CN111450906B - 自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件 - Google Patents

自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件，其中，自驱动型电润湿阀门，包括：集成的屏障层和摩擦纳米发电机，其中，位于该屏障层一侧的待通过液滴接入至一电极，该电极连接至摩擦纳米发电机的输出，该摩擦纳米发电机的输出电压加载于电极以驱动待通过液滴在屏障层上铺展并通过该屏障层，实现自驱动电润湿。本发明直接将摩擦纳米发电机的输出用于屏障层上方待通过液滴的电润湿驱动，无需传统的直流或交流的电源驱动和复杂的管理电路，电路结构简单、能耗低，同时具有自驱动的优点，并且两个待通过液滴利用电极连接至摩擦纳米发电机的输出，能够实现同时滴落，对于免疫检测反应来说，能够实现反应时间的精准控制。

Description

自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件
技术领域
本公开属于纳米新能源技术与免疫检测技术领域，涉及一种自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件。
背景技术
纸基微流体芯片作为一种新兴技术，可被用于免疫检测，然而在测试过程中经常需要加入几种试剂，各试剂加入的时间间隔，可能会对最终的测试结果产生影响。
电润湿(EW，Electro-wetting)是指通过改变液滴与绝缘基板之间的电压来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角使液滴发生形变、位移的现象。所谓润湿是指固体表面的一种流体被另一种流体取代的过程。液体在固体表面能铺展，固液接触面有扩大的趋势，即液体对固体表面的附着力大于其内聚力，就发生了润湿。
为精准的控制试剂的添加，涌现出了各种微流体阀门，其中基于电润湿原理的阀门相较于其他阀门来说具有结构简单、成本低廉、响应速度高等优点。但是现有的电润湿阀门均需要一直流或交流的电源驱动，且需要较复杂的电源管理系统，能耗高且结构复杂。
因此，有必要提出一种能够实现自驱动的微流体阀门，更进一步的，如何基于自驱动器件实现免疫检测，成为一大难题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种自驱动型电润湿阀门2，包括：集成的屏障层21和摩擦纳米发电机25，其中，位于该屏障层21一侧的待通过液滴22接入至一电极23，该电极23连接至摩擦纳米发电机25的输出，该摩擦纳米发电机25的输出电压加载于电极23以驱动待通过液滴22在屏障层21上铺展并通过该屏障层21，实现自驱动电润湿。
在本公开的一些实施例中，屏障层21为镀有聚对二甲苯的金属网；金属网的材料包括如下材料的一种或几种：不锈钢、铜、以及铝。
在本公开的一些实施例中，摩擦纳米发电机25的结构包括如下结构中的一种或几种：接触-分离式结构、单电极式结构、水平滑动式结构、以及独立层式结构。
根据本公开的另一个方面，提供了一种纸基微流体芯片1，其中，该纸基微流体芯片包含液滴滴加区域，在检测时，该液体滴加区域上方的待通过液滴22位于一屏障层21的一侧，待通过液滴22接入至一电极23，该电极23连接至摩擦纳米发电机25的输出，该摩擦纳米发电机25的输出电压加载于所述电极23以驱动待通过液滴22在屏障层21上铺展并通过该屏障层21，滴落至液滴滴加区域。
在本公开的一些实施例中，纸基微流体芯片包含一疏水沟道11围成的一体化区域，该一体化区域中包括：第一孔洞12，为一液滴滴加区域；第一通道14，与第一孔洞12连接；第二孔洞13，为另一液滴滴加区域；第二通道15，与第二孔洞13连接，该第二通道15上设置有障碍物16；以及合流通道17，第一通道14与第二通道15汇聚于该合流通道17，该合流通道17中包含检测区域18。
在本公开的一些实施例中，第一通道14上设置有HRP标记抗体，检测区域18中设置有AFP捕获抗体，使用时，第一孔洞12滴加待测样品，第二孔洞13滴加底物；
可选的，底物为H2O2和TMB的混合物。
在本公开的一些实施例中，第一孔洞12和第二孔洞13上方的待通过液滴22同时滴加。
在本公开的一些实施例中，第一孔洞12和第二孔洞13上方的待通过液滴22以串联的方式通过电极23连接至摩擦纳米发电机25的输出。
