CN109046480B - 流体运输可控的微流控纸芯片及其制备方法和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流体运输可控的微流控纸芯片及其制备方法和使用方法，该微流控纸芯片包括样品区(未改性滤纸区)、阻隔区(含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子改性滤纸区)及控制区(含N,N‑二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子改性滤纸区)。本发明以滤纸为基体，通过浸渍、紫外光固化及溶剂清洗的方法依次将疏水高分子和亲水高分子以化学共价键的形式分别固定在滤纸上的流道外和流道内，在滤纸上依次构建阻隔区、控制区和样品区。本发明制备方法简单，制得的微流控纸芯片结构稳定，可通过紫外光照或pH值的调控来灵活控制微流控纸芯片内流体的运输速度，使用方法简便，可应用于具有时间效应或多步反应的医疗检测。

Description

流体运输可控的微流控纸芯片及其制备方法和使用方法
技术领域
本发明涉及用于医疗检测的微流控芯片领域，具体涉及一种流体运输可控的微流控纸芯片及其制备方法和使用方法。
背景技术
微流控芯片是利用微细加工技术将微泵、微阀、微管道、微储液器、微检测元件、微电极、窗口和连接器等功能性元器件组合在芯片材料上的微全分析系统，具有耗材少、自动化程度高、集成度高及检测速度快等优点。微流控纸芯片，自2007年由美国哈佛大学Whitesides教授提出，已成为微流控芯片中最新发展方向。与传统的以硅、玻璃及塑料为基体材料的微流控芯片相比，微流控纸芯片具有以下主要优点：(1)价格低廉，易于商业推广；(2)流体运输可通过纤维素的毛细吸力，无需额外的动力装置，节约能源，并可实现所制装置的微型化；(3)制备方法灵活多样；(4)比表面积大，易于目标分子的固定；(5)质轻，可制作便携式装置；(6)后处理简单，可通过焚烧、微生物降解等环境友好方式进行处理。鉴于以上优点，微流控纸芯片在食品检测、环境监测及医学诊断等领域具有良好的应用前景。在医疗诊断中，对于疾病的早期检测尤为重要。通过微流控纸芯片，可快速得到检测结果，尤其适用于资源匮乏地区，如发展中国家、偏远地区、军事基地及紧急事发地等。因此，发展用于医疗诊断的微流控纸芯片具有重大的现实意义。
为了更好地掌控具有时间效应或多步反应的医疗检测反应，如动力学反应、DNA放大反应和酶联免疫吸附反应等，同时扩大这类分析检测装置的应用范围，微流控纸芯片中流体的运输需得以控制。为此，研究者们已采取以下措施：(1)调节纸的性质，如纸的原料来源及纸的克重；(2)设计不同几何形状的微流控纸芯片通道；(3)在通道中固定不同的化学物质作为阻隔物；(4)控制环境中的湿度；(5)对流道进行密封；(6)使用机械方式。然而这些方法难以实现对流体的灵活控制，而且可能需要大量的反应物或额外的加工程序。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种流体运输可控的微流控纸芯片及其制备方法和使用方法，本发明的制备方法简单，制得的微流控纸芯片结构稳定，可通过紫外光照或pH值的调控来灵活控制微流控纸芯片内流体的运输速度，使用方法简便。
本发明的目的是提供一种流体运输可控的微流控纸芯片；
本发明的另一目的是提供上述微流控纸芯片的制备方法；
本发明的再一目的是提供上述微流控纸芯片的使用方法。
本发明的目的，通过以下技术方案予以实现：
一种流体运输可控的微流控纸芯片，包括样品区、阻隔区和控制区；所述样品区为未改性滤纸区，所述阻隔区为含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子改性滤纸区，所述控制区为含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子改性滤纸区。
上述微流控纸芯片的制备方法，通过自由基聚合方法分别合成含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子和含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子；以滤纸为基体，通过浸渍、紫外光固化及溶剂清洗的方法依次将所述疏水高分子和亲水高分子以化学共价键的形式分别固定在滤纸上的流道外和流道内，从而在滤纸上依次构建阻隔区、控制区和样品区。
上述制备方法，包括以下步骤：
S1.通过自由基聚合方法分别合成含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子和含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子；
S2.将步骤S1合成的含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子配制成浓度为10～100mg/mL的四氢呋喃溶液，将滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，进行紫外光固化，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖部分滤纸，然后将未光照部分的疏水高分子洗净，从而在滤纸上构建阻隔区及亲水通道；所述紫外光固化的条件为：紫外光波长为254nm或365nm，所需能量为0.1～20J/cm2；此步骤将含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子通过二苯甲酮基团与滤纸上纤维素结构以及自身高分子结构中的-CH基团发生光化夺氢反应形成C-C键，从而实现所述疏水高分子以化学共价键的形式固定在滤纸上；
