CN109092381A - 一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备纸芯片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备纸芯片的方法，属于微流控芯片领域。步骤包括：滤纸剪成所需尺寸，浸于含有光引发剂的水性聚氨酯丙烯酸酯溶液，浸透后移至真空干燥箱，60℃烘干0.5~2h；待水分完全挥发后，将带有图案的光胶‑胶片掩膜盖在滤纸上，同时在光胶‑胶片上面盖上玻璃片，使光胶‑胶片紧贴滤纸，置于紫外光刻机内固化；用去离子水将未固化的水性聚氨酯丙烯酸酯冲洗掉，吹干即得到具有亲水性网络通道的纸芯片。本发明所用的水性聚氨酯丙烯酸酯以水作为活性稀释剂，不含有机组分，未固化的水性聚氨酯丙烯酸酯可用去离子水轻松冲洗掉，制备过程也不使用有机溶剂，具有良好的环保性。

Description

一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备纸芯片的方法
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体来说是一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备纸芯片的方法。
背景技术
微流控芯片技术是指采用微细加工技术，在一块几平方厘米的芯片上制作出微通道网络结构和其他功能单元，并将进样、预处理、生物与化学反应、分离和检测等基本操作集成在芯片上进行的一门新技术。微流控纸芯片是微流控芯片技术中的最新发展领域，由Whitesides 研究组在2007 年首次提出，近年得到迅猛发展。纸芯片是以纸作为分析的基底材料代替传统的石英、玻璃、硅、高聚物等材料，具有成本低廉、生物相容性好、可降解、化学性能良好等优点。通过在纸芯片上构建微流通道，试样可以在设计的通道内通过毛细作用力流动，不需要借助外部动力，可自动驱动待测样品。纸芯片现已应用到诸多领域，尤其是在食品分析检测领域具有广阔的应用前景。
自Whitesides 研究组开启了纸芯片的领域，越来越多的制作纸芯片的材料和技术被开发出来。蜡印技术因其制备过程简单、适于大规模生产，是目前最常用的制备纸芯片的方法，但采用石蜡制备的纸芯片无法阻挡生物分析中常用的有机溶剂和表面活性剂溶液的渗透，芯片结构被破坏，因此在应用上受到一定的限制。SU-8光刻胶制作的纸芯片能在一定程度上阻挡有机溶剂的渗透，但是SU-8光刻胶具有较高的毒性且成本过高，加工条件要求苛刻，难以实现批量生产。Wang等人利用疏水性溶胶-凝胶衍生的甲基倍半硅氧烷制作了纸芯片，并成功地经受住了表面活性剂溶液或有机溶剂的渗透，但是制作过程比较繁琐。Nurak课题组利用丙烯酸漆通过喷涂法制作了纸芯片，制备过程比较简单，但是用这种材料制作的纸芯片柔韧性不佳、易折断，而且聚丙烯酸酯中含有机挥发组分(VOC)，具有一定的刺激性和毒性，对环境和人体健康造成危害。因此有必要寻求一种既能抵抗有机溶剂破坏，成本低廉又兼具环保性的纸芯片制备新方法。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备低成本、环境友好型纸芯片的方法。该方法价格低廉、环境友好。
本发明提供一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备低成本、环境友好型纸芯片的方法，步骤包括：
（1）滤纸剪成所需尺寸，浸于含有光引发剂的水性聚氨酯丙烯酸酯溶液，浸透后移至真空干燥箱， 60℃烘干0.5~2h；
（2）待水分完全挥发后，将带有图案的光胶-胶片掩膜盖在滤纸上，同时在光胶-胶片上面盖上玻璃片，使光胶-胶片紧贴滤纸，置于紫外光刻机内固化；
（3）用去离子水将未固化的水性聚氨酯丙烯酸酯冲洗掉，吹干即得到具有亲水性网络通道的纸芯片。
优选的，所述水性聚氨酯丙烯酸酯为水性脂肪族聚氨酯丙烯酸羟乙酯或水性脂肪族聚氨酯甲基丙烯酸羟乙酯。
优选的，所述光引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦。
