CN108940389A - 基于激光打印的纸基微流控芯片及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光打印的纸基微流控芯片，所述纸基微流控芯片包括疏水区和亲水区，所述疏水区是墨粉覆盖区域热固化处理之后获得的黑色区域，所述亲水区为以样品滴加区为中心的空白的四通道芯片区域，所述四通道芯片区域的每一个通道上均设有预处理区和检测区。本发明还公开了该芯片的制备方法和应用。本发明结合比色分析法，实现快速半定量和定量检测。与传统的制备方法相比，本发明所述的纸基微流控芯片的制备方法，不需要大型的仪器设备、特制的昂贵的试剂、金属掩膜，该方法方便快速、成本低廉、简单便携、样品消耗少、生物可降解、易实现规模化生产，适合于欠发达和资源匮乏的地区使用。

Description

基于激光打印的纸基微流控芯片及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及纸基微流控芯片领域，具体涉及一种方便快捷的基于激光打印的纸基微流控芯片及其制备方法和应用，使用该方法成制备了四通道芯片，并应用于低成本快速检测芯片的制作。

背景技术

微流控纸芯片(microfluidic paper-based analytical devices，μPADs)，是哈佛大学的Whitesides实验小组于2007年首次提出的一个新概念，它是以纸张代替传统的硅或者石英材料作为芯片的主要组成部分，应用光刻胶、蜡染、打印等技术手段制造而成，已经成功用于比色方法、电化学方法、以及荧光分析方法等领域。基于纸的微芯片相对于其他材料有几点好处：1、纸张非常轻薄，便于运输存放；2、纸的来源丰富，造价低廉；3、纸的主要组成成分纤维素使得液体在纸上通过毛细作用流动，无需外置流体驱动装置；4、白色的背景使得检测背景低，有利于比色法检测；5、纸表面的纤维素对于DNA、蛋白质和酶等生物样品具有良好的生物相容性；6、芯片易降解，用完后处理非常简单，无污染。μPADs因其分析速度快、成本低、生物试样消耗少等独特优势，已在医学、化学、材料科学及生命科学等领域得到迅猛发展。

概括地讲，制备微流控纸芯片，实质上就是在滤纸的特定区域建立“疏水墙”(或疏水坝)和“亲水通道”，进而构造出具有一定亲疏水通道网络结构的微流控纸芯片。自此，涌现出了大量的制备μPADs的方法，其中包括紫外光刻法、等离子体处理法、喷蜡打印法、融蜡压印法、剪纸法、激光切割法、喷墨打印法、丝网印刷法等等。紫外光刻法和等离子体处理法都要用到特制的掩模板，相应地增加了制备成本；喷墨打印法整个制造过程需要重复打印蚀刻多次，难以实现大规模生产；绘图法(PDMS)成本低，有较好的柔韧性，但是图案分辨率较低；喷蜡打印法操作极其简单，但是由于滤纸的各向异性，打印在滤纸上的蜡粉受热融化后，沿不同方向的渗透速率不同，因此在形成“疏水坝”的同时降低了亲水通道的分辨率。因此，我们需要开发一种方便快捷的μPADs的制备方法。

到目前为止，基于μPADs主要有五种检测方法：比色检测、电化学检测、化学发光检测、电化学发光检测以及免疫检测。这些检测方法已发展的相对成熟，且成本低、体积小，适合用于纸芯片的检测，其中比色检测应用最为广泛。

目前的各种方法大多数需要昂贵的仪器(比如等离子体处理仪、激光切割机、蜡打印机，制作成本低，工艺复杂，需要专业人员操作)，需要特制的掩膜(比如紫外光刻法和等离子处理)，丝网印刷需要特制的丝网板，喷墨打印是将烷基烯酮二聚体(AKD)溶液加入改装之后的硒鼓，然后在打印在滤纸上，该方可以实现批量生产，但是硒鼓是经过改装的，操作关于复杂；可灌注书写笔需要人工将疏水材料溶液灌注书写笔，图案也是手工绘制，工艺复杂，制得的芯片分辨率较低，不能实现规模化生产；喷蜡打印法操作极其简单，但是由于滤纸的各向异性，打印在滤纸上的蜡粉受热融化后，沿不同方向的渗透速率不同，因此在形成“疏水坝”的同时降低了亲水通道的分辨率。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的第一个技术问题是提供了一种基于激光打印的纸基微流控芯片。

