CN106179547A - 自驱动超高流速激光刻蚀微缝‑纸基微流装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

自驱动超高流速激光刻蚀微缝‑纸基微流装置及制备方法，该装置包括在纸基上加工的亲水结构，及与亲水结构的通道位置相契合的、平行于通道轴向激光刻蚀的微缝结构；制备时先绘制LCC‑μPADs的芯片结构，再通过PDMS丝网印刷复杂结构的纸基亲水通道，最后用激光雕刻仪沿纸基亲水通道轴向精准刻蚀平行阵列的数条微缝；LCC‑纸基通道无需外加驱动泵极大地提高了纸通道中液流速度；本发明给出阵列微缝上下级连接的不同微结构，以满足对液体流型和传输速度的多种应用需求；该装置具有结构简单、加工过程快捷、便于多功能单元集成、适用于高粘度和高挥发性等多种溶剂的优点，为生物化学、医学和环境保护等领域的快速高效分析测定提供了一种新型、便宜、高效的μPADs和方法。

Description

自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置及制备方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置及制备方法。

背景技术

2007年Whitesides等(Angew.Chem.,Int.Ed.,2007,46,1318)首次提出微流纸基分析装置(μPADs)，因试剂消耗少、体积小、便携带和成本低等优点，已被迅速发展，并用于重金属、核酸、蛋白质、细胞、病原体、癌症标记物和血液等复杂样品的精细分析(Anal.Chem.,2015,87,19)。随着对μPADs的多功能集成化、操作简单化和分析过程自动化的需求，更多的操作单元如生物、化学、医学分析过程中样品制备、反应、分离和检测等步骤将被集成在纸基芯片上。然而，毛细作用力驱动(Edward W.Washburn,Phys.Rev.,1921,17,273)液体在纸通道中流动，但液流移动非常缓慢，导致分析检测时间过长、还伴随诸多次生问题，如过多溶液挥发引起定量分析偏差等，限制了具有复杂网络结构的多功能单元μPADs的应用。此外，纸基通道对传输液流不同成份的吸附和层析作用存在，不利于两种溶液的混合、传输及反应等单元的集成。因此，对纸基通道液体流动的操控，特别是液流快速传输及溶液混合，是μPADs实现多功能单元集成的关键。

为了提高液流在纸基通道中的流速，Jahanshahi-Anbuhi等通过 在亲水的纸基通道的上下表面涂布柔性薄膜，使纸通道中液流速度提高了10倍(Lab Chip,2012,12,5079)。Crooks等发明了一种由蜡疏水通道的顶层、空心通道的中间层和亲水纸通道的底层组成的三层立体中空的液流通道，使流速提高7倍(J.Am.Chem.Soc.,2014,136,4616)。Giokas等使用机械刀在亲水的纸通道表面切割出一条不穿透的浅微沟，可提高流速3倍(Anal.Chem.,2014,86,6202)。最近Martinez等发展了一种堆叠的两层结构的纸基通道可以使流速提高2倍(Lab Chip,2015,15,4461)。这些具有特殊结构的纸基通道都是在无需外力驱动改善液体流速，但对多功能单元μPADs的液流速率提高显然还是不够的，而且前述方法还不同程度地增加了纸基装置结构的复杂性。Whitesides课题组使用机械刀在疏水纸表面切割出微米级的沟槽，经过胶带封装，再通过注射泵压力驱动液体快速流动(Lab Chip,2013,13,2922)，该方法虽然极大地提高了液流速度，但必须外加泵装置，这就弱化了μPADs体积小、便携带和成本低等优势。因此，发展具有结构简单和高速液流的自驱动纸基通道，对于发展多功能单元μPED集成、扩展其应用领域具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术在改善纸基通道流速时结构复杂、且流速提高不足，需外加驱动泵等的缺陷，本发明的目的在于提供一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置及制备方法，简称为LCC-μPADs将激光雕刻技术用于纸基微流芯片加工，在丝网印刷PDMS亲水纸基通道中激光刻蚀出所需数量的平行印刷通道轴向的阵列微缝，通过 调整微缝数目可获得不同的液流速度；对于包含多层液流通道网络结构，在T型通道连接处设计阵列微缝的不同连接结构产生多种微液流流型，来满足对液体流型和传输速度的应用需求，极大地提高了无外力驱动下的纸基通道中的液流速率，克服了单纯印刷纸通道中流速极慢的缺陷。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置，包括在纸基上加工的亲水结构，以及与亲水结构的通道位置相契合的、平行于通道轴向激光刻蚀的微缝结构，所述的微缝结构是阵列微缝且均匀分布在亲水结构的通道内。

所述的纸基上加工的亲水结构，加工方法应用但不局限于PDMS丝网印刷、光刻法、喷蜡打印法或等离子疏水法。

所述的一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置，简称LCC-μPADs，包括3种类型，分别为：LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A、T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B、LCC-纸基微流稀释芯片即芯片-C；

