CN107597217B

CN107597217B - 一种结果可视化的纸基微流控芯片及其制备方法

Info

Publication number: CN107597217B
Application number: CN201710643021.9A
Authority: CN
Inventors: 田君飞; 吴静; 徐军飞; 石聪灿; 陈广学
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: CN107597217A

Abstract

本发明公开了一种结果可视化的纸基微流控芯片及其制备方法。纸基微流控芯片依次包括加样层以及检测层；该结果可视化的纸基微流控芯片进行检测时，检测结果无需借助额外的仪器即可直观呈现，提高了结果解释的简易性。本发明制备方法包括检测层为整块亲水性材料结构时，及检测层为具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时的两种制备工艺，制备过程均简单易行，容易操作，且检测层为具有凹槽的疏水或阻水性材料结构的制备过程不采用任何化学药品或复杂的设备。

Description

一种结果可视化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备技术领域，涉及一种结果可视化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-based microfluidic devicesby 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, Shen W. Progress inpatterned paper sizing for fabrication of paper-based microfluidic 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.）。

而对于检测结果的可视化，主要包括通过智能手机等的读取以及结果显示的文本化。其中，在通过智能手机的读取方法中，Parke等人报道了一项使用智能手机和纸基微流体装置用于评估不同类型的葡萄酒味道的研究，研究人员使用化学染料并测量其氧化状况并通过智能手机进行扫描从而对葡萄酒的主要成分进行分析，进一步地评估和监控葡萄酒的质量（Tu S P, Baynes C, Cho S I, et al. Paper microfluidics for red winetasting[J]. Rsc Advances, 2014, 4(46):24356.）。

另外，Guan等人在血型试验的定性测试中设计了一种条形码样式的图案灵活的汇报测试结果，该图案可以使用下载了特定应用程序的智能手机进行扫描然后试验的结果显示在手机屏幕上，用户无需再进行手动的图案对比（Guan L. Barcode-like paper sensorfor smartphone diagnostics: an application of blood typing.[J]. AnalyticalChemistry, 2014, 86(22):11362-7.）。

在实现结果显示的文本化的研究中，Yeow等人利用红细胞中抗原和血液中抗体之间的特异性反应产生红细胞的凝集，然后根据细胞的凝集情况使用生物活性和非生物活性的字母或符号，例如“A”、“B”、“C”和“+”进行图案化来鉴定人的血型，检测结果经文本直接呈现出来，例如“A+”（Yeow N, McLiesh H, Guan L, et al. Paper-based assay for redblood cell antigen typing by the indirect antiglobulin test[J]. Analyticaland bioanalytical chemistry, 2016, 408(19): 5231-5238.）。

Li等人基于指示剂与金属离子反应形成的具有特定颜色的复合物的原理在纸上进行图案化形成目标金属的化学符号表达检测结果，该方法已成功的用于铜、铁以及镍离子的检测（Li M, Cao R, Nilghaz A. "Periodic-table-style" paper device formonitoring heavy metals in water[J]. Analytical Chemistry, 2015, 87(5):2555.）。

以上方法减少了用户在操作试验过程中的工作，使得检测结果通过使用扫描或文本展示的方法进行直观的呈现，尤其是对于不同检测物检测结果产生相似颜色的试验，检测结果的可视化减少了纸基传感器使用过程中可能出现的错误。

然而以上方法，例如制作疏水坝，必须需要借助仪器或者化学药品才得以完成，而且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，在结果的可视化方面，有些装置仍需要借助智能手机等设备读取，对于检测结构不需要借助额外设备读取的装置，例如利用文本化的字母或符号进行血型的表征试验，在添加了待测血液以后，还需要使用生理盐水的冲洗；而利用金属符号表示检测结果的方法，通过待测液体的冲洗或浸泡，字母符号很容易变得模糊，对于生成产物为可溶性复合物的试验，甚至会造成字母符号根本无法显示在试纸上的后果。因此，现有的纸基微流控芯片的结果可视化过程仍需简化，其显示效果还待进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种结果可视化的纸基微流控芯片。该结果可视化的纸基微流控芯片的检测结果无需借助额外的仪器即可直观呈现。