S3.将步骤S1合成的含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子配制成浓度为10～50mg/mL的四氢呋喃溶液或丙酮溶液或氯仿溶液或正丁醇溶液或N,N-二甲基甲酰胺溶液，再将步骤S2制得的带有阻隔区及亲水通道的滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，进行紫外光固化，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖亲水通道的一端及阻隔区，然后将未光照部分的亲水高分子洗净，从而在亲水通道中构建控制区和样品区，制得微流控纸芯片；所述紫外光固化的条件为：紫外光波长为254nm或365nm，所需能量为0.1～20J/cm2。此步骤将含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子通过二苯甲酮基团与滤纸上纤维素结构以及自身高分子结构中的-CH基团发生光化夺氢反应形成C-C键，从而实现所述亲水高分子以化学共价键的形式固定在滤纸上。
上述微流控纸芯片的使用方法，先将微流控纸芯片进行紫外光照，紫外光照强度为10～2000mJ/cm2，然后将中性流体滴加到微流控纸芯片的样品区内。
上述微流控纸芯片的使用方法，先将微流控纸芯片进行紫外光照，紫外光照强度为10～2000mJ/cm2，将带负电荷的流体进行酸处理使流体的pH＜3，然后将流体滴加到微流控纸芯片的样品区内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的制备方法简单；
(2)本发明的制备方法，将含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子和含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子均通过二苯甲酮基团与滤纸上纤维素结构以及自身高分子结构中的-CH基团发生光化夺氢反应形成C-C键，从而实现高分子以化学共价键的形式固定在滤纸上，并形成高分子网络结构，制得的微流控纸芯片结构稳定。
(3)本发明的微流控纸芯片通过紫外光照或pH值的调控即可灵活控制微流控纸芯片中流体的运输速度，微流控纸芯片经紫外光照射后，可以加快中性流体在控制区内的运输速度，可以减缓带负电荷的酸性流体在控制区内的运输速度，使用方法简便，可应用于具有时间效应或多步反应的医疗检测。
附图说明
图1是本发明流体运输可控的微流控纸芯片的结构示意图；
图2是本发明流体运输可控的微流控纸芯片的制备步骤图；
图3是本发明流体运输可控的微流控纸芯片的流体使用试验效果图；
图4是本发明流体运输可控的微流控纸芯片的流体使用试验另一效果图；
其中，1、样品区，2、阻隔区，3、控制区，4、亲水通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明的精神和实质情况下，对本发明方法、步骤或条件所做的简单修改或替换，均属于本发明的范围。若无特殊说明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
如图1所示，本发明的一种流体运输可控的微流控纸芯片，包括样品区1，阻隔区2和控制区3。所述样品区1为未改性滤纸区，所述阻隔区2为含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子改性滤纸区，所述控制区3为含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子改性滤纸区。
实施例1：流体运输可控的微流控纸芯片的制备
如图2所示，上述微流控纸芯片的制备方法，具体步骤如下：
S1.通过自由基聚合方法分别合成含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子和含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子，具体步骤如下：
(1)通过自由基聚合方法合成含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子，具体步骤为：
①二苯甲酮单体的合成。将25.0g 4-羟基二苯甲酮、13.9g甲基丙烯酰氯和13.6g三乙胺溶于300mL二氯甲烷，室温下反应24h，过滤，有机相依次用200mL盐酸溶液(0.1M)、200mL蒸馏水、200mL饱和碳酸氢钠溶液及200mL蒸馏水清洗三次，最后有机相用无水硫酸钠干燥，溶液浓缩，加入甲醇，放入冰箱过夜，最终得23.9g结晶物，即为二苯甲酮单体，产率72％。
②含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子的合成。将5.1g苯乙烯、0.3g二苯甲酮单体和0.03g偶氮二异丁腈溶于10mL甲苯，在N2气氛下，60℃反应16h，高分子粗产物用甲醇沉淀纯化，干燥，最终得1.4g含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子，产率26％，数均分子量30000，含二苯甲酮结构单元约5.7mol％。所述含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子的结构式为：
Figure BDA0001759902750000041
(2)通过自由基聚合方法合成含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子，具体步骤如下：
①螺吡喃单体的合成。将25.2g 3-碘丙酸和20.0g 2,3,3-三甲基-3H-吲哚在100℃条件下反应3h，将粗产物溶于250mL蒸馏水，并用100mL氯仿萃取5次，水相浓缩干燥，最终得35.9g产物1，产率79％。将35.9g产物1、9.2g哌啶和16.7g 5-硝基水杨醛溶于500mL甲基乙基酮，回流4h，静置过夜，粗产物用甲醇清洗数次，干燥后得29.2g产物2，产率77％。将11.4g产物2、5.5g N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酸盐酸盐、6.9g 1-羟基苯并三唑一水物、9.1g三乙胺和7.2g1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐溶于200mL N,N-二甲基甲酰胺，室温下反应24h，溶液浓缩，重新溶于250mL氯仿，依次用250mL饱和碳酸氢钠溶液、350mL饱和氯化钠溶液及350mL蒸馏水清洗三次，有机相浓缩干燥，得14.7g产物3，即螺吡喃单体，产率97％。