所述的LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A，包括纸基亲水结构I，在纸基亲水结构I的纸基亲水直通道5相契合的位置设置有包含着阵列平行的激光刻蚀直微缝19；

所述的T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B，包括纸基亲水结构II，纸基亲水结构II中包括八个阵列亲水分流的二级通道，在二级通道的直通道内设置有八条激光刻蚀平行阵列的直微 缝20，在二级通道的弯通道位置设置有八条阵列弧形平行的微缝21，在T型通道位置8处设置有包含上游下游微缝连接的8种结构，所述的8种微缝结构分别是间隔连接型22、远边沿连接型23、中间连接型24、近边沿连接型25、交叉连接型26、不连接型27、贯穿不连接型28和侧边连接型29；

所述的LCC-纸基微流稀释芯片即芯片-C，包括纸基亲水结构III，纸基亲水结构III包括六级稀释亲水通道11，六级稀释亲水通道11的直通道内设置有包含平行阵列的八条微缝的直微缝，T型通道位置设计中间连接型的微缝结构30。

一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制作激光刻蚀微缝-纸基微流装置LCC-μPADs的芯片结构

(1.1)、用绘图软件分别绘制三种芯片的纸基亲水结构I、II和III作为PDMS丝网印刷疏水障碍的网版图，所述的三种芯片分别为：LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A、T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B、LCC-纸基微流稀释芯片即芯片-C；所述的纸基亲水结构包括但不局限PDMS丝网印刷、光刻法、喷蜡打印法或等离子疏水法加工获得；

(1.2)再刻蚀与三种芯片的纸基亲水通道结构和位置相契合的、平行于通道轴向的激光刻蚀阵列微缝结构IV、V和VI，使阵列微缝均匀分布在亲水纸基通道内，并把微缝结构IV、V和VI作为激光刻 蚀微缝加工模板图；

(1.3)、对芯片-A的微缝结构IV，在纸基亲水直通道5相契合的位置设置有包含着阵列平行的八条激光刻蚀直微缝19；

(1.4)、对芯片-B的T型LCC微缝结构V，在与纸基亲水结构II中的八个阵列亲水分流的二级通道中相契合的位置，其中在直通道内设置八条激光刻蚀平行阵列的直微缝20，在其中的弯通道位置刻蚀八条阵列弧形平行的微缝21，在其中的T型通道位置8设置包含上游下游微缝连接的8种结构，所述的8种结构分别是间隔连接型22、远边沿连接型23、中间连接型24、近边沿连接型25、交叉连接型26、不连接型27、贯穿不连接型28和侧边连接型29；

(1.5)、对芯片-C的微缝结构VI，在纸基亲水结构单元III的纸基六级稀释亲水通道11内相契合的位置，其中直通道内设置有包含平行阵列的八条微缝的直微缝、T型通道位置设置中间连接型的微缝结构30；

所述的上游下游微缝连接的8种结构的连接方式包括但不限于所列的8种结构，改变纸基通道内微缝数量、上游下游微缝间相连接的微缝数目及连接微缝的排列方式，均能够调节T型位置的微缝连接结构以获得不同的特征流型，以适应实际应用中对流型的不同需求；

步骤二、制作激光刻蚀微缝-纸基微流装置LCC-μPADs

(2.1)、在激光刻蚀开始前，需对纸基亲水结构I、II和III的通道位置进行对准调整，以确保激光加工开始后，刻蚀的微缝IV、V和VI均匀分布于纸基通道内，且微缝不能超出通道两侧的疏水边缘；

(2.2)、设定激光刻蚀仪的相应加工参数，激光强度越大、刻蚀速度越慢，刻蚀纸基上的微缝越深、越宽，调整激光强度和刻蚀速度获得不同深度及宽度的纸基微缝，当采用Whatman 1号色谱纸时，所采用的激光强度是Universal VLS2.30激光刻蚀仪最大强度的16％、刻蚀速度为Universal VLS2.30激光刻蚀仪最大刻蚀速度的70％；

(2.3)、激光刻蚀纸基微缝：在芯片的正面，依据步骤(1.3)的纸基直通道微缝结构IV，步骤(1.4)的纸基多单元阵列分流芯片的微缝结构V，步骤(1.5)的LCC-纸基微流稀释芯片的微缝结构VI，作为激光刻蚀微缝加工模板，分别用激光刻蚀出3种芯片纸基通道内的阵列微缝；得到自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置。

所述的纸基包括色谱纸、过滤纸、卡片纸、吸水纸、打印纸、具有不同亲水性、厚度和孔隙率的纸或膜，通过激光刻蚀仪用于加工激光刻蚀微缝-纸基微流装置LCC-μPADs，以满足纸基微流芯片的不同应用需求。