优选的，所述聚水性氨酯丙烯酸酯与光引发剂的质量比为（15~45）:1。
优选的，所述紫外光刻机的曝光灯功率350w，曝光强度为20mw/cm2，曝光分辨率1μm，所述曝光的时间为20s～100s。
有益效果：
本发明采用水性聚氨酯丙烯酸酯作为疏水材料，作为一种综合性能优良的新型感光树脂，其不仅具有聚氨酯的柔韧性和耐磨性，而且还具有丙烯酸酯的耐化学性和透明性，使制得的纸芯片既能抵抗有机溶剂和表面活性剂溶液，而且具有较好的柔韧性和生物兼容性。本发明和喷蜡打印等方式相比较，该芯片能有效抵抗多种有机溶剂的影响，不会造成溶液在通道外的泄露，在生化分析领域有着广阔的应用前景。和SU8光刻胶与AKD胶比较，该方法的制备成本非常低廉。
本发明提供的纸芯片制备方法，加工过程简单，不需要超净的实验环境和昂贵的仪器设备；水性聚氨酯丙烯酸酯已实现大规模工业化生产，价格低廉，从而使得制作芯片的成本较低。
本发明所用的水性聚氨酯丙烯酸酯以水作为活性稀释剂，不含有机组分，未固化的水性聚氨酯丙烯酸酯可用去离子水轻松冲洗掉，制备过程也不使用有机溶剂，具有良好的环保性。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的纸芯片制备过程示意图；
图2为本发明实施例1中的SEM图片，其中，（A）未经水性聚氨酯丙烯酸酯处理的滤纸，（B）固含量为10%水性聚氨酯丙烯酸酯处理的滤纸，（C）固含量为20%水性聚氨酯丙烯酸酯处理的滤纸，（D）固含量为30%水性聚氨酯丙烯酸酯处理的滤纸，（E）固含量为40%水性聚氨酯丙烯酸酯处理的滤纸，（F）固含量为45%水性聚氨酯丙烯酸酯处理的滤纸；
图3为本发明实施例2在纸芯片上构建的亲疏水性实验图片，其中各种图案为亲水性区域；
图4为本发明实施例1中纸芯片的耐溶剂性实验图片，其中上图为本发明制备的纸芯片，下图为石蜡材料制备的纸芯片；
图5为本发明实施例2中检测大肠杆菌的实验图片。
具体实施方式
通过采用物理吸附的方式在滤纸上修饰水性聚氨酯丙烯酸酯，然后在掩膜的保护下，紫外光辐照特定区域，曝光区的水性聚氨酯丙烯酸酯在光引发剂的作用下交联固化形成疏水区，未曝光区的水性聚氨酯丙烯酸酯用水冲洗掉，从而在滤纸上形成精细复杂的亲水通道网络，制得纸芯片。
下面通过具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备低成本、环境友好型纸芯片的方法，步骤包括：
（1）在固含量为45%的水性脂肪族聚氨酯丙烯酸羟乙酯（南京嘉中化工科技有限公司生产，型号为JZ-4234）加入光引发剂2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，所述聚氨酯丙烯酸酯与光引发剂的质量比为15:1，混合均匀后，倒入表面皿中，得到含光引发剂的聚氨酯丙烯酸酯水溶液；
（2）滤纸剪成长×宽为4cm×4cm的大小，浸于含光引发剂的聚氨酯丙烯酸酯水溶液中,浸透后取出置于干净的表面皿中，移至真空干燥箱，60℃烘干0.5h，得到干燥后的滤纸；
（3）将带有图案的光胶-胶片掩膜盖在干燥后的滤纸上，同时在光胶-胶片上面盖上玻璃片，使光胶-胶片紧贴滤纸，置于紫外光刻机内固化，固化时间100s，用去离子水将未固化的聚氨酯丙烯酸酯冲洗掉，吹干即得到具有亲水性网络通道的纸芯片。制备过程参见图1。
本申请水性聚氨酯丙烯酸酯及其固含量是重要的。图2为处理前后表面形貌的变化SEM的表征（图2），从图中可以看出，未被处理的滤纸表面有很多空穴，而被水性聚氨酯丙烯酸酯处理后，空隙逐渐消失，表面变得光滑，优选固含量为20-45%水性聚氨酯丙烯酸酯；固含量为45%水性聚氨酯丙烯酸酯为最优。
为了检测所制备纸芯片的耐溶剂性，按照实施例1的步骤制备纸芯片，得到如图4所示的纸芯片。在纸芯片疏水环内的亲水性区域依次滴加上掺加有不同颜色颜料的甲醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜（DMSO）等有机溶剂。同时采用石蜡材料制作的纸芯片作为对比实验。从图4 可以看出有机溶剂被牢牢限制在亲水性区域里。而石蜡材料制备的纸芯片被有机溶剂渗透，表明本发明所制备的芯片具有出色的耐溶剂性。