②含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子的合成。将11.6g N,N-二甲基丙烯酰胺、0.3g二苯甲酮单体、3.2g螺吡喃单体和0.06g偶氮二异丁腈溶于50mL氯仿，在N2气氛下，70℃反应10h，高分子粗产物用乙醚沉淀纯化，干燥，最终得8.4g含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子，产率56％，数均分子量35000，含二苯甲酮结构单元约1.7mol％，含螺吡喃结构单元约4.7mol％。所述含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子的结构式为：
Figure BDA0001759902750000051
S2.将步骤S1合成的含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子配制成10mg/mL的四氢呋喃溶液，将滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，放入紫外固化箱中进行紫外光固化(紫外光波长为254nm，所需能量为0.1J/cm2)，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖滤纸的中间部分，然后通过索氏提取器将未光照部分的疏水高分子洗净，从而在滤纸上构建阻隔区2及亲水通道4。
S3.将步骤S1合成的含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子配制成10mg/mL的四氢呋喃溶液，再将步骤S2制得的带有阻隔区2及亲水通道4的滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，放入紫外固化箱中进行紫外光固化(紫外光波长为254nm，所需能量为0.1J/cm2)，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖亲水通道的一端及阻隔区，然后通过索氏提取器将未光照部分的亲水高分子洗净，从而在亲水通道中构建控制区3和样品区1，制得微流控纸芯片。
实施例2：流体运输可控的微流控纸芯片的制备
与实施例1不同的是步骤S2和步骤S3，具体如下：
S2.将步骤S1合成的含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子配制成50mg/mL的四氢呋喃溶液，将滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，放入紫外固化箱中进行紫外光固化(紫外光波长为365nm，所需能量为10J/cm2)，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖滤纸的中间部分，然后通过索氏提取器将未光照部分的疏水高分子洗净，从而在滤纸上构建阻隔区2及亲水通道4。
S3.将步骤S1合成的含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子配制成30mg/mL的丙酮溶液，再将步骤S2制得的带有阻隔区2及亲水通道4的滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，放入紫外固化箱中进行紫外光固化(紫外光波长为365nm，所需能量为10J/cm2)，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖亲水通道的一端及阻隔区，然后通过索氏提取器将未光照部分的亲水高分子洗净，从而在亲水通道中构建控制区3和样品区1，制得微流控纸芯片。
实施例3：流体运输可控的微流控纸芯片的制备
与实施例1和2不同的是步骤S2和步骤S3，具体如下：
S2.将步骤S1合成的含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子配制成100mg/mL的四氢呋喃溶液，将滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，放入紫外固化箱中进行紫外光固化(紫外光波长为365nm，所需能量为20J/cm2)，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖滤纸的中间部分，然后通过索氏提取器将未光照部分的疏水高分子洗净，从而在滤纸上构建阻隔区2及亲水通道4。
S3.将步骤S1合成的含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子配制成50mg/mL的氯仿溶液，再将步骤S2制得的带有阻隔区2及亲水通道4的滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，放入紫外固化箱中进行紫外光固化(紫外光波长为365nm，所需能量为20J/cm2)，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖亲水通道的一端及阻隔区，然后通过索氏提取器将未光照部分的亲水高分子洗净，从而在亲水通道中构建控制区3和样品区1，制得微流控纸芯片。
实施例4：本发明的微流控纸芯片的使用试验
(1)试验方法：