本发明的目的还在于提供所述的一种结果可视化的纸基微流控芯片的制备方法。该制备方法包括检测层为整块亲水性材料结构时，及检测层为具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时的两种制备工艺，制备过程均简单易行，容易操作，且检测层为具有凹槽的疏水或阻水性材料的制备过程不采用任何化学药品或复杂的设备。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种结果可视化的纸基微流控芯片，由上至下，依次包括加样层以及检测层；

所述加样层的材料为疏水性或阻水性材料；所述加样层的中间位置具有中空的字母或符号的图案，作为检测过程中的加样区域；

所述检测层在与加样层的中空字母或符号的图案对应的区域部分具有亲水性，作为检测过程中的检测区域；采用图案化的检测区域，检测结果以字母或符号的图案显示，提高了结果解释的简易性。

进一步地，所述检测层为整块的亲水性材料结构，或为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构。

更进一步地，所述亲水性材料包括滤纸、化妆棉、纱布、纤维素粉末及纤维素衍生物、水凝胶及其他亲水有机材料、玻璃纤维或玻璃微珠。

更进一步地，所述检测层为整块的亲水性材料结构时，加样层的材料选自包括烷基乙烯酮二聚物(AKD)、烯基琥珀酸酐(ASA)、光刻胶、松香、胶乳、硅氧烷、疏水或阻水性含氟化学品、聚烯烃乳液、树脂、脂肪酸、天然蜡、合成蜡、UV蜡和施胶剂中的一种以上；选用的加样层材料能直接在整块的亲水性材料上包围形成中空的字母或符号的图案。

更进一步地，所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，加样层的材料选自具有粘性的透明或白色材料，包括粘附有双面胶的聚己内酯（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、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。

更进一步地，所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，加样层的中空字母或符号的图案对应的区域部分落在凹槽填充的亲水材料范围内，且检测层底部黏有底层；加样层的中空字母或符号的图案的中心与检测层的凹槽的中心在竖直方向上重合。

进一步地优选的，所述底层的材料选自具有粘性的透明或白色材料，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。

更进一步地，所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，检测层的材料选自包括PCL、PET、ABS、PC、PP、PVC、PLA、有机硅树脂、二氧化硅和经处理成为疏水性或阻水性的材料中的一种。

制备所述的一种结果可视化的纸基微流控芯片的方法，检测层为整块的亲水性材料结构时，包括如下步骤：

（1）在整块亲水性的检测层材料的中间位置，使用加样层材料制作中空的字母或符号图案，在检测层材料上形成图案化的亲水性检测区域；

（2）对步骤（1）形成的检测区域进行预处理，得到结果可视化的纸基微流控芯片。

进一步地，步骤（1）中，加样层材料制作中空的字母或符号图案的方式包括光刻、印刷、印章、浸泡、UV固化、喷涂、手绘和刻蚀中的一种以上。

进一步地，步骤（2）中，所述预处理为在图案化的亲水性检测区域添加检测试剂完全润湿并进行干燥。

制备所述的一种结果可视化的纸基微流控芯片的方法，检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，包括如下步骤：

（1）在疏水或阻水性的检测层材料的中间位置制作凹槽，并将预处理后的亲水性材料填充在凹槽内，制备亲水性的检测区域；

（2）在加样层材料中间位置制作中空的字母或符号的图案，再将加样层按图案的中心与检测层的凹槽对齐的方式黏合，最后在检测层底部黏合底层，得到结果可视化的纸基微流控芯片。

进一步地，步骤（1）中，所述预处理为在亲水性材料上添加检测试剂完全润湿并进行干燥。

进一步地，步骤（2）中，在加样层材料中间位置制作中空的字母或符号的图案的方式包括使用打孔器和冲子进行打孔、裁剪、雕刻、腐蚀、模切、压样或3D打印。

本发明的结果可视化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。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明方法制作过程简单，尤其是检测层为具有凹槽的疏水或阻水性材料的制备过程可直接使用疏水或阻水性材料，无需过多的处理，无需使用包括光刻胶的任何化学试剂；