实施例2
一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备低成本、环境友好型纸芯片的方法，步骤包括：
（1）在固含量为45%的水性脂肪族聚氨酯甲基丙烯酸羟乙酯（广州帝景化工科技有限公司生产，型号为WUV-48）加入光引发剂2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦，所述聚氨酯丙烯酸酯与光引发剂的质量比为20:1，混合均匀后，倒入表面皿中，得到含光引发剂的聚氨酯丙烯酸酯水溶液；
（2）滤纸剪成长×宽为4cm×4cm的大小，浸于含光引发剂的聚氨酯丙烯酸酯水溶液中,浸透后取出置于干净的表面皿中，移至真空干燥箱，60℃烘干0.5h，得到干燥后的滤纸；
（3）将带有图案的光胶-胶片掩膜盖在干燥后的滤纸上，同时在光胶-胶片上面盖上玻璃片，使光胶-胶片紧贴滤纸，置于紫外光刻机内固化，固化时间80s，用去离子水将未固化的聚氨酯丙烯酸酯冲洗掉，吹干即得到具有亲水性网络通道的纸芯片。
为了测试所制备芯片的亲疏水性能，本发明在纸芯片构建了不同形状的亲水图案（参见图3），然后在亲水图案里滴加红色色素溶液。从图3 可以看出色素溶液被牢牢限制在亲水性区域里，没有扩散到疏水区域，表明所制备的纸芯片性能良好。
为了测试所制备纸芯片对生物样品的分析检测性能，按照实施例2的步骤制备纸芯片，得到如图5中本发明所制备的纸芯片。利用制备的纸芯片通过比色法对大肠杆菌进行检测。（1）在疏水环内加入0.5wt％聚乙烯醇，然后加入3mM 氯酚红-β-D-半乳吡喃糖苷作为比色底物。（2）大肠杆菌BL21在培养基中于 37℃下过夜生长，然后使用B-PER®直接细菌蛋白质提取试剂将细胞裂解。（3）将10μL细胞裂解物滴到疏水环上，10分钟后，用Cannon 600D相机记录颜色变化。同时采用石蜡材料制作的纸芯片作为对比实验。
实验结果如图5所示，在本发明制备的纸芯片上，加入大肠杆菌BL21细胞裂解液后发生了显著的颜色变化，而石蜡制备的纸芯片结构在加入大肠杆菌BL21后，芯片结构被破坏，影响了检测结果。
由以上实施例可知，本发明提供的纸芯片的制备方法快速、简单，成本较低且对环境友好。所述纸芯片为便携式、可抛弃式芯片，且精度较高，利于应用。本发明采用水性聚氨酯丙烯酸酯作为制作纸芯片的材料，兼具聚氨酯和聚丙烯酸酯类二者的优点，制得的纸芯片不但能够耐酸碱和表面活性剂溶液，且不含对人体和环境有害的挥发性有机物（VOC），具有突出的环保优势，应用前景广阔。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明的权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种基于水性聚氨酯丙烯酸酯制备纸芯片的方法，其特征在于，步骤包括：
（1）滤纸剪成所需尺寸，浸于含有光引发剂的水性聚氨酯丙烯酸酯溶液，浸透后移至真空干燥箱，60℃烘干0.5~2h；
（2）待水分完全挥发后，将带有图案的光胶-胶片掩膜盖在滤纸上，同时在光胶-胶片上面盖上玻璃片，使光胶-胶片紧贴滤纸，置于紫外光刻机内固化；
（3）用去离子水将未固化的水性聚氨酯丙烯酸酯冲洗掉，吹干即得到具有亲水性网络通道的纸芯片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水性聚氨酯丙烯酸酯为水性脂肪族聚氨酯丙烯酸羟乙酯或水性脂肪族聚氨酯甲基丙烯酸羟乙酯。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚水性氨酯丙烯酸酯与光引发剂的质量比为（15~45）:1。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紫外光刻机的曝光灯功率350w，曝光强度为20mw/cm2，曝光分辨率1μm，所述曝光的时间为20s～100s。
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