本发明要解决的第二个技术问题是提供了成本低廉、简单便携的基于激光打印的纸基微流控芯片的制备方法。本发明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、特制的掩膜丝网板、改装仪器设备(如喷墨打印)，这种方法方便快速、成本低廉、简单便携、样品消耗少、生物可降解、具有良好的柔韧性、易实现规模化生产。

本发明要解决的第三个技术问题是提供所述的基于激光打印的纸基微流控芯片在重金属离子检测中的应用。该芯片结合比色检测，可以实现快速半定量和定量检测。

技术方案：为了解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于激光打印的纸基微流控芯片，所述纸基微流控芯片包括疏水区和亲水区，所述疏水区是墨粉覆盖区域热固化处理之后获得的黑色区域，所述亲水区为以样品滴加区为中心的空白的四通道芯片区域，所述四通道芯片区域的每一个通道上均设有预处理区和检测区。

其中，所述样品滴加区是直径为6～10mm的圆形区域，所述每一个通道宽度为1.5～2.5mm，通道长度为10～20mm，所述通道上设置的预处理区为椭圆状区域，在通道离样品滴加区的最远端设置圆形检测区域。

作为优选，所述样品滴加区直径为10mm的圆形区域，预处理区为3×4mm椭圆状，圆形检测区域直径为4mm，通道宽度为2.5mm，通道长度为15mm。

其中，所述芯片使用的基底材料为滤纸。

其中，上述的基于激光打印的纸基微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)芯片设计：使用绘图软件绘制如权利要求1所述的芯片图案，黑色为疏水区，空白为亲水区；

2)芯片打印：利用打印机将步骤1)设计好的芯片图案打印在空白滤纸上得到芯片；

3)芯片处理：将步骤2)制备得到的芯片置于烘箱中，在温度150℃～190℃的范围内，热固化处理30min-150min；热固化处理之后，黑色的墨粉渗透到滤纸内部形成疏水区，空白滤纸区域为亲水区；

4)将步骤3)热固化处理好的芯片背面贴上透明胶带；

5)用裁纸刀将步骤4)制备好的芯片裁剪下来即得。

其中，步骤1)中的绘图软件是Auto CAD，可以设计一个或多个芯片图案；当设计一个芯片图案，按照上述操作即可，根据滤纸的尺寸也可以设计多个芯片图案单元，用裁纸刀切割一个个小单元，以备后续实验使用。例如，一张A4纸大小的滤纸可以设计几十个如图2所示的芯片单元。

其中，上述打印机为惠普激光打印机。

本发明内容还包括上述的基于激光打印的纸基微流控芯片在重金属离子检测中的应用。

本发明还包括对热固化处理前和热固化处理后的芯片做接触角实验对制得的微流控芯片的亲疏水性能就行表征。

对热固化处理前和热固化处理之后的芯片做接触角实验，由图3可以明显看出，热固化处理前，接触角几乎为0°，和空白滤纸一样，为亲水的；热固化处理之后，打印有墨粉的正反面接触角可以达到110°～140°，热固化处理印有墨粉的滤纸具有非常好的疏水性。

其中，上述的应用为该芯片用于四种重金属离子同时检测中的应用。在该芯片中，待检测样品在毛细驱动下，从样品滴加区流经预处理区发生前处理反应，到达检测区域发生显色反应。

本发明基于该芯片的应用中采用比色检测方法可以同时检测重金属离子Fe³⁺、Ni^{2 +}、Cu²⁺和Cr⁶⁺。

有益效果：相比于现有技术，本发明具备以下优点：本发明采用的是未经改装的普通办公用惠普激光打印机(仅$200)在滤纸上打印绘制纸基微流控芯片，极大地降低了成本，制备工艺简单，方便快携、有良好的柔韧性，生物可降解，可以批量生产。此方法结合比色检测实现快速定量检测的目的，在临床诊断、食品安全、环境检测及生化领域有很好的应用前景。