（2）本发明方法制备过程中，加样区域可通过包括使用打孔器和冲子进行打孔，以及裁剪、雕刻、腐蚀、模切、压样或3D打印的方法制作，尺寸便于精确地控制；

（3）本发明的纸基微流控芯片进行检测时，待测样品直接与经过预处理的图案化亲水区域接触反应，使得最终的检测结果以字母或符号的形式显示，无需借助额外的仪器即可实现检测结果的可视化，提高了结果解释的简易性。

附图说明

图1为实施例1制备的结果可视化的纸基微流控芯片的结构示意图；

图2为实施例3制备的结果可视化的纸基微流控芯片的结构示意图；

图3为实施例5制备的结果可视化的纸基微流控芯片经图案加样区域添加了去离子水以及不同浓度葡萄糖溶液且完全干燥后的扫描图；

图4为25mmol/L浓度ABTS溶液检测剂下显色强度随葡萄糖浓度的变化曲线图。

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说明，但本发明不限于此。

实施例1

使用刻刀在滤纸上进行雕刻，使得镂空的部分为字母“T”，将雕刻好的滤纸完全浸入融化的蜡中，然后取出，常温下凝固；再将另一张不作任何处理的滤纸与之重合，并用夹子固定边缘，使得两张滤纸紧密贴合，然后放在托盘中，置入105℃烘箱内放置5min，取出，将两张滤纸分开，则不作雕刻的滤纸上呈现出字母“T”的亲水性区域，其他区域为疏水性区域。

制备的结果可视化的纸基微流控芯片的结构示意图如图1所示，包括字母“T”的亲水性检测区域8，以及具有疏水或阻水性的加样层区域7。

实施例2

配制烷基烯酮二聚物溶液，并将溶液加入钢笔中，使用钢笔在一号色谱纸上绘制疏水性区域，使得留出的干燥区域呈现为字母“T”型，绘制完成后，将一号色谱纸烘干，即可制得检测结果为字母“T”的结果可视化的纸基微流控芯片。

制备的结果可视化的纸基微流控芯片的结构示意图参见图1。

实施例3

在软件中制作字母“T”的图案，并用裁切机在PP塑料片刻制一系列的字母“T”图案，各字母之间相隔2.5cm的距离，用剪刀将PP塑料片裁成条状，粘上双面胶，制作成加样层疏水材料；

然后将未经过裁切的PP塑料片也裁成等宽的塑料条，同样粘上双面胶，制成底层疏水材料；

用压花器在其他的未经过裁切的PP塑料片上压样制作填充凹槽，然后将添加检测试剂润湿、干燥预处理过的滤纸片用同一个压花器压样、裁剪，并将裁好的滤纸片放在PP塑料片凹槽里，最后上表面粘在加样层疏水材料底部，下表面粘结在底层疏水材料的上表面。

制备的结果可视化的纸基微流控芯片的结构示意图如图2所示，由上至下，依次包括PP塑料片加样层5、PP塑料片检测层2以及PP塑料片底层1，检测层2的中间位置具有凹槽3，且凹槽3内填充有滤纸片4，而PP塑料片加样层5的中间位置具有中心与滤纸片4的中心重合的“T”型加样区域6。

实施例4

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；

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

称取0.018g的D-葡萄糖，溶于10ml的去离子水，配制10mmol/L的葡萄糖溶液，并用去离子水稀释至5 mmol/L、2.5 mmol/L、1.5 mmol/L、1 mmol/L、0.5 mmol/L。

实施例5

疏水或阻水结构的制作：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；

将冷裱膜裁成两张长16cm宽5cm的长方形，在软件中设计“T”字母图案，使用裁切机在其中一张冷裱膜上进行裁切，刻成三列间距为2.5cm的等距的“T”字母图案，另外一张不做处理，分别得到设计有图案“T”的加样层及未处理的底层，备用。

亲水区域的制作：用直径为8mm的打孔器对吸水纸进行打孔，搜集打下的圆形吸水纸片，作为检测层的亲水性材料；

亲水纸的处理：用移液枪在裁好的直径为8 mm的圆形吸水纸片上滴加25 µL的ABTS溶液，在37 ℃鼓风干燥箱中风干；再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。

