CN110280317A - 一种基于3d打印模板支撑的软管微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片及其制备方法，包括3D打印模板和软管；3D打印模板上设置有凹槽，凹槽的宽度与软管的外径配合，使用时，软管嵌入凹槽中并沿凹槽的延伸方向延伸，形成微流控通道。本发明基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，是采用3D打印模板支撑固定软管形成微流控通道，其中的3D打印模板能够方便的通过3D打印进行制造，因此本发明基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片制作起来更加容易，不需要洁净室、笨重和昂贵的设备及专业技能。

Description

一种基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片，具体为一种基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片及其制备方法。
背景技术
微流控芯片是一组设计和制造的微尺度通道，这些微通道用于处理多种化学和生物应用的少量试剂。微流控操纵微量液体进行快速反应的能力是其被应用的最主要原因之一。光刻和软光刻作为最常用的两种方法制备极小尺寸通道方面有巨大的优势。虽然光刻和软光刻能够制备结构多样的微通道结构，但是它有明显的局限性。这种被广泛应用的方法带来了与基础设施、设备安装、维护洁净室设施相关的巨大成本。另外，每一次设计迭代都需要打印一个新的光掩膜和UV光刻来产生一个新的母板。这种多步骤、劳动密集型的流程一定程度上阻碍了对微流控芯片快速而广泛的创新和新应用的开发。为了避免这些困难，提出了几种无洁净室的方法来创建具有各种通道几何结构的微流控系统，包括计算机数控铣削、激光切割和热压印。然而，这些技术需要昂贵的专用设备。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片及其制备方法，其可以通过3D打印制备，不需要洁净室、笨重和昂贵的设备及专业技能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，包括3D打印模板和软管；3D打印模板上设置有凹槽，凹槽的宽度与软管的外径配合，使用时，软管嵌入凹槽中并沿凹槽的延伸方向延伸，形成微流控通道。
优选的，凹槽的两端分别与3D打印模板的端面相接，以作为软管的出入口。
优选的，凹槽的各段位于同一平面上，形成平面型微流控通道。
优选的，凹槽的各段位于不同平面上，形成立体型微流控通道。
优选的，凹槽包括多个半圆形凹槽，多个半圆形凹槽依次首尾连通，相连的两半圆形凹槽呈相切设置且呈S型。
优选的，凹槽包括多个U形凹槽，多个U形凹槽依次连通，相邻两个 U形凹槽连接呈S型。
优选的，凹槽包括多个横向凹槽和多个纵向凹槽，横向凹槽从3D打印模板的一侧延伸至另一侧，纵向凹槽从3D打印模板的一端延伸至另一端。
优选的，3D打印模板上设置有滑轨，滑轨上设置有滑块，滑块上设置有T形槽，T形槽用于固定T形接头，使用时，T形接头的一个端口与软管连接，另两个端口分别与两个进料管连接。
优选的，软管材质为硅胶。
所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片的制备方法，使用FDM 三维立体打印机打印制作3D打印模板，然后再与软管配合组成微流控芯片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，是采用3D打印模板支撑固定软管形成微流控通道，其中的3D打印模板能够方便的通过3D打印进行制造，因此本发明基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片制作起来更加容易，不需要洁净室、笨重和昂贵的设备及专业技能。
进一步的，3D打印模板支撑凹槽的各段位于不同平面上，形成立体型微流控通道，相对于平面型微流控通道，立体型微流控通道能够提高材料利用率，并且使用时能够提高溶液混合效率。
进一步的，凹槽设置成多个半圆形凹槽，由半圆形凹槽依次连接，形成连续的U形弯道，U形弯曲能产生混沌流，能够提高微流控通道中液体的混合效率。
进一步的，通过设置导轨和滑块，便于在调节软管进口位置时，相应的调整滑块位置，使T形接头的固定位置与软管出口位置匹配，保证软管与T 形接头的连接。
附图说明
图1为实施例1的3D打印模板结构示意图，(a)等轴侧视图，(b)俯视图；
图2为实施例1的3D打印模板实物图；
图3为实施例2的3D打印模板结构示意图，(a)等轴侧视图，(b)俯视图；
图4为实施例2的3D打印模板实物图；
图5为实施例3的3D打印模板结构示意图，(a)等轴侧视图，(b)俯视图；
图6为实施例3的3D打印模板实物图；
