CN109856193A - 一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控智能芯片和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控智能芯片和系统，纸基微流控芯片紧贴在传感器阵列上面，不同浓度的葡萄糖溶液在检测流道内流动的长度不同；由于葡萄糖液滴在与传感器阵列紧贴的纸基微流控芯片上面，所以会产生一定的压力，传感器在力的作用下产生微小的变形，传感器的变形使得传感器自身电阻发生变化，液滴流动到不同位置时，不同位置处的传感器发生变化，从而能够检测到液滴流动的距离，输出匹配成功的葡萄糖浓度值。本发明不仅重量轻，结构简单，易于操作而且本发明的成本较低，易于大批量，拥有较好的市场前景。

Description

一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控智能芯片和系统

技术领域

本发明涉及本发明涉及液体表面润湿技术、传感器技术、信号处理技术等领域，尤其涉及一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控智能芯片和系统。

背景技术

葡萄糖是人体生命活动中不可缺少的物质，其含量是衡量新陈代谢能力和监控疾病病情状况的重要指标，尤其是对临床糖尿病的诊断中，血糖浓度的实时监测是控制患者病情的重要手段。目前，葡萄糖的测定方法主要有分光光度法、电化学法和高效液相色谱法等，但这些技术均存在分析速度较慢、成本较高、现场即时检测较难等一定的局限性。

本发明基于条状的梯度阵列与楔形通道所构成的润湿梯度的自驱动型纸基微流控芯片结合传感技术和信号处理技术实现简单方便、易加工、低成本、微型化、便携化、直观化检测葡萄糖浓度的办法。能够做到对糖尿病的前期预防，中期控制和后期治疗。具有很大的运用前景。

发明内容

针对现有存在的问题，本发明提供一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控智能芯片和系统。该系统检测灵敏、精准。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控智能芯片，包括基础芯片和阵列式布设在所述基础芯片背面的压阻传感器，所述基础芯片正面具有楔形流道，楔形流道的楔形角为4°；流道的方向为：从较窄的初始端到较宽的末端；所述楔形流道内部具有功能图案，所述功能图案沿流道方向分为多个分段区域；每个分段区域中的功能图案由若干个带状区域的亲水图案和若干个条状的疏水图案交替拼接而成；所述条状的疏水图案关于楔形流道的中间轴左右对称，每个分段区域的条状的疏水图案与楔形流道的中心轴线方向平行；从楔形流道的始端至末端，条状的疏水图案的宽度不变，相邻两个疏水图案之间的间距逐渐增大，条状疏水图案逐渐减少，从而亲水面积增大。所述楔形流道提供拉普拉压力；通过改变楔形流道内部的亲疏水面积分数，提供润湿梯度力。

不同浓度的葡萄糖液滴在基础芯片的流道上的铺展距离不同，使得压阻传感器阵列输出的阻值不同，根据该阻值获得铺展距离，从而得到葡萄糖浓度。

进一步地，所述功能层图案结构分为10个分段。

进一步地，所述流道最外侧为疏水性条状图案结构，构成楔形通道，防止液滴扩散到流道外。

进一步地，所述基础芯片的制备方法：对一疏水的楔形基底进行光刻，构建亲水的图案。

一种葡萄糖浓度检测系统，包括智能芯片和信号处理模块；所述信号处理模块由模数转换器，微型处理器和蓝牙发送模块组成。微型模数转换器将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。微型处理器将收集到的数据信息与数据库中的数据进行匹配，然后进行浓度数据输出。

本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明操作简便、在空气中即可实施；掩膜板采用打印技术，制作成本低廉；

2.所用的传感器为柔性压阻传感器，并做成阵列模式，捕捉液滴铺展得长度灵敏，且精准。再结合数据库使得检测操作简单，检测准确。

附图说明

图1液滴在条状的梯度阵列与楔形流道中定向铺展的示意图。

图2为条状的梯度阵列与楔形流道的结构示意图。

图3是本发明系统的流程框图。

图4是传感器阵列图。

图5是润湿梯度与传感器结合示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

图1、2为本发明基础芯片的结构图，包括楔形流道，楔形流道的楔形角为4°；流道的方向为：从较窄的初始端到较宽的末端；所述楔形流道内部具有功能图案，所述功能图案沿流道方向分为多个分段区域；每个分段区域中的功能图案由若干个带状的亲水图案和若干个条状的疏水图案交替拼接而成；所述条状的疏水图案关于楔形流道的中间轴左右对称，每个分段区域的条状的疏水图案与楔形流道的中心轴线方向平行；从楔形流道的始端至末端，条状的疏水图案的宽度不变，相邻两个疏水图案之间的间距逐渐增大，条状疏水图案逐渐减少，从而亲水面积增大。所述楔形流道提供拉普拉压力；通过改变楔形流道内部的亲疏水面积分数，提供润湿梯度力。

