CN106040324A - 基于丝网印刷法制备氟材料纸基微流控芯片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于丝网印刷法制备氟材料纸基微流控芯片的方法，该方法用氟材料作疏水疏油材料，在纸质基底上制备有亲水通道和疏水围堰的纸基微流控芯片。该方法包括：制备丝网印刷模具；使用丝网印刷法制备亲水通道；将有亲水通道的纸张浸泡在氟材料溶液中，没被保护试剂保护的区域形成疏水围堰；氟材料在纸张表面稳定吸附后，放入水中浸泡，取出晾干；纸基微流控芯片完全干燥后，刮掉亲水通道区域的膜；将纸基微流控芯片放入去离子水中，除去亲水区域残留的保护试剂，干燥，平整展开。本发明方法使用的制作工具廉价易得，工艺简单，耗时短，可制作复杂图案的纸基微流控芯片，制备的纸基微流控芯片可用于有表面活性剂和有机溶剂参与的检测。
Description
技术领域
本发明涉及纸基微流控芯片加工技术，更具体地说是一种将具有疏水疏油性能的氟材料应用在纸基微流控芯片上，用于实现纸基微流控芯片图案化的方法。
背景技术
纸基微流控芯片(paper-based microfluidic chip)，简称“纸芯片”，又称“纸上微型实验室”，是一种在几平方厘米纸质基底上构建亲疏水的通道网络，以实现样品制备、分离、反应、检测、结果分析等过程的新型微流控分析器件。与传统微流控芯片相比，纸芯片具有原料廉价易得、加工方法简单多变、生物兼容性好、检测灵敏快速等优点，已被广泛应用于临床分析物检测、水质检测、食品检测、医学检测以及特定物质(如乙醇)含量测定等方面。
氟材料作为新型材料，它修饰后的界面具有抗酸碱和有机溶剂腐蚀、不粘附、热稳定性、抗氧化性，分子表面能低和优良的光学性能，被广泛用于各种表面涂层。然而，氟材料表面能低，使得它难以通过使用喷涂、打印等方法制备纸芯片，尤其是制备需要复杂图案的纸基微流控芯片。因此，需要发明一种可以制备复杂图案的纸上低表面能材料图案化方法。本方法旨在研究使用氟材料AD60X作为图案化材料制备纸基微流控芯片的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用氟材料作为疏水试剂，而且操作简单、质量稳定、可用于制备复杂图案纸基微流控芯片的方法。该方法将纸芯片与氟材料的优异性能相结合，使得制备的纸芯片可用于有表面活性剂和有机溶剂参与的分析检测。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
本发明使用不同比例的聚乙二醇(PEG)2000-聚乙二醇(PEG)400-聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为保护试剂，丝网印刷的方法图案化纸质基底，形成亲水通道；氟材料配制的溶液作为疏水试剂，浸泡纸张使其形成疏水围堰；氟材料在纸张表面稳定吸附后，置于去离子水中，阻止氟材料溶液由疏水围堰区域边缘向亲水通道内扩展，3～5min后取出，晾干；刮除亲水通道区域保护试剂形成的膜，去离子水清洗，脱色摇床辅助清除残留在亲水通道内的保护试剂；烘箱干燥后，将纸基微流控芯片通过塑封机使其平整展开，制得具有疏水疏油性能的纸基微流控芯片。
具体如下：
一种基于丝网印刷法制备氟材料纸基微流控芯片的方法，该方法包括以下步骤：
1)设计纸基微流控芯片亲水通道图案，制备丝网印刷模具；
2)使用1)制备的模具，采用丝网印刷法将保护试剂涂布在纸质基底表面形成亲水通道，得到有亲水通道图案的纸张；
3)以氟材料配制的溶液作为疏水试剂，浸泡有亲水通道图案的纸张使其形成疏水围堰；
4)氟材料在纸张表面稳定吸附后，将纸张置于去离子水中，3～5min后取出，晾干，得到纸基微流控芯片材料；
5)纸基微流控芯片材料完全干燥后，刮掉亲水通道区域由保护试剂形成的膜；
6)将刮膜后得到的纸基微流控芯片材料再次置于去离子水中，清除亲水区域残留的保护试剂；
7)干燥后，再通过塑封机使其平整展开得到氟材料纸基微流控芯片。
步骤2)所使用的保护试剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和不同聚合度的聚乙二醇(PEG)的混合物，PEG优选PEG2000和PEG400混合使用，固体PEG2000用来调节液体PEG400的粘度。PEG2000-PEG400-PVP合适的质量比混合范围是10:90:5～10:90:15，优选PEG2000-PEG400-PVP的质量比混合范围是10:90:15。
步骤2)所采用的纸质基底为打印纸、滤纸、滤膜等均匀一致的纸质基底。
步骤2)将保护试剂涂布到纸质基底表面，刮涂次数为1～3次。