本发明自驱动超高流速激光刻蚀微缝(Laser carved micro-crack,LCC)-纸基微流装置(μPADs)，简称为LCC-μPADs，不仅结构结构简单，而且无需借助外加辅助驱动设备，特别适用于高粘性和高挥发性液体；本发明中激光雕刻微缝-纸基多级通道配合T型位置的中间连接型微缝连接结构，能够高效快速混合不同试剂并形成浓度梯度和pH梯度，可用于比色测定、梯度洗脱、高通量药物筛选及药效测试等领域，为生命科学、生物化学、医学和环境保护等领域的快速高效分析测定提供了一种新μPADs和加工方法。

本发明具有下列优点：

(1)本发明揭示了在印刷纸基通道内，进一步激光刻蚀平行阵列的数条微缝，实现超快液流传输的新机理，一方面在于通过激光精确控制烧蚀纸纤维，增加等效孔径来减少纸通道液流的阻力；另一方面LCC-纸基通道内平行阵列微缝间的纸基微带，要比单纯PDMS纸基通道具有更大的纸基微带亲水边缘，从而增大了对液流的驱动力。

(2)本发明公布的在传统PDMS丝网印刷纸基通道内再用激光刻蚀平行阵列的数条微缝(LCC)，形成一种新型的LCC-纸基自驱动溶液通道，极大地提高溶液在纸基通道中的流动速度。水溶液自动流过8微缝的3mm宽4cm长的纸基LCC直通道只需6.58s，比同质底同尺寸的单纯印刷纸基通道(流经所需时间392.3s)提高了59倍。

(3)本发明公布的LCC-纸基通道特别适合高粘度和高挥发性溶液在纸基通道中的传输。高粘度乙二醇溶液和高挥发丙酮溶液分别流过4cm和1.0cm长的8微缝3mm宽LCC-纸基通道，与单纯印刷纸基通道相比，它们的流速分别提高了91.6倍和81.4倍。LCC-纸基通道为高粘度和高挥发性溶液在纸基芯片传输创造了条件。

(4)本发明显示在纸基通道内激光刻蚀0-12条不同数目的平行阵列微缝，可获得不同程度的流速提升，实现一种新的自动操控液流的方式，满足实际应用的要求。

(5)本发明公布了一种具有中间连接型微缝连接结构的六级LCC-纸基微流稀释芯片，该装置形成有效的浓度梯度和pH梯度分别只需123s和171s。

(6)本发明公布了在纸基通道上下游T型位置的分叉微缝的多种连接结构，它们可以用来产生一系列对称程度不同的多种复杂的特征流型，来满足生化、生命、环境和空间分析应用对液体流型的多种需求。

附图说明

图1是LCC-μPADs的PDMS丝网印刷结构示意图，(I)用于LCC-纸基直通道微流芯片的疏水障碍结构；(II)用于LCC-纸基多单元阵列分流芯片的疏水障碍结构；(III)用于LCC-纸基微流稀释芯片的疏水障碍结构。

图2A是LCC-μPADs的激光刻蚀微缝结构示意图，(IV)用于LCC-纸基直通道微流芯片的微缝结构；(V)用于LCC-纸基多单元阵列分流芯片的微缝结构；(VI)用于LCC-纸基微流稀释芯片的微缝结构。

图2B是LCC-纸基多单元阵列分流芯片(V)的T型通道位置处放大的微缝连接结构的示意图，图2B中放大的微缝连接结构与图2A中T型通道位置的对应关系依次为，31-22、32-23、33-24、34-25、35-26、36-27、37-28和38-29。

图3A是LCC-纸基通道的加工过程及微观结构示意图。

图3B是LCC-纸基通道和单纯PDMS印刷纸基通道的实物照片及显微镜放大图，(VII)8条微缝的LCC-纸基通道实物图；(VIII)12条微缝的LCC-纸基通道实物图；(IX)单纯PDMS印刷纸基通道实物图；(X)8条微缝的LCC-纸基通道的显微镜放大图；(XI)12 条微缝的LCC-纸基通道的显微镜放大图。

图4A是包含2-12条激光刻蚀微缝的LCC-纸通道的局域平均流速-距离曲线图。

图4B是LCC-纸通道的液流速率提高倍数-微缝数目曲线图，注：流速提高倍数指水溶液在LCC-纸通道内的流速与其在单纯PDMS印刷纸基通道内流速的比值。

图5A是5种高粘度和高挥发溶液在两种纸基通道中流动速度比较，①液流在单纯PDMS印刷纸基通道中流动的时间-距离曲线图；②液流在8条微缝LCC-纸通道中流动的时间-距离曲线图。

图5B是5种高粘度和高挥发溶液在LCC-纸通道中的局域速率提高倍数-距离曲线图，注：1)局域速率指液流前缘从纸基通道入口每流过0.5cm的平均速度；2)局域速率提高倍数指溶液在LCC-纸通道内的局域流速与其在单纯PDMS印刷纸基通道内的局域流速的比值。