附图说明

图1是基于激光打印的纸基微流控芯片的制备方法原理图；

图2是本发明纸基微流控芯片四通道构型图；

图3是微流控芯片的接触角示意图；

图4是微流控芯片的平面和截面SEM图；

图5是微流控芯片的TGA图；

图6是纸基微流控芯片的限宽和柔韧性示意图；

图7A、7B、7C、7D分别为本发明纸基微流控芯片用于重金属离子Fe³⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Cr⁶⁺比色检测的显色图和浓度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1基于激光打印的纸基微流控芯片的制备

(1)首先，使用绘图软件Auto CAD设计绘制实验所需的四通道芯片构型，样品滴加区直径为10mm的圆形，检测区直径为4mm圆形，通道宽度为2.5mm，通道长度为15mm，预处理区为3×4mm的椭圆，如图2所示，(当通道宽度小于1.5mm时液体流速非常慢影响检测效果，在1.5-2.5mm范围内，流速和芯片尺寸刚好合适，大于2.5mm时芯片会变大，不符合微流控芯片的概念)；一张A4纸大小的滤纸可以设计几十个如图2所示的芯片单元；

(2)其次，将Whatman 1#滤纸装入打印机，利用惠普激光打印机(该打印机不做任何处理，硒鼓为原打印机配备的，不添加任何东西。)将设计好的芯片图案打印在滤纸上，黑色区域为墨粉，空白区域为空白滤纸；

(3)将步骤(2)制作好的芯片放在烘箱中，在温度为150-190℃的条件下，热固化处理30～150min。热固化处理之后，黑色的墨粉渗透到滤纸内部形成疏水区，空白滤纸为亲水区；(从图5可以得出，在0-300℃范围内，墨粉的热稳定性非常好，而且墨粉在110℃开始软化，因为随着温度的升高，墨粉中高分子聚合物的流动性会增强，形成疏水结构的时间也会缩短，当温度升高到150-190℃之后，滤纸会变黄，会影响比色检测的实验效果，所以选择150-190℃为热固化温度；观察在该热固化温度条件下，当热固化时间小于30min时，指示剂(0.1M铁氰化钾)会渗透到疏水区，热固化处理之后，指示剂会很好的停留在亲水区域内，不会渗透到疏水区内)。

(4)在该热固化条件下，所制备的微流控芯片的限宽可以达到600μm，如图6A所示；

(5)由本发明制备的纸基微流控芯片具有良好的柔韧性，在外力折叠之后还能保持良好的疏水性，如图6B所示；

(6)将步骤(3)制备好的芯片，在制作好的芯片背面贴上透明胶带(主要是为支撑芯片结构和防止在反应时溶液渗透)；

(7)最后，用裁纸刀将步骤(4)制备好的芯片，切割小芯片单元，以备后续实验使用。

实施例2基于激光打印的纸基微流控芯片的制备

与实施例1基本一致，所不同的在于，样品滴加区直径为6mm的圆形，检测区直径为4mm圆形，通道宽度为1.5mm，通道长度为10mm。

实施例3基于激光打印的纸基微流控芯片的制备

与实施例1基本一致，所不同的在于，样品滴加区直径为9mm的圆形，检测区直径为4mm圆形，通道宽度为2mm，通道长度为20mm。

对比例1

与实施例2基本一致，所不同的在于，样品滴加区直径为5mm的圆形，检测区直径为1.5mm圆形，通道宽度为1mm，通道长度为8mm。

结果表明，液体在通道内的流动速度缓慢，从样品区流经预处理区再到检测区耗时长，达不到快速检测的效果。

对比例2

与实施例3基本一致，所不同的在于，样品滴加区直径为12mm的圆形，检测区直径为6mm圆形，通道宽度为3mm，通道长度为30mm。结果表明，所制备的芯片尺寸偏大，达不到微流控芯片的微型化效果，浸润通道所需的液体量会加大，达不到样品消耗少的效果。