疏水材料与亲水材料的组合：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塑料块依次粘在刻有字母图案“T”的冷裱膜（加样层）上，凹槽圆心与字母中心对齐，制成检测芯片不密封装置。

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塑料块依次粘在刻有字母图案“T”的冷裱膜（加样层）上，凹槽圆心与字母中心对齐，然后再用一张完整的冷裱膜（底层）使用塑封机进行塑封，制成结果可视化的纸基微流控芯片。

实施例6

不同浓度葡萄糖溶液的检测：用移液枪在不密封装置的检测芯片上以及实施例5制备的完整芯片的加样区分别滴加25 µL去离子水以及不同浓度的葡萄糖溶液，使之与检测纸片上的检测剂完全反应，然后将装置都放在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进行整理得到在一定浓度检测剂下显色强度随葡萄糖浓度的变化曲线。

实施例5制备的完整芯片经图案加样区域添加了去离子水以及不同浓度葡萄糖溶液且完全干燥后的结果可视化纸基微流控芯片的扫描图如图3所示，由图3可知，完全干燥后的结果可视化纸基微流控芯片可以将反应生成的产物限制在中间层疏水性或阻水性材料凹槽中的亲水性填充材料内部，并通过图案加样区域对溶剂进行限域挥发，由于挥发引起纸基阵列内微流的定向流动，使得检测产物在图案加样区域浓集，使字母图案“T”很明显的显示出来，形成检测结果的直观可视化。

25mmol/L浓度ABTS溶液检测剂下显色强度随葡萄糖浓度的变化曲线图如图4所示，其中，实线为使用实施例5制备的完整芯片的结果可视化纸基微流控芯片实际实验所测得的葡萄糖浓度与显色灰度强度之间的线性关系，虚线为拟合所得的葡萄糖浓度与显色灰度强度之间的线性关系；由图4显示，葡萄糖浓度与显色灰度强度之间的线性关系得到标准曲线方程为y = -0.9525x² + 14.607x + 161.3，决定系数R² = 0.9578，满足检测的需要。

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

1.一种结果可视化的纸基微流控芯片，其特征在于，由上至下，依次包括加样层以及检测层；

所述检测层在与加样层的中空字母或符号的图案对应的区域部分具有亲水性，作为检测过程中的检测区域；

所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构；所述亲水性材料包括滤纸、化妆棉、纱布、纤维素粉末及纤维素衍生物、水凝胶及其他亲水有机材料、玻璃纤维或玻璃微珠；

所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，制备方法包括如下步骤：

（a）在疏水或阻水性的检测层材料的中间位置制作凹槽，并将预处理后的亲水性材料填充在凹槽内，制备亲水性的检测区域；

（b）在加样层材料中间位置制作中空的字母或符号的图案，再将加样层按图案的中心与检测层的凹槽中心对齐的方式黏合，最后在检测层底部黏合底层，得到结果可视化的纸基微流控芯片；

所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，加样层的中空字母或符号的图案对应的区域部分落在凹槽填充的亲水材料范围内，且检测层底部黏有底层；

所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，加样层的材料选自具有粘性的透明或白色材料，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。

2.根据权利要求1所述的一种结果可视化的纸基微流控芯片，其特征在于，所述底层的材料选自具有粘性的透明或白色材料，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所述的一种结果可视化的纸基微流控芯片，其特征在于，所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，检测层的材料选自包括PCL、PET、ABS、PC、PP、PVC、PLA、有机硅树脂、二氧化硅和经处理成为疏水性或阻水性的材料中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种结果可视化的纸基微流控芯片，其特征在于，所述检测层为中间位置具有凹槽、且凹槽内填充有亲水性材料的疏水或阻水性材料结构时，步骤（a）中，所述预处理为在亲水性材料上添加检测试剂完全润湿并进行干燥；步骤（b）中，在加样层材料中间位置制作中空的字母或符号的图案的方式包括使用打孔器和冲子进行打孔、裁剪、雕刻、腐蚀、模切、压样或3D打印。