图6是LCC-纸基多单元阵列分流芯片中的8种微缝结构的特征流型实物图，中间为纸基芯片上的8个阵列二级分流通道整体流型图；外围44-51为在水平放置的纸基芯片通过共同进样区加样后，液流前缘经过第一级连接结构微缝的T型通道位置时流型的放大图。

图7是LCC-纸基微流稀释芯片和同质同尺寸的单纯PDMS印刷微流芯片的浓度梯度(混合)效果比较，(a-c)为LCC-纸基微流稀释芯片的两种染料混合效果；(d-f)为单纯PDMS印刷微流芯片的两种染料混合效果。

图8是LCC-纸基微流控稀释芯片形成pH梯度的实物照片，(a)两个上样区同时加样时刻；(b)加样后171s形成pH梯度。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细叙述。

一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置，包括在纸基上加工的亲水结构，以及与亲水结构的通道位置相契合的、平行于通道轴向激光刻蚀的微缝结构，所述的微缝结构是阵列微缝且均匀分布在亲水结构的通道内。

所述的纸基上加工的亲水结构，加工方法应用但不局限于PDMS丝网印刷、光刻法、喷蜡打印法或等离子疏水法。

所述的一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置，包括3种类型，分别为：LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A、T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B、LCC-纸基微流稀释芯片即芯片-C；

所述的LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A、包括纸基亲水结构I，在纸基亲水结构I的纸基亲水直通道5(3cm宽、4cm长)相契合的位置设置有包含着阵列平行的激光刻蚀直微缝19，每条微缝3约100μm宽、180μm深、相邻微缝间的间隔约为250μm的纸基微带2。设计不同数目的平行微缝(如2、4、6、8、10、12条等)，以便获得具有不同流速的LCC-纸基通道。微缝的宽度、深度及相邻微缝间间隔的尺寸，均可在合理范围内调整，不限于所列尺寸和数目；

所述的T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B， 包括纸基亲水结构II，纸基亲水结构II中包括八个阵列亲水分流的二级通道(3cm宽)，在直通道内设置有八条激光刻蚀平行阵列的直微缝20，在弯通道位置设置有八条阵列弧形平行的微缝21，在T型通道位置8处设置有包含上游下游微缝连接的8种结构，所述的8种结构分别是间隔连接型22(参照放大结构图中的31)、远边沿连接型23(参照放大结构图中的32)、中间连接型24(参照放大结构图中的33)、近边沿连接型25(参照放大结构图中的34)、交叉连接型26(参照放大结构图中的35)、不连接型27(参照放大结构图中的36)、贯穿不连接型28(参照放大结构图中的37)和侧边连接型29(参照放大结构图中的38)；

所述的LCC-纸基微流稀释芯片即芯片-C，包括纸基亲水结构III，纸基亲水结构III包括六级稀释亲水通道11，六级稀释亲水通道11的直通道内设置有包含平行阵列的八条微缝的直微缝、T型通道位置设计中间连接型的微缝结构30。

一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制作激光刻蚀微缝-纸基微流装置LCC-μPADs的芯片结构

(1.1)、用绘图软件CorelDRAW 9分别绘制三种芯片的纸基亲水结构I、II和III作为PDMS丝网印刷疏水障碍的网版图，所述的三种芯片分别为：LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A、T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B、LCC-纸基微流稀释芯片 即芯片-C；所述的纸基亲水结构包括但不局限PDMS丝网印刷、光刻法、喷蜡打印法或等离子疏水法加工获得；

芯片-A的纸基亲水结构I包含1cm×1cm进样区4、4cm×3mm直通道5、1cm×1cm出口区6，见图1(I)。芯片-B的纸基亲水结构II包含直径1.5cm的圆形进样区7、对称分布于进样区周围的八个3mm宽阵列二级分级通道8，见图1(II)。芯片-C的纸基亲水结构III包含1cm×1cm进样区9和10、一个3mm宽六级稀释通道11、多个T型通道12，六个3mm×3mm梯度稀释出口区13-18，见图1(III)；

(1.2)再用绘图软件CorelDRAW 9绘制与三种芯片的纸基亲水通道结构和位置相契合的、平行于通道轴向的激光刻蚀阵列微缝结构IV、V和VI，使阵列微缝均匀分布在亲水纸基通道内，并把微缝结构IV、V和VI作为激光刻蚀微缝加工模板图；

(1.3)、对芯片-A的微缝结构IV，在纸基亲水直通道5(3cm宽、4cm长)相契合的位置设置有包含着阵列平行的八条激光刻蚀直微缝19，每条微缝3约100μm宽、180μm深、相邻微缝间的间隔约为250μm的纸基微带2，为获得具有不同流速的LCC-纸基通道，芯片-A的直通道中分别刻蚀了包含2、4、6、8、10和12条的平行阵列直微缝，每条直微缝的长、宽和深均为4cm、100μm和180μm，其结构仅以阵列8条直微缝19为例显示在图2(IV)中；