图1中我们构建了液滴在带有条形阵列梯度的楔形流道中定向铺展的示意图，其中液体凸起的净轴向拉普拉斯压力梯度可以计算为：

α为楔形流道的楔形角，δ(x)为本征的通道宽度，压力梯度将驱动液滴流向通道更宽的地方。表明拉普拉斯压力梯度与α成正比，与δ(x)的平方成反比。

另外，梯度阵列所形成的表面能梯度同样能提供一个驱动力F_d:

R为液滴接触基底时的初始接触半径，k为液滴沿着液滴运动方向的接触角梯度，θ为沿着液滴运动方向的接触角。

液滴运动的阻力同样是由接触角滞后产生的滞后力F_h，其表达式为：

F_h＝2Rγ_lv(cosθ_r-cosθ_a)

其中θ_r和θ_a是液滴沿润湿梯度方向的后退角和前进角。

通过合理的设计表面润湿梯度的变化，能够很好的控制液滴的流速和流动的距离。

图2中，w1为楔形流道起始宽度，L为流道总长度，为楔形流道夹角，w0为条带的宽度，l0为条带的长度，p0为楔形流道第一个阵列中的条带中心距，Δp为相邻阵列中条带中心距的变化为0.04mm。通过合理地调节以上的结构参数可以改变液滴在流道中的流速和流动长度，以适应不同的实际需求。

本发明所述的亲水是指接触角小于5°，相反，疏水是指接触角大于150°。

所述纸基微流控芯片的制备方法如下：

1)将0.1g粒径大小为25nm左右的二氧化钛粉末散在10mL的乙醇中，超声1小时，使其分散均匀。将20μL的TMOS(trimethoxyoctadecylsilane，十八烷基三甲氧基硅烷)加到分散液中超声10分钟后，室温下反应12小时，即可得到硅烷化后的二氧化钛纳米粒子悬浮液。

2)将滤纸裁剪成1.5cm×3cm的小片，然后把滤纸浸泡在硅烷处理过的分散液中，5分钟后取出，室温下自然干燥，如此反复操作3次，即可得到具有微纳复合结构的超疏水滤纸片。

3)制备掩膜板：通过高分辨率的激光打印机在石英玻璃上打印出预先设计的楔形图案，其中图案的参数包括楔形图案起始宽度、图案总长、图案的楔角、条带的宽度，条带的长度，楔形流道第一个阵列中的条带中心距、相邻阵列中条带中心距的变化等。得到条状的梯度阵列与楔形通道图案的石英玻璃即为掩膜板；所述的图案整体为楔形具有4°的楔角，所述的透光区整体划分为多个区域，同一区域均布若干关于中间轴对称且平行于竖直方向的条状掩模图案，整个区域最外围是夹角成4°且关于中间轴对称两条掩模图案。每个区域的透光图案面积分数不同，图案从较窄区域的初试端到末端，条状掩模图案成梯度适当的减少，带状透光区域的面积成梯度逐渐增大。

4)在石英掩模板的辅助下，利用深紫外光UV/O3(275W，390nm)对其进行区域选项择性曝光，曝光区域的硅烷被光解，得到亲水的流道，即可将掩膜板上设计的图案复制到超疏水滤纸片上，从而制备出条状的梯度阵列与楔形通道所构成的润湿梯度的自驱动型纸基微流控芯片。

本发明在上述基础芯片的背面设置传感器阵列，如图4和5所示，由于葡萄糖液滴在与传感器阵列紧贴的纸基微流控芯片上面，所以会产生一定的压力，传感器在力的作用下产生微小的变形，传感器的变形使得传感器自身电阻发生变化，液滴流动到不同位置时，不同位置处的传感器发生变化，从而能够检测到液滴流动的距离；传感器电阻的变化产生相应的电信号。传感器可以采用现有的CuNWs/rGO/PDMS传感器，其制备方法如下：

1)CuNWs的制备

向圆底烧瓶中加入12g氢氧化钠(NaOH)，边搅拌边加入20mL去离子水，随后搅拌至溶液澄清，升温至60℃，再缓慢滴加0.1mol/L硝酸铜(Cu(NO3)2)溶液1ml，搅拌15分钟后加无水乙二胺(170μL)，45秒后加入35％水合肼溶液30μL，40秒后关闭搅拌器，恒温反应90分钟，溶液表层析出粉红色悬浮物即CuNWs。移至冰水浴冷却10分钟，用冰去离子水洗涤CuNWs4次，并过滤洗涤至中性，低温保存到无水乙醇中。

2)CuNWs/rGO复合薄膜的制备

将无水乙醇中的CuNWs离心(6000rpm/min，6min)，得到的CuNWs固体5mg倒入25mL乙二醇搅拌10分钟，超声5分钟，反复多次，直至获得均匀的粉红色溶液，加入抗坏血酸64mg和30mg GO溶液，搅拌超声反复多次，直至形成均匀溶液，移至两个25mL水热反应釜，120℃反应4小时，得到CuNWs/rGO复合水凝胶。将复合水凝胶用去离子水洗涤多次，去除有机溶剂，随后用超声波细胞破碎仪超碎，并搅拌均匀，用砂芯过滤装置抽滤，得到多孔的CuNWs/rGO复合薄膜，进行冷冻干燥。