实施例4基于激光打印的纸基微流控芯片的亲疏水性能表征

(1)应用实施例1制备的芯片，对空白滤纸和热固化处理之后芯片的正面和背面进行表面接触角试验，空白滤纸的接触角为0°，为亲水的，正面接触角为120-140°，反面接触角为110-120°，为疏水的，如图3所示；

(2)如图4所示，由实施例1制作的纸基微流控芯片的平面SEM图可得，在热固化前，墨粉在滤纸上是于墨粉点的形式存在，热固化处理之后，墨粉完全融化形成一个平面铺在滤纸表面；从本发明制作的纸基微流控芯片的截面SEM图可得，在热固化之前，墨粉仅仅是附着在滤纸的表面，热固化处理之后，有一小部分的墨粉渗透到滤纸内部，而不是完全渗透到滤纸内部；所以，由SEM图，不能从微观角度确定本发明的纸基微流控芯片的疏水机理；

(3)为了探究疏水机理，我们进一步做TGA实验，按照本发明的方法，将墨粉打印在滤纸上，并经过热固化处理，将处理之后的芯片去除表面的黑色墨粉；

(4)取一定量的去墨粉滤纸(去墨粉滤纸)和空白滤纸，在N₂环境下，进行TGA实验；

(5)如图5所示，从TGA曲线可得，在0-350℃之间，去墨粉滤纸和空白滤纸的热损失基本一致，在350℃之后，热重开始骤降，空白滤纸的热损失大于去墨粉滤纸的热损失，由此可得，在去墨粉滤纸中确实有多于空白滤纸的成分存在，而该多余的成分只能是墨粉中的高分子聚合物；

(6)因此，在热固化处理之后，墨粉中的透明的高分子聚合物会渗透到滤纸底部，形成疏水结构。

(7)如图6A所示，本发明所制备的芯片的线宽，从左到右依次为400μm，600μm，800μm，1000μm，1500μm，线宽最小可以达到600μm。由图6B可得，制得的芯片经过折叠揉搓，不会影响芯片的亲疏水性。

实施例5将实施例1制得的基于激光打印的纸基微流控芯片用于重金属离子的比色检测

(1)用裁纸刀切割实施例1中制备的基于激光打印的纸基微流控芯片，取其中一个单元芯片，四个通道分别用于四种重金属离子Fe³⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Cr⁶⁺的显色反应；

(2)芯片显色反应显色剂的修饰

A、Fe³⁺显色反应的对应通道的修饰

首先，在四通道的第一个通道的预处理区滴加0.5～1μL的0.1g/mL的盐酸羟胺溶液，自然风干5分钟；在四通道的第一个通道的检测区滴加0.5-1μL的0.7g/mL的聚丙烯酸溶液，自然风干5分钟；在四通道的第一个通道的检测区滴加0.5-1μL的8mg/mL的1,10-邻菲罗啉溶液，自然风干5分钟。

B、Ni²⁺显色反应的对应通道的修饰

首先，在四通道的第二个通道的预处理区滴加0.5-1μL的0.5M的NaF溶液，自然风干5分钟；在四通道的第二个通道的检测区滴加0.5-1μL的60mM的丁二酮(DMG)溶液，自然风干5分钟；在四通道的第二个通道的检测区滴加0.5-1μL的(pH＝9.5)的氨水，自然风干5分钟。

C、Cu²⁺的显色反应

首先，在四通道的第三个通道的预处理区滴加0.5-1μL的0.1g/mL的盐酸羟胺溶液，自然风干5分钟；在四通道的第三个通道的检测区滴加0.5-1μL的0.1M(pH＝4.6)的柠檬酸缓冲溶液，自然风干5分钟；在四通道的第三个通道的检测区域滴加0.5-1μL的50mg/mL的浴铜灵(BCP)和40mg/mL的聚乙二醇400(PEG-400)溶液，自然风干5分钟。