(1.4)、对芯片-B的T型LCC微缝结构V，在与纸基亲水结构II中的八个阵列亲水分流的二级通道(3cm宽)中相契合的位置，其 中在直通道内设置有八条激光刻蚀平行阵列的直微缝20，在其中的弯通道位置设置八条阵列弧形平行的微缝21，在其中的T型通道位置8设置有包含上游下游微缝连接的8种结构，所述的8种结构分别是间隔连接型22(参照放大结构图中的31)、远边沿连接型23(参照放大结构图中的32)、中间连接型24(参照放大结构图中的33)、近边沿连接型25(参照放大结构图中的34)、交叉连接型26(参照放大结构图中的35)、不连接型27(参照放大结构图中的36)、贯穿不连接型28(参照放大结构图中的37)和侧边连接型29(参照放大结构图中的38)；其中每条微缝的长、宽和深均为4cm、100μm和180μm。整体微缝结构见图2(V)。T型通道位置处八种微缝的连接结构放大的示意图见图2B，图2B中放大的微缝连接结构与图2A中T型通道位置的对应关系依次为，31-22、32-23、33-24、34-25、35-26、36-27、37-28和38-29；

所述的上游下游微缝连接的8种结构的连接方式包括但不限于所列的8种结构，改变纸基通道内微缝数量、上游下游微缝间相连接的微缝数目及连接微缝的排列方式，均能够调节T型位置的微缝连接结构以获得不同的特征流型，以适应实际应用中对流型的不同需求；

(1.5)、对芯片-C的微缝结构VI，在纸基亲水结构单元III的纸基六级稀释亲水通道11(3cm宽)内相契合的位置，其中直通道内包含平行阵列的八条微缝的直微缝、T型通道位置设置中间连接型的微缝结构30；整体微缝结构见图2(VI)。上述微缝结构IV、V和VI作为三种芯片的激光刻蚀微缝加工模板图；

步骤二、制作3种LCC-μPADs，其加工步骤及LCC-纸基通道微观结构参照图3A

依据上述步骤(1.1)加工250目丝网印刷网板，用充分混合的质量比为8:1的聚二甲基硅氧烷PDMS与正硅酸乙酯TEOS胶状混合溶液，在Whatman 1号色谱纸正面用力均匀的丝网印刷上3种芯片的疏水障碍，形成纸基亲水通道的结构，在预热的烘箱中150℃下烘干1小时，得到包含多个结构单元的色谱纸正面向上置于激光刻蚀仪加工腔室中，过程见图3A的左图；

(2.1)、在激光刻蚀开始前，需对纸基亲水结构I、II和III的通道位置进行对准调整，以确保激光加工开始后，刻蚀的微缝IV、V和VI按设计的要求均匀分布于纸基通道内，且微缝不能超出通道两侧的疏水边缘；

(2.2)、设定激光刻蚀仪的相应加工参数，激光强度越大、刻蚀速度越慢，刻蚀纸基上的微缝越深、越宽，调整激光强度和刻蚀速度获得不同深度及宽度的纸基微缝，当采用Whatman 1号色谱纸时，所采用的激光强度是Universal VLS2.30激光刻蚀仪最大强度的16％、刻蚀速度为Universal VLS2.30激光刻蚀仪最大刻蚀速度的70％。选取但不限于该设定值。可针对具体流速要求在1％-100％范围内调节激光强度和刻蚀速度；

(2.3)、激光刻蚀纸基微缝：在芯片的正面，依据(1.3)的纸基直通道微缝结构IV，步骤(1.4)的纸基多单元阵列分流芯片的微缝结构V，步骤(1.5)的LCC-纸基微流稀释芯片的微缝结构VI，作为 激光刻蚀微缝加工模板，分别用激光刻蚀出3种芯片纸基通道内的阵列微缝，过程见图3A的中图，这里不限于上述三种微缝结构；得到自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置；

通过激光刻蚀加工获得包含PDMS疏水障碍1、交替相连的约250μm宽的纸基微条带2、穿透纸基的100μm宽180μm深的微缝3的LCC-纸基通道，结构示意见图3A的右图。8条和12条微缝的LCC-纸基通道照片(VII和VIII)及对应的显微放大(IX和X)，单纯PDMS丝网印刷纸通道实物(XI)见图3B；

所述的纸基包括色谱纸、过滤纸、卡片纸、吸水纸、打印纸、具有不同亲水性、厚度和孔隙率的纸或膜，通过激光刻蚀仪用于加工LCC-μPADs，以满足纸基微流芯片的不同应用需求。