3)CuNWs/rGO/PDMS传感器的制备

剪裁冷冻干燥后的CuNWs/rGO多孔复合薄膜，并在两端用银胶连出引线。将二甲基硅氧烷和交联剂按照质量比为10:1的量混合均匀，真空除去气泡，将连出引线的CuNWs/rGO多孔复合薄膜放置到液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，再次真空除气泡，随后放置80℃鼓风干燥箱中90分钟，便得到CuNWs/rGO/PDMS传感器。

本发明还提供一种检测系统，包括上述芯片，以及信号处理模块，信号处理模块由模数转换器，微型处理器和蓝牙发送模块组成。微型模数转换器：其功能是将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。微型处理器：其功能是将收集到的数据信息与数据库中的数据进行匹配，输出数据库中精确度最高的一组数据，蓝牙模块：其功能是将输出的数据信息发送到手机APP中。此外，系统还配备扣电池主要是为仪器提供稳定的电源。手机APP主要将处理过后的数据信息葡萄糖浓度直观的以数字的形式展现给用户。

数据库中的数据为：建立流动长度-葡萄糖溶液浓度标准数据库，通过以下方法简历：取已知浓度的葡萄糖溶液，用滴管吸取2μL葡萄糖溶液滴在上述的流道上，葡萄糖液滴会在流道上流动一段距离；传感器阵列采集该浓度葡萄糖液滴流动的长度信息，并将其以电信号的形式发送到微型模数转换器；微型模数转换器将电信号转换为数字信号并发送给微型处理器；微型处理器将该浓度的信号作为标准信号存储在标准数据库中。按此方法得到水溶液中葡萄糖浓度从1％到99％(间隔为1％)时对应的长度-数字信号信息，并将其存储在标准数据库中。即得到流动长度-葡萄糖溶液浓度-对应的标准数据库。

测定待测葡萄糖溶液浓度方法如下：用滴管吸取与标准库中体积相等(2μL)的待测葡萄糖溶液。滴在纸基微流控芯片的流道上。不同浓度的葡萄糖溶液在条状的梯度阵列与楔形通道所构成的润湿梯度的自驱动型纸基微流控芯片的检测流道内流动的距离不同。下面的传感器阵列，能够检测葡萄糖液滴流动的距离，转化为电信号。然后在经过微型模数转换器将电信号转化为数字信号。微型处理器可将采集到的数字信号与标准数据库中的葡萄糖浓度数据进行匹配，输出匹配成功的葡萄糖浓度信号发送给蓝牙。蓝牙接收处理器传过来的信号，并将信号发送到手机APP中。手机接收蓝牙传过来的信号，并在APP中显示所测得的葡萄糖浓度信息。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控智能芯片，其特征在于：包括基础芯片和阵列式布设在所述基础芯片背面的压阻传感器，所述基础芯片正面具有楔形流道，楔形流道的楔形角为4°；流道的方向为：从较窄的初始端到较宽的末端；所述楔形流道内部具有功能图案，所述功能图案沿流道方向分为多个分段区域；每个分段区域中的功能图案由若干个带状区域的亲水图案和若干个条状的疏水图案交替拼接而成；所述条状的疏水图案关于楔形流道的中间轴左右对称，每个分段区域的条状的疏水图案与楔形流道的中心轴线方向平行；从楔形流道的始端至末端，条状的疏水图案的宽度不变，相邻两个疏水图案之间的间距逐渐增大，条状疏水图案逐渐减少，从而亲水面积增大。所述楔形流道提供拉普拉压力；通过改变楔形流道内部的亲疏水面积分数，提供润湿梯度力。

不同浓度的葡萄糖液滴在基础芯片的流道上的铺展距离不同，使得压阻传感器阵列输出的阻值不同，根据该阻值获得铺展距离，从而得到葡萄糖浓度。

2.根据权利要求1所述的纸基微流控智能芯片，其特征在于，所述功能层图案结构分为10个分段。

3.根据权利要求1所述的纸基微流控智能芯片，其特征在于，所述流道最外侧为疏水性条状图案结构，构成楔形通道，防止液滴扩散到流道外。

4.根据权利要求1所述的纸基微流控智能芯片，其特征在于，所述基础芯片的制备方法：对一疏水的楔形基底进行光刻，构建亲水的图案。

5.一种葡萄糖浓度检测系统，其特征在于，包括权利要求1所述的智能芯片和信号处理模块；所述信号处理模块由模数转换器，微型处理器和蓝牙发送模块组成。微型模数转换器将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。微型处理器将收集到的数据信息与数据库中的数据进行匹配，然后进行浓度数据输出。