CN107570244B - 一种可信号放大的纸基微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可信号放大的纸基微流控芯片及其制备方法。本发明纸基微流控芯片，由上至下依次包括加样层、检测层以及底层；所述加样层的中间位置设有加样孔，作为加样区；所述检测层的中间位置设有与加样层的加样孔同轴心的凹槽；所述凹槽内放置有经过预处理的亲水性填充材料，作为检测区；所述底层黏在检测层的底部。本发明纸基微流控芯片通过溶剂的限域挥发，对分析检测样品和生成物定点浓集，实现检测信号的放大。本发明将芯片的各层材料进行裁剪后，通过黏合组合成所述可信号放大的纸基微流控芯片，制备工艺简单，且不采用有毒有害试剂，采用包括裁剪、雕刻、腐蚀、模切、压样或3D打印的方法制作加样孔与凹槽，尺寸精确可控。

Description

一种可信号放大的纸基微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于检测芯片制作领域，具体涉及一种可信号放大的纸基微流控芯片及其制备方法。

背景技术

纸基微流控芯片（µPADs）由于制作成本低，体积小，携带方便，检测快速准确等诸多优点而取代了传统的操作复杂、对工艺要求高的以硅、玻璃、石英等为基底的微流控装置，并广泛应用于生物化学分析、医疗诊断、环境监测等多个领域。

制作纸基微流疏水坝的方法有很多，目前主要采用光刻胶、蜡印、喷墨印刷、丝网印刷以及等离子处理和激光处理等技术。

最初在2007年，Whitesides团队使用光胶在紫外灯下借助掩膜进行局部曝光的方法在滤纸上形成疏水“坝”，制作了用于测定葡萄糖和蛋白质的纸基检测器件（Martinez,A. W.; Phillips, S. T.; Butte, M. J.; Whitesides, G. M. Patterned Paper as aPlatform for Inexpensive, Low-Volume, Portable Bioassays. Angew. Chem., Int.Ed. 2007, 46, 1318−1320）。从此也激起了新一轮利用纸设计微流体诊断装置的兴趣，继而引起世界上很多团队的进一步研究。

2008年，Shen等人将滤纸经过烷基烯酮二聚体（AKD）处理，并提出了用等离子技术制作纸基微流控芯片的新方法（Li X, Tian J, Nguyen T H, et al. Paper-basedmicrofluidic devices by plasma treatment.[J]. Analytical Chemistry, 2008, 80(23): 9131-9134.）。2010年，他们使用喷墨打印机在滤纸上直接打印AKD溶液制作纸基微流控芯片，从而改进了通过施胶方法实现微流控装置图案化的技术（Li X, Tian J, ShenW. Progress in patterned paper sizing for fabrication of paper-basedmicrofluidic sensors[J]. Cellulose, 2010, 17(3): 649-659.）。

2009年，Lin团队充分运用蜡通过加热渗入滤纸内制成了具有毫米级亲水通道的纸基芯片，他提出了蜡笔手绘、蜡笔临摹打印图形以及蜡印三种方法制作疏水坝（Lu Y,Shi W, Jiang L, et al. Rapid prototyping of paper-based microfluidics withwax for low-cost, portable bioassay.[J]. Electrophoresis, 2009, 30(9):1497.）。

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, et al.Method for fabrication of paper-based microfluidic devices by alkylsilaneself-assembling and UV/O3-patterning.[J]. Analytical Chemistry, 2013, 85(3):1327.）。

2013年Nie等报道了一种通过CO2激光切割机激光刻蚀滤纸的方法制作微流控通道（Nie J, Liang Y, Zhang Y, et al. One-step patterning of hollowmicrostructures in paper by laser cutting to create microfluidic analyticaldevices[J]. Analyst, 2013, 138(2):671.）。

此外，公开号为CN 106040324 A的专利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，利用丝网印刷的方法制备亲水通道，并使用了氟材料制作疏水区域。

在实现检测结果信号的放大方面，研究人员多使用金纳米粒子催化沉积达到这一目的。例如，2015年Anand Kumar等人使用了带正电荷的金纳米粒子作为催化剂促进过氧化氢和四甲基联苯胺产生蓝绿色进而与尿酸反应变为无色，在滤纸上基于比色法测得了浓度检测限为8.1ppm的尿酸含量值（Kumar A, Hens A, Arun R K, et al. A paper basedmicrofluidic device for easy detection of uric acid using positively chargedgold nanoparticles.[J]. Analyst, 2015, 140(6):1817.）。