图7为实施例4的3D打印模板结构示意图，(a)等轴侧视图，(b)俯视图；
图8为实施例3的3D打印模板实物图；(a)等轴侧视图，(b)俯视图；
图9为实施例3的3D打印模板结构示意图，(a)等轴侧视图，(b)正视图，(c)俯视图；
图10为实施例3的3D打印模板实物图；(a)等轴侧视图，(b)俯视图；
图11为不同材料软管实物图。(a)多根PE软管实物图；(b)多根PTFE 软管实物图；(c)多根PP软管实物图；(d)多根PA软管实物图；(e)多根 Silicone软管实物图；(f)不同材料软管单根实物图；
图12为不同材料软管的拉曼光谱图。(a)基线校正和归一化后五种不同材料软管的拉曼光谱；(b)基线校正后光谱五种不同材料软管的拉曼光谱；
图13为(a)软管、(b)T形接头；
图14为实施例4的平面软管微流控芯片使用状态示意图；
图15为实施例5的立体软管微流控芯片使用状态示意图；
图16为平面软管微流控中不同流速对SERS检测的影响；(a)每种流速下的平均SERS光谱，(n＝200)；(b)每种流速下1077cm-1和1590cm-1特征峰面积比较；
图17为立体软管微流控中不同流速对SERS检测的影响；(a)每种流速下的平均SERS光谱，(n＝200)；(b)每种流速下1077cm-1和1590cm-1特征峰面积比较。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，包括3D打印模板和软管。3D打印模板上设置有凹槽，凹槽的宽度与软管的外径配合，使用时，软管置于凹槽中并沿凹槽延伸方向盘绕，形成微流控通道，凹槽的两端分别与3D打印模板的端面接通，以作为软管的出入口。
一、3D打印模板的结构
实施例1
3D打印模板结构如图1所示。3D打印模板整体呈长方体形状，3D打印模板的上表面上设有多个半圆形凹槽和多个直线凹槽，多个半圆形凹槽依次首尾连通呈蛇形结构，相邻两半圆形凹槽呈相切设置且呈S型，相邻两半圆形凹槽的连通处设有一与两圆形凹槽呈公切设置的直线凹槽，蛇形结构的首端和尾端各设有一与端部的半圆形凹槽相切的直线凹槽，直线凹槽从3D打印模板的一侧延伸至另一侧，用作软管的出入口。使用时，软管从一直线凹槽进入，沿半圆形凹槽盘绕，之后从另一直线凹槽导出，可以根据实际所需要的微流控通道长度，调整软管的进出入口位置，从而调整微流控通道长度。
3D打印模板的两侧底部分别设置有滑轨，滑轨与直线槽呈垂直设置，滑轨上设置有滑块，滑块上设置有T形槽，T形槽用于固定T形接头，使用时，T形接头的一个端口与软管连接，另两个端口分别与两个进料管连接。滑轨的作用是支撑滑块，以便于在调节软管进口位置时，相应的调整滑块位置，使T形接头的固定位置与软管出口位置匹配，保证软管与T形接头的连接。
该具体实施例中，3D打印模板的长度为90.93mm，宽度为30mm，高度为6.5mm；半圆形凹槽直径为8.093mm，共设计10个半圆形凹槽；半圆形凹槽和直线凹槽的宽度为0.8mm，高度为2mm。滑动槽长度为81.93mm，宽度为2.2mm，高度为1.75mm。软管采用硅胶软管，T形接头采用T形三通鲁尔接头。
本发明的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，使用FDM三维立体打印机打印制作3D打印模板，然后再与软管配合使用，3D打印模板实物图如图2所示。
实施例2
3D打印模板结构如图3所示。3D打印模板整体呈长方体形状，3D打印模板的上表面上通过“拉伸”功能制作出多个间隔排布的长条柱，长条柱水平设置，长条柱的两端均呈圆弧面，从而在每个长条柱周围形成U形凹槽，多个U形凹槽依次连通，相邻两个U形凹槽连接呈S型。使用时，软管置于U形凹槽中沿U形凹槽绕着长条柱盘绕。
3D打印模板的两侧底部分别设置有滑轨，滑轨设置同实施例1。
该具体实施例中，3D打印模板，长70mm，宽30mm，高6.5mm；U 形凹槽直线部分长4mm，弯曲部分为直径2mm的半圆，总计20个U形凹槽单元阵列；U形凹槽宽1mm，高2mm。
该实施例3D打印模板实物图如图4所示。
实施例3
3D打印模板结构如图5所示。3D打印模板整体呈长方体形状，3D打印模板的上表面上均匀设有多个横向凹槽和多个纵向凹槽，横向凹槽从3D打印模板的一侧延伸至另一侧，纵向凹槽从3D打印模板的一端延伸至另一端。
3D打印模板的两侧底部分别设置有滑轨，滑轨设置同实施例1。
该具体实施例中，3D打印模板，长281.24mm，宽29mm，高6.5mm；横向凹槽设置20个，纵向凹槽设置3个；横向凹槽和纵向凹槽，宽1mm，高2mm。
该实施例3D打印模板实物图如图6所示。
实施例4
该实施例中3D打印模板结构如图7所示，其凹槽的结构设置与实施例 2相同。
不同的是，本实施例中将实施例2中3D打印模板两侧的滑轨结构替换为卡扣结构。
该具体实施例中，3D打印模板，长80mm，宽40mm，高7mm；长条柱长18mm，宽2mm，高2mm，长条柱设置23个。