本实施例所得的激光刻蚀微缝-纸基微流装置LCC-μPADs的流速、流型及稀释效果：

(1)、最简单的LCC-纸基直通道微流芯片(芯片-A)可以用于证实阵列微缝条数显著加速液流的重要发现。在芯片-A的进样区4滴加50μL的0.5mM罗丹明B水溶液，通过数码相机拍摄溶液在包含2、4、6、8、10、12条微缝的4cm长的纸基直通道中的流动情况，从通道入口至出口每间隔0.5cm的距离记录液体流经所需的时间，测定包含不同数目微缝的LCC-纸基通道对液流速度的提高倍数。

本实施例结果分析，由LCC-纸基通道中液流移动前缘的局域平均流速-距离曲线图4A可知，包含2-10条微缝的LCC-纸基通道中，液流速度随着迁移距离的增长而减小，在流经同一距离时随着微缝数 目增加而加快。对于12条微缝的LCC-纸基通道，在激光刻蚀过程中，由于在3mm宽的纸基通道中阵列过于密集的微缝，部分纸基微条带破坏或卷曲，不能形成完整的交替相连的纸基微条带和微缝结构，如图3B(VIII和XI)所示，因此该纸基通道中流速不稳定且相对较慢。由LCC-纸通道的液流速率提高倍数-微缝数目曲线图4B可知，4cm长×3mm宽的LCC-纸基直通道中平行阵列8条微缝时，液流具有最快的流速，水溶液流过整个通道只需6.58s(在单纯PDMS印刷纸基通道中需392.3s)，其流速提高了59倍。

LCC-纸基直通道实现超快液流传输的新机理，一方面在于通过激光精确控制烧蚀纸纤维，增加等效孔径来减少纸通道液流的阻力；另一方面LCC-纸基通道内平行阵列微缝间的纸基微带，要比单纯PDMS纸基通道具有更大的纸基微带亲水边缘，从而增大了对液流的驱动力。在纸基通道内激光刻蚀0-12条不同数目的平行阵列微缝，可获得不同程度的流速提升，因此在LCC-μPADs实际应用中，可通过调整微缝数目实现自动操控液流，以满足对不同液流速度的需求；

(2)、LCC-纸基通道不仅极大地提高水溶液的自动传输、还非常适合高粘度和高挥发性溶液的传输。在纸基通道中包含0和8条微缝的芯片-A的进样区4分别滴加50μL具有不同粘度和挥发度的溶剂(乙二醇、二甲亚砜、乙醇和丙酮)，每隔0.5cm记录液流移动所需时间，测定高粘度和高挥发性溶液在该LCC-纸基通道中的流速的提高倍数。

本实施例结果分析，由5种高粘度和高挥发溶液在两种纸基通道 中流动速度比较图5A可知，在单纯PDMS印刷纸基通道中(图5A①)，由于流速缓慢，高挥发性溶液丙酮和乙醇在分别经过79s和303s流到通道1.0cm和3.0cm位置处时就已完全挥发，溶剂无法充满整个纸基通道。高粘度溶液乙二醇和二甲亚砜由于粘度太大，分别经过2200s和1120s后溶液才通过整个纸基通道。而在LCC-纸基通道中(图5A②)，高挥发性溶液和高粘度溶液都快速流经整个4cm长的LCC-纸基直通道，丙酮、乙醇、乙二醇和二甲亚砜流过整个通道分别只需7.12s、13.7s、12.2s和79.0s。

由高粘度和高挥发溶液在LCC-纸通道中的局域速率提高倍数-距离曲线图5B可知，对于不同性质的溶液，LCC-纸基通道提高的流速倍数，随着溶液移动距离的增加。丙酮流过1.0cm的LCC-纸基直通道流速提高81.4倍，乙醇流过3.0cm的该通道流速提高55.2倍。乙二醇和二甲亚砜流过4cm长的LCC-纸基直通道流速分别提高了27.8倍和91.6倍。此外LCC-纸基通道有效提高了高粘度和高挥发性溶液在通道中的传输距离，极大地扩展了纸基芯片应用对象的范围；

(3)、LCC-纸基多单元阵列分流芯片(芯片-B)用于获得多种流型。在芯片-B的进样区7滴加200μL 1％甲基橙溶液，相机记录液体在包含不同T型微缝连接结构的八个阵列二级分流通道中的流动情况。

本实施例结果分析，由LCC-纸基多单元阵列分流芯片中的8种微缝结构的特征流型实物图6可知，因液流在T型通道的上下游相连微缝(区)的流速远远高于不连微缝，芯片-B纸基二级分流通道T 型位置的、8种不同的微缝连接结构22-29(参照放大结构图中的31-38)，可使溶液在多级纸基通道的分流过程中形成8种不同的特征流型44-51。