然而以上方法，例如制作疏水坝，大多仍需要借助仪器或者化学药品才得以完成，尤其是含氟材料的使用可能会对人体或环境造成损害，而且以上方法在制作过程中容易造成流体的过度渗透从而影响通道的分辨率，因此通道的尺寸不易控制。另外，这些方法由于在材料、试剂以及检测方法本身的问题，在检测的敏感性方面存在一定的局限性，在许多检测体系（例如检测低浓度样品）中的灵敏度不高，检测限达不到应用的要求；同时，有些制成的微流控装置有些只有芯片，没有基底，给操作带来额外的工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种可信号放大的纸基微流控芯片。该可信号放大的纸基微流控芯片实现不借助额外的仪器、不改变检测试剂和检测形式下，通过溶剂的限域挥发，对分析检测样品和生成物定点浓集，实现检测信号的放大，使得纸基微流控芯片进一步满足世界卫生组织对低成本检测器件灵敏性的要求。

本发明的目的还在于提供所述的一种可信号放大的纸基微流控芯片的制备方法。该方法将芯片的各层材料进行裁剪后，通过黏合组合成所述可信号放大的纸基微流控芯片，制备工艺简单，且不采用有毒有害试剂。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种可信号放大的纸基微流控芯片，由上至下，依次包括加样层、检测层以及底层；

所述加样层、检测层以及底层的材料均为疏水性或阻水性材料；

所述加样层的中间位置设有加样孔，作为加样区；

所述检测层的上表面与加样层的底部黏合；所述检测层的中间位置设有与加样层的加样孔同轴心的凹槽；所述凹槽内放置有经过预处理的亲水性填充材料，作为检测区；

所述底层黏在检测层的底部。

进一步地，所述加样层与底层的材料为具有粘性的、透明或白色的疏水性或阻水性材料，包括粘附有双面胶的PCL、PET、ABS、PC、PP、PVC、PLA、有机硅树脂、二氧化硅、经处理后具有疏水性或阻水性的材料，以及透明胶带、冷裱膜和热塑膜中的一种或两种。

进一步地，所述检测层的材料为疏水性或阻水性材料，包括聚己内酯（PCL）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯树脂（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚乳酸（PLA）、有机硅树脂、二氧化硅和经处理后具有疏水性或阻水性的材料中的一种。

进一步地，所述亲水性填充材料为亲水性材料，包括滤纸、化妆棉、纱布、纤维素及纤维素衍生物、气凝胶、水凝胶及其他亲水有机材料、玻璃纤维或玻璃微珠。

进一步地，所述加样层、检测层、底层、凹槽、亲水性填充材料以及加样孔的形状包括圆形、方形、三角形、椭圆形或星型，且所述凹槽和亲水性填充材料的形状相同。

进一步地，所述加样层、检测层以及底层的边缘尺寸相同。

进一步地，所述凹槽的直径为5~8mm。

进一步地，所述加样孔的尺寸小于凹槽的尺寸，直径为2~4mm。

进一步地，所述亲水性填充材料的尺寸与凹槽的尺寸相同，或小于凹槽的尺寸。

进一步地，检测过程中，采用包括移液管、注射器或滴管在加样孔滴加检测样品，或直接将纸基微流控芯片浸入待检测液体中，待微流控芯片内的亲水性填充材料充分润湿后取出，观察结果。

进一步地，检测过程中，通过控制加样孔和凹槽的尺寸来控制待检测液体的添加体积及其中的溶剂挥发的位置，使得在纸纤维阵列中反应生成的产物由于溶剂挥发所引起的纸基阵列内微流的定向流动，并在开孔区域浓集，达到颜色增强从而实现检测信号的放大的作用；即通过溶剂的限域挥发，对分析检测样品和生成物定点浓集，实现检测信号的放大。

本发明的可信号放大的纸基微流控芯片可用于包括基于比色分析以及荧光的生物化学检测领域，包括用于金属离子、蛋白、抗体、生物酶、DNA、病原体、葡萄糖、尿酸、亚硝酸根离子、核酸或其他各种疾病标记物的检测。