该实施例3D打印模板实物图如图8所示。
实施例5
该实施例中3D打印模板结构如图9所示，其凹槽的结构设置与实施例 2相同。
不同的是，本实施例中将实施例2中长条柱弯折90度，即长条柱的一端位于3D打印模板的第一表面上，另一端位于3D打印模板的第二表面上，从而形成的U形凹槽的上端和下端分别位于第一表面和第二表面上，形成立体凹槽结构。第一表面和第二表面在连接处设计半径1mm圆角，保证使用时，软管平滑弯曲。
且本实施例将实施例2中的滑轨结构替换为卡扣结构。
该具体实施例中，3D打印模板，长80mm，宽42mm，高18mm；长条柱长9mm，宽2mm，高2mm，长条柱设置23个。3D打印模板中心通过“拉伸切除”功能做出长36mm，宽11mm的贯穿矩形空槽，这样在保证3D打印模板立体结构的同时能减少3D打印耗材的使用。
该实施例3D打印模板实物图如图10所示。
二、软管材料选择
软管作为软管微流控芯片的核心部件，其作用同传统微流控芯片中微通道一致。因此选取内壁光滑、高精度、透明、生物相容的软管十分重要。另外为了方便绕制连续弯曲的软管通道，软管微流控芯片对软管本身的硬度提出了较高的要求。能够随意弯折，并且不会产生不可逆形变的软管才能满足制备软管微流控芯片的要求。这就对软管本身的材料提出了较高的要求。
选取了商业化十分成熟的五种不同材料的软管，从透明度、邵尔A硬度，尺寸和拉曼背景四个方面进行对比选择。这五种不同材料的软管分别为：聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)和硅胶(Silicone)。
五种不同材料的软管实物图如图11所示。这五种软管其透明度有所不同，PE、PTFE和PA材料软管为不透明软管，PP材料软管为半透明软管， Silicone材料软管为透明软管。这从实物图上可以很明显的观察到。
为了绕制有连续弯曲的软管微通道，硬度是软管选取中的重要考察指标。在满足硬度的条件下，应尽可能选取内径较小的软管。这样在检测过程中需求更小的样品量，有利于临床的微量分析。选取每种材料软管可以买到的最小尺寸，调查其硬度，总结至表1中。
表1不同材料软管特性比较
综上，从透明度、硬度和尺寸三个方面进行对比选择，透明、硬度低、内径小的Silicone材料软管是最符合软管微流控的要求的。
因为软管微流控要与SERS技术联用，组成软管微流控-SERS检测平台，在检测过程中软管作为微流控通道，需要将软管置于拉曼光谱仪物镜下进行 SERS光谱获取。因此，必须测量软管本身的拉曼信号。如果软管本身拉曼特征峰较多且强度较大，那么软管本身的拉曼信号会遮挡管道中溶液的 SERS信号，这将严重影响SERS的检测分析和应用。综上，不同材料软管的拉曼信号也是挑选软管的重要考虑因素。图12显示了通过拉曼光谱仪测到的五种不同材料的软管的拉曼光谱。
从图12(a)中可以看出每种软管都有一些明显的特征峰，从图12(b)中可以读出每个特征峰相对应的拉曼强度。PE材料软管在1060cm-1、1126cm-1、1295cm-1、1439cm-1四个位置有明显的特征峰。其拉曼强度分别为526、 588、920、1022。PE材料软管不仅特征峰数量较多，而且1439cm-1的强度较大。结合其透明度、硬度和尺寸，PE材料的软管不是制作软管微流控芯片的最佳选择。
PTFE材料软管在730cm-1、1218cm-1、1297cm-1、1380cm-1四个位置有特征峰，它们的拉曼强度分别为1617、122、197、400。PTFE材料软管拉曼特征峰较多且730cm-1特征峰十分明显，而且不透明，因此PTFE材料软管不适合作为软管微流控中微通道软管。
PP材料软管在805cm-1、839cm-1、898cm-1、936cm-1、971cm-1、995 cm-1、1036cm-1、1152cm-1、1219cm-1、1330cm-1、1357cm-1、1460cm-1处均有十分明显的特征峰，其强度分别为750、691、122、119、279、255、176、519、211、211、274、862。虽然PP材料特征峰的强度较低，但是数量较多；另外PP材料软管强度较大，无法平滑弯曲。结合以上两点，PP材料软管不适合作为软管微流控通道中的软管、
PA材料软管有四个较为明显的特征峰，分别为1126cm-1、1295cm-1、 1439cm-1、1635cm-1。它们的强度分别为434、563、883、496。虽然PA材料软管特征峰较低，但是数量多。最主要的是PA材料软管硬度大，而且已经超出邵尔A硬度标准范围。这极其不符合软管微流控芯片对软管的要求。因此不能选择PA材料软管。
Silicone材料软管相较于其他四种材料，其仅在707cm-1和1413cm-1处有两个特征峰，强度仅为767、317。另外Silicone材料软管是透明软管，硬度是五种不同材料软管中最小的一个，而且软管内径较小。Silicone材料软管这些特点都满足软管微流控芯片的要求，因此选择Silicone材料软管作为软管微流控芯片的微通道。