溶液在流过具有间隔连接型T型通道31时，由于上游和下游微缝间交替相连的结构，液流在纸基通道的宽度方向上较为均匀的分布，且在其下游的左右两侧通道中流速基本相同44。在远边沿连接型32、中间连接型33和近边沿连接型34的T型通道中，液流在集中的上游下游微缝相连接部分的流速高于其微缝不相连的部分，因此溶液在通道的宽度方向上具有不同的流速分布45-47。在交叉连接型T型通道35，由于纸基底部分缺失，溶液在流经T型通道位置时停滞下来48。对于不连接型T型通道36，溶液主要沿着下级通道的一侧流动49。贯穿不连接型T型通道37，由于上游和下游微缝间没有连接，相较于上游和下游微缝间连接的微缝结构，溶液在流经T型通道位置时流速较慢50。侧边连接型T型通道38，溶液在微缝连接一侧通道的流速远大于微缝不连接的一侧51，从而使溶液在其两个下游通道中具有不同流速。

T型通道中的八种不同微缝连接结构导致纸基分流通道的流速从快到慢依次为间隔连接型44、中间连接型46、近边沿连接型47、远边沿连接型45、侧边连接型51、贯穿不连接型50、不连接型49和交叉连接型48。因此通过设计加工具有特殊T型微缝连接结构的纸基多级通道，获得实际应用中所需流形和流速；

(4)、LCC-纸基微流稀释芯片能够快速有效地形成溶液浓度梯 度。在芯片-C的进样区9和10分别滴加100μL 1％孔雀绿溶液和1％甲基橙溶液，两种液体经过包含多个中间连接型24微缝连接结构的六级纸基稀释通道11的流动及混合，在梯度稀释出口区13-18获得由颜色梯度表征的浓度梯度。

本实施例结果分析，由LCC-纸基微流稀释芯片和同质同尺寸的单纯PDMS印刷微流芯片的浓度梯度(混合)效果比较图7可知，在单纯PDMS印刷的纸基六级稀释通道中，纸纤维吸附层析引起甲基橙、孔雀绿染料与水溶剂相分离，溶液在纸基六级稀释通道中流动极缓(溶液充满整个通道需2355s)，同时无颜色梯度(即浓度梯度)形成，见图7(a-c)。LCC-纸基T型多级通道芯片因激光烧蚀掉纸纤维而减小了液流阻力、加快液流、同时也拟制了通道中纸纤维吸附层析导致溶液组份分区，两种溶液流过LCC-纸基六级稀释通道并形成浓度梯度只需123s。通道梯度稀释出口区渐变的溶液颜色(蓝色-绿色-橙色)表明该通道自驱动快速有效地形成了浓度梯度，见图7(d-f)；

(5)、LCC-纸基微流稀释芯片快速高效形成pH梯度。先在芯片-C的梯度稀释出口区52-57分别滴加5μL指示不同pH范围的酸碱指示剂：1％孔雀绿(52和57)、1％甲基橙(53)、1％溴酚红钠(54)、1％溴百里酚蓝(55)和1％酚酞(56)，再在进样区9和10分别滴加100μL的1M盐酸溶液和1M氢氧化钠溶液，经过六级稀释通道的混合作用形成pH梯度，梯度稀释出口区58-63包含的酸碱指示剂的颜色变化指示相应位置的pH范围。六个出口区包含的酸碱指示剂所指示的pH区间分别为(52)0.2-1.8、(53)3.2-4.4、(54)5.0-6.8、(55)6.0-6.7、 (6)8.2-10、(57)11.6-14。

本实施例结果分析，由LCC-纸基微流控稀释芯片形成pH梯度的实物照片图8可知，梯度稀释出口区58-63包含的酸碱指示剂在其指示的pH区间发生颜色变化，孔雀绿由绿色变为黄绿色(58)，甲基橙由浅黄色变为红色(59)，溴酚红钠由浅黄色变为橘红色(60)，溴百里酚蓝由黄色变为紫色(61)，酚酞由无色变为红色(62)，孔雀绿由绿色变为浅绿色(63)。出口区溶液的pH值从58至63依次增加，LCC-纸基微流稀释芯片只需171s就可有效地形成pH梯度。LCC-纸基微流稀释芯片可用于各种溶液的颜色梯度、浓度梯度和稀释梯度等形成，用于比色测定、梯度洗脱、高通量药物筛选及药效测试等领域。

Claims (5)

1.一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置，其特征在于，包括在纸基上加工的亲水结构，以及与亲水结构的通道位置相契合的、平行于通道轴向激光刻蚀的微缝结构，所述的微缝结构是阵列微缝且均匀分布在亲水结构的通道内；

所述的纸基上加工的亲水结构，加工方法应用但不局限于PDMS丝网印刷、光刻法、喷蜡打印法或等离子疏水法。

2.根据权利要求1所述的一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置，其特征在于，包括3种类型，分别为：LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A、T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B、LCC-纸基微流稀释芯片即芯片-C；

所述的LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A、包括纸基亲水结构I，在纸基亲水结构I的纸基亲水直通道(5)相契合的位置设置有包含着阵列平行的激光刻蚀直微缝(19)；