制备所述的一种可信号放大的纸基微流控芯片的方法，包括如下步骤：

（1）在检测层材料上制作凹槽，并将检测层材料根据所需形状以凹槽为中心进行裁剪，得到检测层，备用；

（2）在加样层上制作加样孔，并将加样层材料根据所需形状以加样孔为中心进行裁剪，得到加样层，备用；

（3）将亲水性填充材料根据所需形状进行裁剪后，再进行预处理，备用；

（4）将底层材料根据所需形状进行裁剪，得到底层，备用；底层材料不做任何处理，作为整个芯片的基底对芯片底部进行密封，有效防止待检测液体的泄露；

（5）将裁剪后并经预处理的亲水性填充材料放置在检测层材料上的凹槽内；再将检测层与加样层按凹槽与加样孔同轴心进行黏合，最后将底层黏在检测层的底部，塑封，塑封工艺采用常用的工艺，得到所述可信号放大的纸基微流控芯片。

进一步地，所述凹槽和加样孔通过使用打孔器或冲子进行打孔的方式，或通过裁剪、雕刻、腐蚀、模切、压样或3D打印的方式制成。

进一步地，步骤（3）中，所述预处理是在亲水性填充材料上添加反应试剂，使得亲水性填充材料完全润湿，再进行干燥。

更进一步地，步骤（3）中，所述反应试剂为能与待检测液反应的试剂。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明的纸基微流控芯片在检测过程中，实现了不借助额外的仪器、不改变检测试剂和检测形式下，通过溶剂的限域挥发，对分析检测样品和生成物定点浓集，达到颜色增强从而实现检测信号的放大；

（2）本发明制备方法简单，直接使用疏水性或阻水性材料制作疏水或阻水“堤坝”，无需进行过多的处理，不使用包括光刻胶、硅氧烷、含氟化学品或蜡的任何化学试剂；

（3）本发明制备过程中，加样孔与凹槽的加工方式包括裁剪、雕刻、腐蚀、模切、压样或3D打印等方法制作，尺寸精确可控。

附图说明

图1为本发明具体实施例的纸基微流控芯片的结构示意图；

图2a为刚添加了去离子水及不同浓度的葡萄糖溶液的无加样层的不密封纸基微流控芯片的扫描图；

图2b为刚添加了去离子水及不同浓度的葡萄糖溶液的有加样层的完整结构纸基微流控芯片的扫描图；

图3a为添加了去离子水以及不同浓度的葡萄糖溶液的无加样层的纸基微流控芯片完全干燥后的扫描图；

图3b为添加了去离子水以及不同浓度的葡萄糖溶液的完整结构的纸基微流控芯片完全干燥后的扫描图；

图4为溶液中葡萄糖浓度与反应后显色灰度强度的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明不限于此。

本发明具体实施例的可信号放大的纸基微流控芯片的结构示意图如图1所示，

由上至下，依次包括加样层5、检测层2以及底层1；

加样层5、检测层2以及底层1的材料均为疏水性或阻水性材料；其中，加样层5与底层1的材料均为具有粘性的、透明或白色的疏水性或阻水性材料，包括粘附有双面胶的PCL、PET、ABS、PC、PP、PVC、PLA、有机硅树脂、二氧化硅、经处理后具有疏水性或阻水性的材料，以及透明胶带、冷裱膜和热塑膜中的一种或两种；检测层2的材料为疏水性或阻水性材料，包括PCL、PET、ABS、PC、PP、PVC、PLA、有机硅树脂、二氧化硅和经处理后具有疏水性或阻水性的材料中的一种；

加样层5的中间位置设有加样孔6，作为加样区；

检测层2的上表面与加样层5的底部黏合；检测层2的中间位置设有与加样层5的加样孔6同轴心的凹槽3；凹槽3内放置有经过预处理的亲水性填充材料4，作为检测区；亲水性填充材料4为亲水性材料，包括滤纸、化妆棉、纱布、纤维素及纤维素衍生物、气凝胶、水凝胶及其他亲水有机材料、玻璃纤维或玻璃微珠；

底层1黏在检测层2的底部；

加样层5、检测层2、底层1、凹槽3、亲水性填充材料4以及加样孔6的形状包括圆形、方形、三角形、椭圆形或星型；其中，加样层5、检测层2以及底层1的边缘尺寸相同；凹槽3的直径为5~8mm，加样孔6的尺寸小于凹槽3的尺寸，直径为2~4mm；亲水性填充材料4的形状尺寸与凹槽3的尺寸相同，或小于凹槽3的形状尺寸。

