CN110947433A - 一种制作纸基微流控芯片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制作纸基微流控芯片的新方法，利用光固化材料，结合印章技术，在滤纸上直接印出芯片图案，同时利用紫外灯照射使材料固化，从而在滤纸上原位生成疏水固体材料，作为“疏水坝”拦住中间流过的水溶液，最终在滤纸上形成图案化的亲水通道，获得纸基微流控芯片。该制作方法具有原材料低价易得、制作过程简单快捷的优点，可用于制作纸基微流控芯片实现现场分析检测，也可直接用于科普教具的制作以及课堂实验的实施等用途。

Description

一种制作纸基微流控芯片的方法

技术领域

本发明涉及纸基微流控芯片的制作技术。

背景技术

微流控芯片技术因其高度的集成性、易于自动化和微细通道内独特的流体特征，而在合成、分析等领域有着广泛的应用。其中，纸基微流控芯片技术具有低成本、高便携性、步骤简便、设计灵活等优点，可将分离、富集、检测等多重处理装置集成到一张芯片上面，形成“纸上实验室”，在食品安全、药物监管、环境治理、健康监测、医疗诊断等领域获得了愈加广泛的应用。

纸基微流控芯片的制作技术一直是该领域的研究热点之一，开发简单易行的制作方法，对于突出纸基微流控芯片的优点、扩大生产规模和应用范围具有重要意义。现有的制作方法，包括喷蜡打印法、聚合物墨水印刷法、蜡印章法、光刻法等方法。上述制作方法按照图案化方法的不同，可以分成三类：(1)印刷法：利用蜡、聚合物墨水等热固化材质，结合手绘、丝网印刷术、印章、打印等技术实现纸上图案化；(2)光刻法：利用掩膜进行局部曝光，使光刻胶局部固化，再洗去未固化的材料，从而在纸上制作出亲水通道；(3)切割法：利用人工切割、机器切割、激光切割等技术将纸材直接切割成适合的形状，从而获得通道。

上述纸基微流控芯片制作方法不同程度上依赖于专业设备的使用，如加热装置、印刷装置、曝光装置、清洗装置、切割装置等设备，这也无形中增加了纸芯片的制作成本和对专业操作人员的依赖，限制了上述方法在野外、基层、家庭等医疗资源匮乏地区的广泛应用。利用简便易得的材料，开发简单快捷的纸基微流控芯片制作方法，对于进一步降低检测成本、扩展适用区域和技术应用范围具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用光固化材料和印章来制作纸基微流控芯片的技术，该技术所用材料简便易得、制作过程快捷好操作，特别适合于在野外、基层、课堂、家庭等设备资源有限的地区推广使用纸芯片技术，也很容易转化成为规模化生产技术。

本发明提供一种制作纸基微流控芯片的方法，该方法利用光固化树脂、印章、紫外灯和滤纸完成芯片制作。

进一步，本发明的方法利用预先图案化的印章，将光固化树脂印到纸基滤纸材料上，之后使用紫外灯照射印刷好的纸基滤纸材料，使光固化树脂完成固化，从而在纸基滤纸材料上形成固态阻隔，用于形成通道限制液体的流动。

进一步，在上述方法中，所述印章可根据要制作的纸基微流控芯片的通道图案，利用常用技术对包括金属印章、木制印章、石头印章、玉石印章、红胶印章在内的常用印章材料进行加工来获得。

进一步，在上述方法中，所述要制作的纸基微流控芯片的通道图案为三通道，雕刻制作具有三通道的三角形红胶印章，三角形边长3.8厘米，三个直通道的边缘凸起处宽度为1.5毫米，三个检测区边缘凸起处宽度为1.5毫米，中心上样区边缘凸起处宽度为2.25毫米。

