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。

公开号为：CN 104437689 A公开了“基于光敏印章印刷的纸基微流控芯片制造方法”，利用打印裁切获得光敏印章曝光用掩膜，再次基础上用掩膜对光敏印章垫曝光，获得带有图案的光敏印章垫，最后用光敏印章垫印制纸基微流控芯片。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。

上述各种方法大多数需要用昂贵的仪器，制作成本高，操作工艺复杂，而2014年Cai等提出的通过TMOS溶液浸泡滤纸和NaOH溶液处理滤纸制得的纸基微流控芯片(Cai,L.；Wang,Y.；Wu,Y.；Xu,C.；Zhong,M.；Lai,H.；Huang,J.Analyst 2014,139,4593-4598.)。以及2014年Wang等通过MSQ浸泡滤纸制得的疏水基质(Jingyun Wang,Maria Rowena N.Monton,Xi Zhang,CarloS D.M.Filipe,Robert Pelton,John D.Brennan,Lab Chip,2014,14,691–695.)。他们开创了新的方法，克服了以上缺点，但是在实施起来仍存在一些缺陷。比如，前者需要在100°加热35分钟；而后者需要在冰浴中超声处理1小时，因此给操作带来一定的麻烦，不便于在线检测。

发明的内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种纸基微流控芯片的制备方法，使得纸基微流控芯片的制备方法不需要任何昂贵的仪器、试剂，金属模具，这种方法新颖，简单，快捷，成本低，能耗小，无污染，制作周期短，整个过程在7分钟内就可完成。

上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种纸基微流控芯片的制备方法，包括制备纸基疏水基底和纸基亲水通路基底，将纸基亲水通路基底贴合在纸基疏水基底上，得到带有亲水通路的疏水基底即为纸基微流控芯片；

所述制备纸基疏水基底的疏水溶剂为三甲氧基硅烷，所述制备纸基亲水通路基底的溶剂为十六烷基三甲基溴化铵。

具体的，该方法包括：

步骤一、制备纸基疏水基底：将三甲氧基硅烷溶解在易挥发有机溶剂中制备成体积浓度为2％～6％的疏水化溶液，滤纸置于疏水化溶液中浸泡并干燥获得疏水基底；

步骤二、制备亲水通路基底：制备质量浓度为0.8％～2％的CTAB溶液为亲水通路浸泡剂，将所需形状的滤纸置于亲水通路浸泡剂中浸泡获得亲水通路基底；

将亲水通路基底与疏水基底贴合，得到带有亲水通路的疏水基底，即为纸基微流控芯片。

更具体的，所述的易挥发有机溶剂为正庚烷或正己烷。

再具体的，所述的步骤一的浸泡时间为10秒，所述的步骤二中浸泡时间为10秒。

进一步的，所述的疏水化溶液中还含有体积浓度为5％的乙酸乙酯，所述的亲水通道浸泡剂中还含有体积浓度为10％的乙醇、体积浓度为10％的甲醇或体积浓度为10％的异丙醇。

所述的纸基微流控芯片的制备方法制备得到的芯片用于葡萄糖检测的应用。

与现有技术相比，其优点与积极效果在于：

(1)本发明采用三甲氧基硅烷作为疏水溶剂，采用CTAB作为亲水溶剂，仅需将亲水基底和疏水基底贴合在一起，就能在疏水基底上得到亲疏水通路，得到纸基微流控芯片，大大简化了芯片的制备方法；

(2)本发明制备的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；

(3)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为基于化学试剂处理的纸基微流控芯片的制造方法原理图；

图2是本发明纸基微流控芯片亲水通路的构型图；

图3是本发明制备的纸基微流控芯片构型图；

图4是实施例二中滤纸的疏水性直观比较图；

图5是实施例一未经处理的初始滤纸的扫描电镜(SEM)照片；

图6是实施例一经三甲氧基硅烷处理后得到疏水基底后的滤纸扫描电镜(SEM)照片；

图7为实施例三中的未经处理的滤纸的电镜图；

图8为实施例三中按照文献报道技术经TMOS处理后疏水滤纸的电镜图；

图9是本发明纸基微流控芯片用于检测葡萄糖的显色结果图；

图10是图9中灰度强度随着葡萄糖浓度变化的曲线图；

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。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种的纸基微流控芯片的快速制备方法，其所述纸基微流控芯片是用两块玻璃板将处理好的亲、疏水基底夹在中间，室温作用5分钟后构成，其中：

(1)疏水基底的制备步骤：

首先，室温下将三甲氧基硅烷溶于纯度为99％的正庚烷或正己烷中制备成体积浓度为2％～6％的疏水化溶液；其次，室温下将whatman滤纸置于疏水化溶液中浸泡10秒；最后，取出上述滤纸，空气中干燥1分钟，获得疏水基底；

(2)亲水基底的制备步骤：

首先，用CAD软件设计实验需用的亲水通道的构型，如图2所示；其次，用打印机将上述设计好的图案打印在滤纸上，剪切打印在滤纸上的亲水通道构型图案；最后，将剪切好的亲水图案浸泡在质量浓度为0.8％～2％的CTAB溶液，获得亲水基底；