实施例1

疏水或阻水结构的制作：

（1）使用刻刀将PVC软玻璃裁成塑料条，用直径为8mm的打孔器在塑料条上每隔2cm打孔；然后用剪刀将打好孔的塑料条进行裁剪，以所打圆孔为中心裁成边长为1.5cm的正方形塑料块，得到检测层，备用；

（2）将冷裱膜裁成三张长16cm宽5cm的长方形，用直径0.3cm的打孔冲子在其中一张冷裱膜上打成三列圆心距离为2.5cm的等距的小孔，另外两张不做处理，分别得到打孔的加样层、未打孔的加样层以及未打孔的底层，备用。

实施例2

亲水区域的制作：用直径为8mm的打孔器对吸水纸进行打孔，收集打下的圆形纸片，即为亲水性填充层材料。

实施例3

以检测不同浓度的葡萄糖溶液为例，具体说明纸基微流控芯片的结果可视化方法的实际应用：

反应剂的配制：

称取0.0823 g的ABTS（2,2'-二氮-双（3-乙基苯并噻唑-6-磺酸）），溶于6 ml的去离子水，震荡至完全溶解，配成浓度为25mmol/L的ABTS溶液；

配制200 ml PH=6的PBS溶液，并置于4 ℃冰箱中保存备用；

用配制好的PBS溶液配制6 ml包含120 U/ml的葡萄糖氧化酶和300 U/ml的过氧化物酶的溶液，置于4 ℃冰箱中保存；

称取0.018g的D-葡萄糖，溶于20ml的去离子水，配制5 mmol/L的葡萄糖溶液，并用去离子水稀释至2.5 mmol/L、1.5 mmol/L、1 mmol/L、0.5 mmol/L、0.1 mmol/L。

实施例4

亲水纸的处理：用移液枪在裁好的直径为8 mm的圆形纸片上滴加25 µL的ABTS溶液，在37 ℃鼓风干燥箱中风干；用移液枪在风干后的纸片上滴加25 µL酶溶液，在37 ℃鼓风干燥箱中风干，即制成检测纸片。

实施例5

疏水材料与亲水材料的组合：

（1）将检测纸片填充在PVC塑料片（检测层）的圆形凹槽内，用镊子将填充好检测纸片的PVC塑料块依次粘结在未进行打孔处理的冷裱膜（未打孔的加样层）上，制成无加样层的纸基微流控芯片，此芯片为不密封结构，作为对比样模拟常见的开放式检测方法；

（2）用镊子将填充好检测纸片的PVC塑料片（检测层）依次粘在打有小孔的冷裱膜（打孔的加样层）上，凹槽圆心与小孔圆心对齐，然后再用一张完整的冷裱膜（未打孔的底层）使用塑封机进行塑封，制成完整结构的纸基微流控芯片。

实施例6

不同浓度葡萄糖溶液的检测：用移液枪在不密封芯片内的检测纸片上以及完整装置的加样区分别滴加25 µL去离子水以及浓度分别为5 mmol/L、2.5 mmol/L、1.5 mmol/L、1mmol/L、0.5 mmol/L、0.1 mmol/L的葡萄糖溶液，使之与检测纸片上的检测剂完全反应，然后将不密封芯片和完整芯片均使用扫描仪进行扫描，保存扫描所得图片。

扫描结果分别如图2a和图2b所示，其中，图2a为无加样层的不密封纸基微流控芯片的扫描图，图2b为完整的纸基微流控芯片的扫描图，由图2a和图2b可知，两种芯片在添加样品完成反应后湿润状态下的显色情况基本一致。

将反应后的两种芯片都放在37 ℃鼓风干燥箱里，待完全干燥后，用扫描仪扫描显色结果，然后用Image J获取不同浓度显色区的灰度值，将数据导入到Excel进行整理得到溶液中葡萄糖浓度与反映后显色灰度强度的变化曲线。

如图3a和图3b所示，图3a是添加了去离子水以及不同浓度的葡萄糖溶液的无加样层的纸基微流控芯片完全干燥后的扫描图，图3b是添加了去离子水以及不同浓度的葡萄糖溶液的完整结构的纸基微流控芯片完全干燥后的扫描图；由图3a和图3b可知，完全干燥后，完整纸基微流控芯片的显色灰度强度明显强于不密封纸基微流控芯片，这是由于完整的纸基微流控芯片通过加样孔控制了液体的限域挥发对分析检测样品和生成物进行了浓集，从而达到显色增强和检测信号放大的效果。