D、Cr⁶⁺的显色反应

首先，在四通道的第四个通道的预处理区滴加0.5-1μL的0.35M的硝酸铈铵溶液，自然风干5分钟；在四通道的第四个通道的检测区滴加0.5-1μL的1％的H₂SO⁴溶液，自然风干5分钟；在四通道的第四个通道的检测区滴加0.5-1μL的15mg/mL的1,5-二苯基卡巴阱(1,5-DPC)和40mg/mL的邻苯二甲酸酐溶液，自然风干5分钟，最后，在反应区域滴加0.5-1μL的5％的邻苯二甲酸-乙二醇丙烯酸酯(PDDA)溶液，自然风干5分钟。

(3)将浓度分别为0、1、5、10、20、40、60、80、100ppm的Fe³⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Cr⁶⁺混合溶液滴加在样品滴加区。在毛细驱动下，从样品滴加区流经预处理区发生预处理反应，到达检测区域发生显色反应。

其中，盐酸羟胺与Fe³⁺反应生成Fe²⁺，1,10-邻菲罗啉与Fe²⁺发生络合反应，生成橘红色络合物。其中，Ni²⁺与丁二酮肟发生络合反应，生成亮粉色络合物。其中，盐酸羟胺与Cu^{2 +}反应生成Cu¹⁺，浴铜灵与Cu¹⁺发生络合反应，生成橘黄色络合物。其中，1,5-二苯基卡巴阱与Cr⁶⁺发生络合反应，生成紫色络合物。

(3)用手机对芯片检测区域拍照，并将照片用ImageJ处理，得到颜色强度值，以强度值为纵坐标，浓度的对数为横坐标做标准曲线，得到图7A、7B、7C、7D。结果表明，随着浓度的增加检测区颜色逐渐加深，根据显色强度和浓度作图可知，在10-100mg/L范围内，四种重金属离子的浓度和显色强度呈现良好的线性关系。

上述实施例是为了说明本发明所作的举例，而不是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这些引伸出的变化或变动也处于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光打印的纸基微流控芯片，其特征在于，所述纸基微流控芯片包括疏水区和亲水区，所述疏水区是墨粉覆盖区域热固化处理之后获得的黑色区域，所述亲水区为以样品滴加区为中心的空白的四通道芯片区域，所述四通道芯片区域的每一个通道上均设有预处理区和检测区。

2.根据权利要求1所述的基于激光打印的纸基微流控芯片，其特征在于，所述样品滴加区是直径为6~10 mm的圆形区域。

3.根据权利要求1所述的基于激光打印的纸基微流控芯片，其特征在于，所述每一个通道宽度为1.5~2.5mm，通道长度为10~20mm，所述每一个通道上设置的预处理区为椭圆状区域，在通道离样品滴加区的最远端设置圆形检测区域。

4.根据权利要求1所述的基于激光打印的纸基微流控芯片，其特征在于，所述纸基微流控芯片使用的基底材料为滤纸。

5.权利要求1~4任一项所述的基于激光打印的纸基微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）芯片设计：使用绘图软件绘制如权利要求1所述的芯片图案，黑色为疏水区，空白为亲水区；

2）芯片打印：利用打印机将步骤1）设计好的芯片图案打印在空白滤纸上得到芯片；

3）芯片处理：将步骤2）制备得到的芯片置于烘箱中，在温度150℃~190℃的范围内，热固化处理30min-150min；热固化处理之后，黑色的墨粉渗透到滤纸内部形成疏水区，空白滤纸区域为亲水区；

4）将步骤3）热固化处理好的芯片背面贴上透明胶带；

5）用裁纸刀将步骤4）制备好的芯片裁剪下来即得。

6.根据权利要求5所述的基于激光打印的纸基微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述绘图软件是Auto CAD。

7.根据权利要求5所述的基于激光打印的纸基微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述打印机为HP激光打印机。

8.权利要求1~4任一项所述的基于激光打印的纸基微流控芯片在重金属离子检测中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述的应用为该芯片用于四种重金属离子同时检测中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述四种重金属为Fe³⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Cr⁶⁺。