进一步，在上述方法中，使用所述红胶印章将光固化树脂印在所述纸基滤纸材料上，所形成的微流控芯片通道尺寸为：三个直通道的宽度为1.5毫米，长度为8毫米，中心上样区直径3.5毫米，三个检测区直径3.5毫米，紫外灯光源下光照3分钟使光固化树脂单体聚合交联，从而获得三通道纸基微流控芯片。

另外，在上述方法中，所述光固化树脂可选择包括三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯在内的常用的光固化树脂及具有相似性质的材料混合物。

另外，在上述方法中，所述纸基滤纸材料可选择包括定性滤纸、定量滤纸、硝酸纤维素膜、玻璃纤维滤纸在内的由纤维素形成的、具有毛细结构的、可以吸水的洁净纸材。

另外，在上述方法中，所述紫外灯可选择包括LED紫外灯、紫外灯管、手持式紫外成像仪在内的常见的紫外光源。

另外，在上述方法中，对于要用于分析检测的纸基微流控芯片，可使用移液器将分析检测相关试剂加到检测区，用于分子检测。

另外，在上述方法中，所述移液器可使用包括电动移液枪、手动移液枪、移液管、毛细管在内的常见的可以定量转移液体的装置，所述分析检测相关试剂可使用包括金属离子指示剂、蛋白指示剂、pH指示剂、磷酸盐指示剂在内的常见的重要分子的检测用试剂。

本发明的有益效果：提供了一种利用光固化树脂和印章技术进行纸基微流控芯片制作的方法。光固化树脂具有环境友好、固化时间可控、固化后可有效阻隔液体流动等优点。而印章技术具有低成本、易加工、规格可控等优点，可以针对不同的芯片应用目标来灵活设计印章图案。结合光固化树脂和印章技术进行纸基微流控芯片的制作，可以进一步降低芯片的制作成本和该制作过程对专业设备和专业技术人员的依赖。此外，该方法的易操作、易加工的性质，使其很容易转化成为大规模生产技术。综上，该方法是一种低成本、环境友好、易操作、易扩大、通用性好的纸基微流控芯片制作方法。

附图说明

图1为本发明提供的光固化树脂溶液固化后的疏水性表征示意图(左侧)和结果图(右侧)。

图2为本发明提供的光固化树脂溶液固化后的接触角测量结果。

图3为本发明实施例2提供的用于纸基微流控芯片制作的印章图案。

图4为本发明实施例2提供的基于光固化树脂和印章技术制作的纸基微流控芯片的俯视图。左侧为黄色染料溶液铺满亲水通道前的芯片俯视图，右侧为黄色染料溶液铺满亲水通道后的芯片俯视图。

图5为使用本发明实施例3提供的纸基微流控芯片检测蛋白的标准曲线。

图6为使用本发明实施例3提供的纸基微流控芯片检测锌离子的标准曲线。

图7为使用本发明实施例4提供的纸基微流控芯片检测牛血清白蛋白和锌离子的检测结果。

具体实施方式

图1为本发明提供的光固化树脂溶液固化后的疏水性表征示意图(左侧)和结果图(右侧)。在图1中，示出了液体(水滴)与固体(光固化树脂表面)的接触角θ。图2为本发明提供的光固化树脂溶液固化后的接触角测量结果。图3为本发明实施例2提供的用于纸基微流控芯片制作的印章图案，在图3中示出了要制作的纸基微流控芯片的通道图案为三通道，雕刻制作具有三通道的三角形红胶印章。图4为本发明实施例2提供的基于光固化树脂和印章技术制作的纸基微流控芯片的俯视图。左侧为黄色染料溶液铺满亲水通道前的芯片俯视图，右侧为黄色染料溶液铺满亲水通道后的芯片俯视图。图5为使用本发明实施例3提供的纸基微流控芯片检测蛋白的标准曲线。图6为使用本发明实施例3提供的纸基微流控芯片检测锌离子的标准曲线。图7为使用本发明实施例4提供的纸基微流控芯片检测牛血清白蛋白和锌离子的检测结果。