所述的T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B，包括纸基亲水结构II，纸基亲水结构II中包括八个阵列亲水分流的二级通道，在直通道内设置有八条激光刻蚀平行阵列的直微缝(20)，在弯通道位置设置有八条阵列弧形平行的微缝(21)，在T型通道位置(8)处设置有包含上游下游微缝连接的8种结构，所述的8种结构分别是间隔连接型(22)、远边沿连接型(23)、中间连接型(24)、近边沿连接型(25)、交叉连接型(26)、不连接型(27)、贯穿不连接型(28)和侧边连接型(29)；

所述的LCC-纸基微流稀释芯片即芯片-C，包括纸基亲水结构III，纸基亲水结构III包括六级稀释亲水通道(11)，六级稀释亲水通道(11)的直通道内设置有包含平行阵列的八条微缝的直微缝、T型通道位置设计中间连接型的微缝结构(30)。

3.基于权利要求1或2所述的一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制作激光刻蚀微缝-纸基微流装置LCC-μPADs的芯片结构

(1.1)、用绘图软件分别绘制三种芯片的纸基亲水结构I、II和III作为PDMS丝网印刷疏水障碍的网版图，所述的三种芯片分别为：LCC-纸基直通道微流芯片即芯片-A、T型微缝结构LCC-纸基多单元阵列分流芯片即芯片-B、LCC-纸基微流稀释芯片即芯片-C；所述的纸基亲水结构包括但不局限PDMS丝网印刷、光刻法、喷蜡打印法或等离子疏水法加工获得；

(1.2)再刻蚀与三种芯片的纸基亲水通道结构和位置相契合的、平行于通道轴向的激光刻蚀阵列微缝结构IV、V和VI，使阵列微缝均匀分布在亲水纸基通道内，并把微缝结构IV、V和VI作为激光刻蚀微缝加工模板图；

(1.3)、对芯片-A的微缝结构IV，在纸基亲水直通道(5)相契合的位置设置有包含着阵列平行的八条激光刻蚀直微缝(19)；

(1.4)、对芯片-B的T型LCC微缝结构V，在与纸基亲水结构II中的八个阵列亲水分流的二级通道中相契合的位置，其中在直通道内设置八条激光刻蚀平行阵列的直微缝(20)，在其中的弯通道位置刻蚀八条阵列弧形平行的微缝(21)，在其中的T型通道位置(8)设置包含上游下游微缝连接的8种结构，所述的8种结构分别是间隔连接型(22)、远边沿连接型(23)、中间连接型(24)、近边沿连接型(25)、交叉连接型(26)、不连接型(27)、贯穿不连接型(28)和侧边连接型(29)；

(1.5)、对芯片-C的微缝结构VI，在纸基亲水结构单元III的纸基六级稀释亲水通道(11)内相契合的位置，其中直通道内设置有包含平行阵列的八条微缝的直微缝、T型通道位置设置中间连接型的微缝结构(30)；

步骤二、制作激光刻蚀微缝-纸基微流装置LCC-μPADs

(2.1)、在激光刻蚀开始前，需对纸基亲水结构I、II和III的通道位置进行对准调整，以确保激光加工开始后，刻蚀的微缝IV、V和VI按设计的要求均匀分布于纸基通道内，且微缝不能超出通道两侧的疏水边缘；

(2.2)、设定激光刻蚀仪的相应加工参数，激光强度越大、刻蚀速度越慢，刻蚀纸基上的微缝越深、越宽，调整激光强度和刻蚀速度获得不同深度及宽度的纸基微缝，当采用Whatman 1号色谱纸时，所采用的激光强度是Universal VLS2.30激光刻蚀仪最大强度的16％、刻蚀速度为Universal VLS2.30激光刻蚀仪最大刻蚀速度的70％；

(2.3)、激光刻蚀纸基微缝。在芯片的正面，依据步骤(1.3)的纸基直通道微缝结构IV，步骤(1.4)的纸基多单元阵列分流芯片的微缝结构V，步骤(1.5)的LCC-纸基微流稀释芯片的微缝结构VI，作为激光刻蚀微缝加工模板，分别用激光刻蚀出3种芯片纸基通道内的阵列微缝；得到自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置。

4.根据权利要求1或2所述的一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置，其特征在于，所述的纸基包括色谱纸、过滤纸、卡片纸、吸水纸、打印纸、具有不同亲水性、厚度和孔隙率的纸或膜，通过激光刻蚀仪用于加工激光刻蚀微缝-纸基微流装置LCC-μPADs，以满足纸基微流芯片的不同应用需求。

5.根据权利要求3所述的一种自驱动超高流速激光刻蚀微缝-纸基微流装置的制备方法，所述的上游下游微缝连接的8种结构的连接方式包括但不限于所列的8种结构，改变纸基通道内微缝数量、上游下游微缝间相连接的微缝数目及连接微缝的排列方式，均能够调节T型位置的微缝连接结构以获得不同的特征流型，以适应实际应用中对流型的不同需求。