步骤3)具体为：将有亲水通道图案的纸张浸泡在氟材料溶液中，没被保护试剂保护的区域形成疏水围堰，纸张浸泡在氟材料溶液中的时间为1～3min，使用的氟材料为具有疏水疏油性能的全氟系列材料，优选Solvay的AD60X或AD80X全氟系列材料，溶液浓度范围为5.0mg·mL-1～15.0mg·mL-1，优选浓度为10.0mg·mL-1～15mg·mL-1，最优选浓度为15mg·mL-1。
步骤4)氟材料溶液在纸张表面稳定吸附的时间为1～4min。
步骤6)采用去离子水清洗，脱色摇床辅助清除亲水通道区域残留保护试剂所用的时间为2～5min。
上述溶液配制疏水试剂采用的溶剂为氟烃类溶剂，优选为氢氟醚HFE–7100。
本发明方法进一步具体描述如下：
基于丝网印刷法制备氟材料纸基微流控芯片的方法，包括以下步骤：
1)计算机设计纸基微流控芯片亲水通道图案，制备丝网印刷模具；
2)使用1)制备的模具，丝网印刷的方法将保护试剂涂布在纸质基底表面，形成亲水通道；
3)PEG2000-PEG400-PVP作为保护试剂，保护试剂的在纸质基底的刮涂次数为1～3次；
4)将有亲水通道图案的纸张浸泡在氟材料溶液中，没被保护试剂保护的区域即可形成疏水围堰，纸张浸泡在氟材料溶液中1～3min后取出；
5)氟材料在纸张表面稳定吸附1～4min后，将纸张放入去离子水中，以阻止氟材料溶液由疏水围堰区域边缘向亲水通道内扩展，3～5min后取出，晾干，得到纸基微流控芯片材料；
6)纸基微流控芯片材料完全干燥后，刮掉亲水通道区域由保护试剂形成的膜；
7)将刮膜后得到的纸基微流控芯片材料再次置于去离子水中，脱色摇床辅助彻底洗掉亲水区域残留的保护试剂，2～5min后取出；
8)烘箱干燥后，再通过塑封机，使其平整展开。
本发明优选在计算机上设计纸基微流控芯片的亲水通道图案，丝网印刷的方法涂布保护试剂，图案化纸基微流控芯片亲水通道区域。
与现有技术比较本发明的有益效果：
1.上述方法，将纸基微流控芯片技术与氟材料的优异性能相结合，提供一种可用于表面活性剂和有机溶剂参与分析检测的纸基微流控芯片，这种结合拓宽了纸基微流控芯片的应用范围。
2.丝网印刷法涂布保护试剂图案化亲水通道，技术成熟，操作简单，芯片图案重现性好。
3.本发明使用不同聚合度的PEG和PVP的混合物作为保护试剂，无毒、无刺激性且易溶于水，安全环保，使得清除保护试剂的操作简单快速，效率高。
4.本发明制备纸基微流控芯片的工具廉价易得，避免使用喷蜡打印机等昂贵设备，节约了制备成本。
5.使用氟材料制备的纸芯片，背景颜色浅，避免了其他有色疏水材料对检测结果的干扰。
6.本方法制备的纸芯片可用于各种有水溶液、表面活性剂、有机溶剂等参与的检测。
附图说明
图1.为使用本发明方法制备纸基微流控芯片的实例图。
A计算机设计图案；B使用本方法制备完成的纸基微流控芯片。
图2.本发明实施例方法制备氟材料纸基微流控芯片与常规蜡材料纸基微流控芯片限制不同百分含量乙醇-水溶液流动效果对比图。
A蜡材料纸基微流控芯片；B氟材料纸基微流控芯片。
图3.本发明实施例方法制备氟材料纸基微流控芯片与常规蜡材料纸基微流控芯片限制四种不同类型表面活性剂流动效果对比图。
A蜡材料纸基微流控芯片；B氟材料纸基微流控芯片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。以下实例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
所述纸基微流控芯片的制备方法：
实施例1：本发明方法制备纸基微流控芯片示例
(1)计算机设计纸基微流控芯片亲水通道图案(图案样式如附图1中A所示)，制备丝网印刷模具。
(2)使用(1)制作的模具，以质量比为10:90:15的PEG2000-PEG400-PVP混合物作为保护试剂，丝网印刷的方法将保护试剂涂布在纸质基底表面，保护试剂刮涂次数为2次，形成亲水通道图案。
(3)固体氟材料粉末AD60X溶解于液体氢氟醚HFE-7100中，配制成浓度为15mg·mL-1的氟材料溶液。
(4)将有亲水通道图案的纸张浸泡在(3)配好的氟材料溶液中，没被保护试剂保护的区域即可形成疏水围堰，纸张在氟材料溶液中浸泡2min后取出。
(5)氟材料在纸张表面疏水围堰区域稳定吸附4min后，将纸张放入去离子水中，以阻止氟材料溶液由疏水围堰区域边缘向亲水通道内扩展，5min后取出，晾干，得到纸基微流控芯片材料。
(6)纸基微流控芯片材料完全干燥后，刮掉亲水通道区域由保护试剂形成的膜。
(7)将经过步骤(6)处理得到的纸基微流控芯片材料放入去离子水中，使用脱色摇床彻底洗掉亲水区域残留的保护试剂，5min后取出。
(8)烘箱干燥后，再通过塑封机，使其平整展开得到氟材料纸基微流控芯片。(纸基微流控芯片实物图，如附图1中B所示)
实施例2：对比氟材料纸芯片和蜡纸芯片限制不同百分含量乙醇-水溶液流动效果情况
(1)按照例1的方法步骤制备氟材料纸芯片，圆孔直径为：5.0mm。