三、应用
本发明基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片可用于液体表面增强拉曼散射(SERS)测量，以实施例4和5的3D打印模板为例进行如下说明。
具体使用过程为：将充当流体微流控通道的软管(图13(a))的一端嵌入U形凹槽中，软管沿U形凹槽盘绕，至需要的长度后，从一出口引出。软管一端采用商业化的T形接头(图13(b))与注射泵连接，软管延长5 cm作为连续采集SERS光谱的检测位置。组装好的软管微流控芯片如图14 和图15所示。然后将组装好的芯片固定在拉曼光谱仪的载物台上，聚焦后采集SERS光谱。
如图14所示，在基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片中，从注射泵泵出的待检测样品与SERS增强材料分别从入口Ⅰ和入口Ⅱ进入软管，使两种溶液(分别为纳米颗粒和分析物分子溶液)在软管中动态混合；然后利用入口Ⅲ在混合溶液中加入聚集剂，促进SERS“热点”的形成，进一步提高 SERS检测的灵敏度；最后在检测位置进行连续SERS光谱采集。3D打印模板中的凹槽具有多个u型弯道，嵌入凹槽内软管形成相同的结构。因为U形弯曲能产生混沌流，因此溶液在软管中高效混合。
连续流动SERS检测分析中，流体的流速决定了分析物溶液和增强材料溶液的混合效率、纳米颗粒和分析物分子的吸附时间、单位时间内检测的流体体积以及检测时间。以纳米颗粒和分析物分子的吸附时间为例，当流速太大时，分析物分子来不及吸附到纳米颗粒表面便从通道中流走，这将导致 SERS检测的灵敏度极大降低；如果流速较小，纳米颗粒之间聚集时间太长，极有可能造成纳米颗粒之间团聚，造成SERS检测重复性大大降低，而且低流速会直接降低检测效率。因此对不同流速在平面和立体软管微流控通道中 SERS检测结果进行探究。图16展示了在平面软管微流控中不同流速下所采集光谱的平均光谱，图17展示了在立体软管微流控中不同流速下所采集光谱的平均光谱。
当基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片和SERS技术联用组成微流控-SERS系统时，能够实现连续流动条件下的SERS光谱的连续采集，在提高SERS检测重复性的同时也增加了检测效率。

Claims (10)

1.一种基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，包括3D打印模板和软管；3D打印模板上设置有凹槽，凹槽的宽度与软管的外径配合，使用时，软管嵌入凹槽中并沿凹槽的延伸方向延伸，形成微流控通道。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，凹槽的两端分别与3D打印模板的端面相接，以作为软管的出入口。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，凹槽的各段位于同一平面上，形成平面型微流控通道。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，凹槽的各段位于不同平面上，形成立体型微流控通道。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，凹槽包括多个半圆形凹槽，多个半圆形凹槽依次首尾连通，相连的两半圆形凹槽呈相切设置且呈S型。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，凹槽包括多个U形凹槽，多个U形凹槽依次连通，相邻两个U形凹槽连接呈S型。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，凹槽包括多个横向凹槽和多个纵向凹槽，横向凹槽从3D打印模板的一侧延伸至另一侧，纵向凹槽从3D打印模板的一端延伸至另一端。
8.根据权利要求1所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，3D打印模板上设置有滑轨，滑轨上设置有滑块，滑块上设置有T形槽，T形槽用于固定T形接头，使用时，T形接头的一个端口与软管连接，另两个端口分别与两个进料管连接。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片，其特征在于，软管材质为硅胶。
10.权利要求1-9任一项所述的基于3D打印模板支撑的软管微流控芯片的制备方法，其特征在于，使用FDM三维立体打印机打印制作3D打印模板，然后再与软管配合组成微流控芯片。
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