本发明的制作纸基微流控芯片的方法，利用光固化树脂、印章、紫外灯、滤纸等完成芯片制作。具体来说，利用预先图案化的印章，将常用的光固化树脂印到纸基滤纸材料上，之后使用常见的紫外灯照射印刷好的纸基滤纸材料，使光固化树脂完成固化，从而在纸基滤纸材料上形成固态阻隔，用于形成通道限制液体的流动。对于要用于分析检测的纸基微流控芯片，可以使用移液器将分析检测相关试剂加到分析检测区域，用于分子检测。

其中，印章可以根据要制作的纸基微流控芯片的通道图案，利用常用技术对常用印章材料进行加工来获得，例如金属印章、木制印章、石头印章、玉石印章、红胶章等。

其中，光固化树脂可以选择常用的光固化树脂及具有相似性质的材料混合物，如三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯等材料。

其中，纸基滤纸材料可以选择由纤维素形成的、具有毛细结构的、可以吸水的洁净纸材，例如定性滤纸、定量滤纸、硝酸纤维素膜、玻璃纤维滤纸等。

其中，紫外灯可以选择常见的紫外光源，如LED紫外灯、紫外灯管、手持式紫外成像仪等。

其中，移液器可以使用常见的可以定量转移液体的装置，如电动移液枪、手动移液枪、移液管、毛细管等。

其中，分析检测相关试剂可以使用常见的重要分子的检测用试剂，如金属离子指示剂、蛋白指示剂、pH指示剂、磷酸盐指示剂等。

实施例1：涂布在滤纸上的光固化树脂的疏水性评价。

使用IKONNA公司生产的光固化树脂混合液均匀涂布在Whatman1#定性滤纸上，紫外LED光源下光照3分钟使光固化树脂单体聚合交联。之后将滤纸平铺于桌面，用移液枪将蒸馏水滴于涂布有光固化树脂的滤纸表面，拍照记录水滴形状，利用图形分析软件处理计算水滴与光固化树脂表面的接触角(图1)，并与未修饰滤纸进行比较。计算得出，水滴与光固化树脂表面的接触角为112±5°，水滴滴到未修饰滤纸表面后瞬间完全润湿吸收，接触角为0°(图2)。上述结果表明涂布有光固化树脂的滤纸表面不能被水润湿，具有较好的疏水性。该疏水性使得光固化树脂在制作纸基微流控芯片的过程中可以形成“疏水坝”，从而构建通道控制水溶液在纸基微流控芯片上面的流动。

实施例2：使用光固化树脂和印章技术制作纸基微流控芯片。

根据芯片用途，设计三通道微流控芯片。雕刻制作红胶印章，印章图案如图3所示。三角形边长3.8厘米(cm)，三个直通道的边缘凸起处宽度为1.5毫米(mm)，三个检测区边缘凸起处宽度为1.5mm，中心上样区边缘凸起处宽度为2.25mm。使用该印章将光固化树脂印在滤纸上，所形成的微流控芯片通道尺寸为：三个直通道的宽度为1.5mm，长度为8mm，中心上样区直径3.5mm，三个检测区直径3.5mm。紫外LED光源下光照3分钟使光固化树脂单体聚合交联，所获得的纸基微流控芯片如图4所示。使用黄色颜料的水溶液测试光固化树脂形成的“疏水坝”对水溶液的阻隔作用，结果如图4，可见水溶液的流动完全被限制在光固化树脂所围成的亲水通道内。上述结果表明利用光固化树脂在固化后其疏水性可保证对水溶液的阻隔作用，结合光固化树脂和印章技术制作的纸基微流控芯片可很好的引导水溶液的流动方向。