将亲水基底和疏水基底用两块玻璃夹在一起，室温放置5分钟，即可得到纸基微流控芯片亲疏水通道。

本发明的亲水基底和疏水基底是中速定性滤纸，平均厚度是180μm，平均孔径是11μm。

本发明制备疏水基底的溶液中含有5％的乙酸乙酯，能促进疏水基底的形成。

本发明的疏水基底的表面水接触角是137°。

本发明的0.8％～2％的表面活性剂中含有体积浓度为10％的无水乙醇、甲醇或异丙醇，无水乙醇、甲醇或异丙醇能促进亲水通路的形成。

此外，本发明制备的亲水基底和用NaOH(含30％甘油)制备亲水基底相比不需要加热，在常温下用相同的时间就可以制备。

实施例一：

一种用于葡萄糖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2mL三甲氧基硅烷(Aladdin公司)和2.5mL的乙酸乙酯在室温环境溶于50mL的庚烷中得到疏水化溶液；

(2)室温下将裁剪好的滤纸在上述疏水化溶液中浸泡10秒，取出后空气中干燥1分钟，即得疏水化基底；

(3)用CAD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)称取1gCTAB溶于100mL蒸馏水搅拌至完全溶解，并放在4o C冰箱中避光保存，分别取9mL上述CTAB溶液和1mL无水乙醇混合得到亲水通道浸泡剂；

(5)将亲水通道浸泡剂倒在干净的玻璃培养皿上，然后将亲水通道图案浸泡其中10秒，最后在空气中控30秒；

(6)将亲水基底和疏水基底用两块玻璃夹在一起，室温放置5分钟，即可得到纸基微流控芯片亲疏水通道，如附图3所示。

结合图5和6，对实施例一的疏水基底进行处理前(图5)和处理后(图6)的电镜扫描，结果表明经三甲氧基硅烷处理后的滤纸表面覆盖了二氧化硅，导致滤纸由亲水变为疏水。

实施例二：

为了证明本发明所使用的溶剂与现有技术中的溶剂相比制作更简单，更快速，发明人还做了以下对比试验；

于实施例一的疏水基底的制备过程不同的是用十八烷基三甲氧基硅烷(TMOS)替换三甲氧基硅烷进行疏水基底的制备；

将实施例一制备的疏水基底与实施例二制备的疏水基底浸泡到盛有水的烧杯中，观察其疏水程度；

见图4，实施例一的三甲氧基硅烷处理的滤纸漂浮到烧杯内水的上面，而经TMOS处理后的滤纸沉到烧杯底部；上述现象说明经三甲氧基硅烷处理的滤纸能在常温下快速使亲水滤纸变为疏水，而TMOS不能达到上述效果。

实施例三：

根据文献“A simple paper-based sensor fabricated by selective wetetching of silanized filter paper using a paper mask”(Cai,L.；Wang,Y.；Wu,Y.；Xu,C.；Zhong,M.；Lai,H.；Huang,J.Analyst 2014,139,4593-4598.)报到的方法，采用TMOS处理的滤纸得到疏水基底，并进行处理前和处理后的电镜图对比，见图7和8。

实施例一中的三甲氧基硅烷处理后电镜图6和该文献中用TMOS处理后的电镜图8相比可以看出用三甲氧基硅烷后的纸封闭性更好，疏水性更强。而且不需用高温100度加热。既安全又缩短了疏水基底的制备时间。

实施例四：

将实施例一制得的纸基微流控芯片用于检测葡萄糖的应用，包括以下步骤：

(1)分别称取20mg和13.4mg的sigma公司葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶，溶于50mLPBS溶液，搅拌至完全溶解，并置于4℃冰箱，使用前将两种酶按1:1混合；

(2)称4.980gKI溶解到5mL水中；称1.982g葡萄糖溶解到100mL水中配制为100mmol/L；使用前分别将其稀释为0mmol/L、4mmol/L、8mmol/L、12mmol/L、16mmol/L；

(3)将50μL KI溶液加到中心检测区，室温干燥10分钟；

(4)将3μL的混合酶液和不同浓度的葡萄糖加到每个检测区，反应5分钟；

(5)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下的灰度值，最后把得到的数据导入Origin进行拟合得到灰度强度随着葡萄糖浓度的变化曲线。

本实施例的检测结果见图9和10，图9中每个检测区的标号表示不同浓度的葡萄糖标准溶液和3个实际样品，图10中的结果说明在纸芯片上检测葡萄糖得到标准曲线的方程为Y＝1.3375X-0.95，决定系数R²＝0.987。可以满足检测的需要。

上述实施例为本发明用于葡萄糖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，其他类型的表面活性剂和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 (2)

1.一种纸基微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别取2mL三甲氧基硅烷和2.5mL的乙酸乙酯在室温环境溶于50mL的正庚烷中得到疏水化溶液；

(2)室温下将裁剪好的滤纸在上述疏水化溶液中浸泡10秒，取出后空气中干燥1分钟，即得疏水化基底；

(3)用CAD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)称取1gCTAB溶于100mL蒸馏水搅拌至完全溶解，并放在4℃下避光保存，分别取9mL上述CTAB溶液和1mL无水乙醇混合得到亲水通道浸泡剂；

(5)将亲水通道浸泡剂倒在干净的玻璃培养皿上，然后将亲水通道图案浸泡其中10秒，最后在空气中控30秒；

(6)将亲水基底和疏水基底用两块玻璃夹在一起，室温放置5分钟，即可得到纸基微流控芯片亲疏水通道。

2.权利要求1所述的纸基微流控芯片的制备方法制备得到的芯片用于葡萄糖检测的应用。