(2)使用喷蜡打印的方式制备蜡纸芯片，圆孔直径为：10.0mm。
(3)由于氟材料在纸质基底表面吸附后与吸附前比较并无明显不同，为了便于观察氟材料纸芯片限制乙醇(Ethanol)的流动情况，首先使用铅笔描绘亲水通道区域边缘，使其轮廓更加清晰。
(4)实验结果如图2所示，在乙醇百分含量≤60％时，氟材料纸芯片和蜡材料纸芯片限制其流动方向的效果均良好；在乙醇百分含量≥80％时，蜡材料纸芯片已经不能限制其流动方向，而氟材料纸芯片仍可以很好地限制其流动方向。所以，本方法使用氟材料制备的纸基微流控芯片具有更多优势，在检测方面的应用范围更广，是非常实用的纸基微流控芯片制备方法。
实施例3：对比氟材料纸芯片和蜡纸芯片限制四种表面活性剂流动效果情况
(1)按照实施例1的方法步骤制备氟材料纸基微流控芯片，圆孔直径为：5.0mm。
(2)使用喷蜡打印的方式制备蜡纸芯片，圆孔直径为：10.0mm。
(3)为了便于观察氟材料纸基微流控芯片限制表面活性剂的流动情况，首先使用铅笔描绘亲水通道区域边缘，使其轮廓更加清晰。
(4)四种表面活性剂分别为：阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠SDS(10mmol/L)和十二烷基苯磺酸钠SDBS(10mmol/L)、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵CTMAB(10mmol/L)和非离子型表面活性剂吐温20(5％)。
(5)实验结果如图3所示：氟材料和蜡材料纸基微流控芯片均可以很好地限制上述四种不同类型表面活性剂的流动方向，说明本方法制备的纸基微流控芯片可以很好地限制表面活性剂的流动方向。与传统使用蜡作为疏水材料制备纸基微流控芯片的方法相比较，本方法操作简单，加工设备廉价易得。
实施例1说明使用本发明方法制备的纸基微流控芯片，图案清晰、边缘整齐、通道分辨率高，边缘无明显扩展，且纸质基底韧性好。实施例2、例3证实本方法制备的纸基微流控芯片适用于有表面活性剂和有机试剂参与的检测，此性质拓展了纸基微流控芯片的应用范围，说明本方法是非常好的氟材料纸基微流控芯片制备方法。
Claims (10)
1.一种基于丝网印刷法制备氟材料纸基微流控芯片的方法，其特征包括以下步骤：
1)设计纸基微流控芯片亲水通道图案，制备丝网印刷模具；
2)使用1)制备的模具，采用丝网印刷法将保护试剂涂布在纸质基底表面形成亲水通道，得到有亲水通道图案的纸张；
3)以氟材料配制的溶液作为疏水试剂，浸泡有亲水通道图案的纸张使其形成疏水围堰；
4)氟材料在纸张表面稳定吸附后，将纸张置于去离子水中，3～5min后取出，晾干，得到纸基微流控芯片材料；
5)纸基微流控芯片材料完全干燥后，刮掉亲水通道区域由保护试剂形成的膜；
6)将刮膜后得到的纸基微流控芯片材料再次置于去离子水中，清除亲水区域残留的保护试剂；
7)干燥后，再通过塑封机使其平整展开得到氟材料纸基微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2)所使用的保护试剂为聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇的混合物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于聚乙二醇为聚乙二醇2000和聚乙二醇400的混合物；聚乙二醇2000、聚乙二醇400和聚乙烯吡咯烷酮的质量比混合范围是10:90:5～10:90:15。
4.根据权利要求1所述的制备方法，步骤2)所采用的纸质基底为打印纸、滤纸、滤膜；将保护试剂涂布到纸质基底表面，刮涂次数为1～3次。
5.根据权利要求1所述的制备方法，步骤3)具体为：将有亲水通道图案的纸张浸泡在氟材料溶液中，没被保护试剂保护的区域形成疏水围堰，纸张浸泡在氟材料溶液中的时间为1～3min，使用的氟材料为具有疏水疏油性能的全氟系列材料。
6.根据权利要求1所述的制备方法，步骤3)配制疏水试剂使用的溶剂为氟烃类溶剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，步骤3)所述的氟烃类溶剂为氢氟醚HFE–7100。
8.根据权利要求1所述的制备方法，步骤3)氟材料溶液的浓度范围为5.0mg·mL-1～15.0mg·mL-1。
9.根据权利要求1所述的制备方法，步骤4)氟材料溶液在纸张表面稳定吸附的时间为1～4min。
10.根据权利要求1所述的制备方法，步骤6)采用去离子水清洗，脱色摇床辅助清除亲水通道区域残留保护试剂所用的时间为2～5min。
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