实施例3：利用光固化树脂和印章技术制作的纸基微流控芯片用于蛋白和重金属离子的定量检测。

使用牛血清白蛋白配制一系列浓度为6.25、12.50、18.75、25.00、31.25微摩尔每升(μM)的蛋白溶液，使用氯化锌配制一系列浓度为1、2、4、6、8微克每毫升(μg/mL)的锌离子溶液。利用定性滤纸和光固化树脂混合液制作纸基微流控芯片检测蛋白和锌离子的浓度。在芯片的一个检测区滴加溴酚蓝，在芯片的另一个检测区滴加锌离子指示剂。在上样区滴加20微升蛋白溶液，用手机软件Color Assist读取反应后检测区的RGB值，将B通道与R通道的比值与蛋白溶液浓度作图，得到该纸基微流控芯片检测蛋白的标准曲线(图5)。同样操作进行不同浓度锌离子溶液的检测，在用手机读取RGB值之后，将R通道与G通道的比值与锌离子溶液的浓度作图，得到该纸基微流控芯片检测锌离子的标准曲线(图6)。

实施例4：利用光固化树脂和印章技术制作的纸基微流控芯片用于水溶液和尿液样品分析。

向超纯水或人工尿液中添加不同浓度的蛋白或锌离子，获得加标样品溶液。使用实施例3中的纸基微流控芯片对上述样品溶液进行分析，利用手机软件Color Assist读取检测区的RGB值，根据B通道与R通道的比值、R通道与G通道的比值以及相关标准曲线，计算加标样品溶液中蛋白和锌离子的浓度。将计算得到的浓度与加标浓度进行比较，可发现对二者数值进行线性拟合，可得到一条斜率接近于1、截距接近于0的直线(图7)，说明计算得到的浓度与加标浓度极为接近。上述结果表明使用光固化树脂结合印章技术制作的纸基微流控芯片，可应用于水溶液分析和尿液检测，准确测定样品中的蛋白浓度和锌离子浓度。

以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制作纸基微流控芯片的方法，其特征在于，该方法利用光固化树脂、印章、紫外灯和滤纸完成芯片制作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用预先图案化的印章，将光固化树脂印到纸基滤纸材料上，之后使用紫外灯照射印刷好的纸基滤纸材料，使光固化树脂完成固化，从而在纸基滤纸材料上形成固态阻隔，用于形成通道限制液体的流动。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述印章可根据要制作的纸基微流控芯片的通道图案，利用常用技术对包括金属印章、木制印章、石头印章、玉石印章、红胶印章在内的常用印章材料进行加工来获得。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述要制作的纸基微流控芯片的通道图案为三通道，雕刻制作具有三通道的三角形红胶印章，三角形边长3.8厘米，三个直通道的边缘凸起处宽度为1.5毫米，三个检测区边缘凸起处宽度为1.5毫米，中心上样区边缘凸起处宽度为2.25毫米。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用所述红胶印章将光固化树脂印在所述纸基滤纸材料上，所形成的微流控芯片通道尺寸为：三个直通道的宽度为1.5毫米，长度为8.0毫米，中心上样区直径3.5毫米，三个检测区直径3.5毫米，紫外灯光源下光照3分钟使光固化树脂单体聚合交联，从而获得三通道纸基微流控芯片。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光固化树脂可选择包括三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯在内的常用的光固化树脂及具有相似性质的材料混合物。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纸基滤纸材料可选择包括定性滤纸、定量滤纸、硝酸纤维素膜、玻璃纤维滤纸在内的由纤维素形成的、具有毛细结构的、可以吸水的洁净纸材。

8.根据权利要求5所述的，其特征在于，所述紫外灯可选择包括LED紫外灯、紫外灯管、手持式紫外成像仪在内的常见的紫外光源。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于要用于分析检测的纸基微流控芯片，可使用移液器将分析检测相关试剂加到检测区，用于分子检测。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述移液器可使用包括电动移液枪、手动移液枪、移液管、毛细管在内的常见的可以定量转移液体的装置，所述分析检测相关试剂可使用包括金属离子指示剂、蛋白指示剂、pH指示剂、磷酸盐指示剂在内的常见的重要分子的检测用试剂。

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