①取实施例1制得的微流控纸芯片2片，其中1片采用紫外光照(紫外光照强度为10～2000mJ/cm2)，将2片微流控纸芯片样品区外的部分用夹子固定在玻璃板内，分别取20μL中性流体(如中性溶液，例如蒸馏水、去离子水等)同时滴于2片微流控纸芯片的样品区内，流体运输情况通过摄像机记录，得到一定时间内流体运输图片。
②取实施例1制得的微流控纸芯片2片，2片均先采用紫外光照(紫外光照强度为10～2000mJ/cm2)，然后将微流控纸芯片样品区外的部分用夹子固定在玻璃板内，取20μL带负电荷的中性流体(如带负电荷的中性溶液，例如柠檬黄水溶液pH＝7)和20μL带负电荷的酸性(如带负电荷的酸性溶液，例如柠檬黄水溶液2<pH＜3)分别同时滴于2片微流控纸芯片的样品区内，流体运输情况通过摄像机记录，得到一定时间内流体运输图片。
(2)试验结果
①如图3所示，左边的微流控纸芯片没有经过紫外光照，右边的微流控纸芯片先经过紫外光照，滴加蒸馏水于样品区内经过一段时间后得到的图片。由此可见，经紫外光照射后，控制区内流体运输速度加快，这是因为微流控纸芯片中控制区内螺吡喃分子在紫外光照下转变为部花菁结构，亲水性增强，从而使流体运输速度加快。
②如图4所示，左边的微流控纸芯片样品区滴加的是柠檬黄水溶液(pH＝7)，右边的微流控纸芯片样品区滴加的是柠檬黄水溶液(pH＝2.5)，同时滴加经一段时间后得到的图片。由此可见，控制区可以减缓带负电荷的酸性流体的运输速度，这是因为酸处理后(pH＜3)，微流控纸芯片中控制区内已形成的部花菁分子转变为带正电荷的质子化部花菁结构，减缓带负电荷的流体运输速度。
由试验结果可得，通过紫外光照或pH值的调控，可实现微流控纸芯片中流体运输速度的控制。
本发明的技术原理：螺吡喃分子与光致色变后形成的分子具有完全不同的物化性质。它由吲哚啉环和苯并吡喃环通过中心螺碳原子相连，在紫外光的照射下，分子中螺环处的碳-氧键发生断裂，生成部花菁分子。紫外光引起的从螺吡喃到部花菁的转变，同时伴随着分子极性的变化。本发明将螺吡喃分子固定在滤纸表面，这种极性变化会引起滤纸表面自由能的变化，从而导致滤纸表面亲疏水性的变化。部花菁由于分子大π键的存在，极性较大，亲水性更强，流体(水)在其通道内运输较处于螺吡喃状态的通道更快。此外，已形成的部花菁分子含有酚氧基团，在酸性条件下(pH<3)会形成带正电荷的质子化部花菁，当通过带负电荷的流体时，由于静电吸附作用，会减缓流体的运输速度，从而实现了通过pH值的调控对流体运输速度进行控制。

Claims (3)

1.一种流体运输可控的微流控纸芯片，包括样品区、阻隔区和控制区，其特征在于，所述样品区为未改性滤纸区，所述阻隔区为含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子改性滤纸区，所述控制区为含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子改性滤纸区；所述流体运输可控的微流控纸芯片的制备方法是通过自由基聚合方法分别合成含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子和含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子；以滤纸为基体，通过浸渍、紫外光固化及溶剂清洗的方法依次将所述疏水高分子和亲水高分子以化学共价键的形式分别固定在滤纸上的流道外和流道内，从而在滤纸上依次构建阻隔区、控制区和样品区；
所述含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子的结构式为：
Figure FDA0003065533260000011
所述含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子的结构式为：
Figure FDA0003065533260000012
所述流体运输可控的微流控纸芯片的制备方法包括以下步骤：
S1.通过自由基聚合方法分别合成含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子和含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子；
S2.将步骤S1合成的含苯乙烯及二苯甲酮结构单元的疏水高分子配制成浓度为10～100mg/mL的四氢呋喃溶液，将滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，进行紫外光固化，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖部分滤纸，然后将未光照部分的疏水高分子洗净，从而在滤纸上构建阻隔区及亲水通道；所述紫外光固化的条件为：紫外光波长为254nm或365nm，所需能量为0.1～20J/cm2；
S3.将步骤S1合成的含N,N-二甲基丙烯酰胺、螺吡喃及二苯甲酮结构单元的亲水高分子配制成浓度为10～50mg/mL的四氢呋喃溶液或丙酮溶液或氯仿溶液或正丁醇溶液或N,N-二甲基甲酰胺溶液，再将步骤S2制得的带有阻隔区及亲水通道的滤纸浸渍到溶液中，取出干燥后，进行紫外光固化，并在紫外光固化过程中使用光遮板遮盖亲水通道的一端及阻隔区，然后将未光照部分的亲水高分子洗净，从而在亲水通道中构建控制区和样品区，制得微流控纸芯片；所述紫外光固化的条件为：紫外光波长为254nm或365nm，所需能量为0.1～20J/cm2。
2.权利要求1所述流体运输可控的微流控纸芯片的使用方法，其特征在于，先将微流控纸芯片进行紫外光照，紫外光照强度为10～2000mJ/cm2，然后将中性流体滴加到微流控纸芯片的样品区内。
3.权利要求1所述流体运输可控的微流控纸芯片的使用方法，其特征在于，先将微流控纸芯片进行紫外光照，紫外光照强度为10～2000mJ/cm2，将带负电荷的流体进行酸处理使流体的pH＜3，然后将流体滴加到微流控纸芯片的样品区内。
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