溶液中葡萄糖浓度与反映后显色灰度强度的变化曲线图如图4所示，其中，实线表示使用完整结构的纸基微流控芯片检测得到的溶液中葡萄糖浓度与反应后显色灰度强度的关系曲线，虚线表示使用无加样层的纸基微流控芯片检测得到的溶液中葡萄糖浓度与反应后显色灰度强度的关系曲线；由图4可知，检测相同浓度的葡萄糖溶液，使用完整纸基微流控芯片得到的的显色灰度值明显高于不密封纸基微流控芯片，说明显色颜色得到了增强，检测信号得到了放大。

上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，凡使用本发明方法进行诸如此类的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种可信号放大的纸基微流控芯片，其特征在于，由上至下，依次包括加样层、检测层以及底层；

所述加样层、检测层以及底层的材料均为疏水性或阻水性材料；

所述加样层的中间位置设有加样孔，作为加样区；

所述检测层的上表面与加样层的底部黏合；所述检测层的中间位置设有与加样层的加样孔同轴心的凹槽；所述凹槽内放置有经过预处理的亲水性填充材料，作为检测区；

所述底层黏在检测层的底部；

所述一种可信号放大的纸基微流控芯片，其制备方法具体包括如下步骤：

（1）在检测层材料上制作凹槽，并将检测层材料根据所需形状以凹槽为中心进行裁剪，得到检测层，备用；

（2）在加样层上制作加样孔，并将加样层材料根据所需形状以加样孔为中心进行裁剪，得到加样层，备用；

（3）将亲水性填充材料根据所需形状进行裁剪后，再进行预处理，备用；

（4）将底层材料根据所需形状进行裁剪，得到底层，备用；

（5）将裁剪后并经预处理的亲水性填充材料放置在检测层材料上的凹槽内；再将检测层与加样层按凹槽与加样孔同轴心进行黏合，最后将底层黏在检测层的底部，塑封，得到所述可信号放大的纸基微流控芯片；

步骤（1）中所述检测层、步骤（2）中所述加样层以及步骤（4）中所述底层的边缘尺寸相同；步骤（1）中所述凹槽的直径为5~8 mm；步骤（2）中所述加样孔的尺寸小于凹槽的尺寸，直径为2~4 mm；步骤（3）中所述进行裁剪后的亲水性填充材料的形状尺寸与凹槽的尺寸相同，或小于凹槽的形状尺寸；

检测过程中，通过溶剂的限域挥发，对分析检测样品和生成物定点浓集，实现检测信号的放大。

2.根据权利要求1所述的一种可信号放大的纸基微流控芯片，其特征在于，所述加样层与底层的材料均为具有粘性的、透明或白色的疏水性或阻水性材料，包括粘附有双面胶的PCL、PET、ABS、PC、PP、PVC、PLA、有机硅树脂、二氧化硅、经处理后具有疏水性或阻水性的材料，以及透明胶带、冷裱膜和热塑膜中的一种或两种。

3.根据权利要求1所述的一种可信号放大的纸基微流控芯片，其特征在于，所述检测层的材料为疏水性或阻水性材料，包括PCL、PET、ABS、PC、PP、PVC、PLA、有机硅树脂、二氧化硅和经处理后具有疏水性或阻水性的材料中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种可信号放大的纸基微流控芯片，其特征在于，所述亲水性填充材料为亲水性材料，包括滤纸、化妆棉、纱布、纤维素及纤维素衍生物、气凝胶、水凝胶及其他亲水有机材料、玻璃纤维或玻璃微珠。

5.根据权利要求1所述的一种可信号放大的纸基微流控芯片，其特征在于，所述加样层、检测层、底层、凹槽、亲水性填充材料以及加样孔的形状为包括圆形、方形、三角形、椭圆形或星型，且所述凹槽和亲水性填充材料的形状相同。

6.根据权利要求1所述的一种可信号放大的纸基微流控芯片，其特征在于，所述凹槽和加样孔通过使用打孔器或冲子进行打孔的方式，或通过裁剪、雕刻、腐蚀、模切、压样或3D打印的方式制成。

7.根据权利要求1所述的一种可信号放大的纸基微流控芯片，其特征在于，步骤（3）中，所述预处理是在亲水性填充材料上添加反应试剂，使得亲水性填充材料完全润湿，再进行干燥；所述反应试剂为能与待检测液反应的试剂。

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