在本公开的一些实施例中，屏障层21为镀有聚对二甲苯的金属网；金属网的材料包括如下材料的一种或几种：不锈钢、铜、以及铝；和/或，摩擦纳米发电机25的结构包括如下结构中的一种或几种：接触-分离式结构、单电极式结构、水平滑动式结构、以及独立层式结构。
根据本公开的再一个方面，提供了一种免疫检测器件，包括本公开提到的任一种自驱动型电润湿阀门2，或者包括本公开提到的任一种纸基微流体芯片1，或者集成有本公开提到的任一种自驱动型电润湿阀门2和纸基微流体芯片1。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件，具有以下有益效果：
(1)通过结合电润湿技术和摩擦发电技术，将摩擦纳米发电机与屏障层进行集成形成自驱动型电润湿阀门，利用摩擦纳米发电机的高电压、低电流的电性输出特点，直接将摩擦纳米发电机的输出用于屏障层上方待通过液滴的电润湿驱动，无需传统的直流或交流的电源驱动和复杂的管理电路，电路结构简单、能耗低，同时具有自驱动的优点，并且两个待通过液滴利用电极连接至摩擦纳米发电机的输出，能够实现同时滴落，对于免疫检测反应来说，能够实现反应时间的精准控制；
(2)通过设置纸基微流体芯片的结构为两液滴通道结构，一个液滴通道为正常流通(非延时流通)，另一个液滴通道通过设置障碍物实现延时流通，两个通道汇聚于合流通道，在合流通道的检测区域可实现进行免疫反应的反应物和底物的反应与检测，具有检测快捷、方便、且准确有效的优点；
(3)免疫检测器件将纸基微流体芯片与自驱动型电润湿阀门集成，在纸基微流体芯片中的第一通道上设置HRP标记抗体，检测区域中设置AFP捕获抗体，使用时，第一孔洞滴加待测样品，第二孔洞滴加底物，通过观察检测区域是否有变蓝来判定检测区是否存在HRP标记抗体，进一步判定第一通道的待测样品中是否存在AFP抗原，实现对肝癌标志物AFP抗原的检测。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的免疫检测器件的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的纸基微流体芯片的结构和尺寸示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的屏障层的形成过程示意图。
图4A-图4D为根据本公开一实施例所示的在纸基微流体芯片上加载药物的制作过程示意图。
图4A为在纸基微流体芯片上修饰醛基，用于钉扎后续抗体的示意图。
图4B为在检测区域加载第一药物的示意图。
图4C为采用BSA溶液去除醛基的示意图。
图4D为在第一通道加载第二药物的示意图。
【符号说明】
1-纸基微流体芯片；
11-疏水沟道；
12-第一孔洞； 13-第二孔洞；
14-第一通道； 15-第二通道；
16-障碍物； 17-合流通道；
18-检测区域；
2-自驱动型电润湿阀门；
21-屏障层； 22-待通过液滴；
23-电极； 24-导线；
25-摩擦纳米发电机；
251-基底； 252-电极层；
253-摩擦层； 254-封装层；
BSA-牛血清白蛋白； TMB-3，3′，5，5′-四甲基联苯胺。
具体实施方式
本公开通过结合电润湿技术和摩擦发电技术，提出了一种自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件，利用摩擦纳米发电机的高电压、低电流的电性输出特点，直接将摩擦纳米发电机的输出用于屏障层上方待通过液滴的电润湿驱动，无需传统的直流后交流的电源驱动和复杂的管理电路，电路结构简单、能耗低，同时具有自驱动的优点，并且两个待通过液滴利用电极连接至摩擦纳米发电机的输出，能够实现同时滴落，对于免疫检测反应来说，能够实现反应时间的精准控制，实现对肝癌标志物AFP抗原的检测，具有检测快捷、方便、且准确有效的优点。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为根据本公开一实施例所示的免疫检测器件的结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的纸基微流体芯片的结构和尺寸示意图。
结合图1和图2所示，本公开的自驱动型电润湿阀门2，包括：集成的屏障层21和摩擦纳米发电机25，其中，位于该屏障层21一侧的待通过液滴22接入至一电极23，该电极23连接至摩擦纳米发电机25的输出，该摩擦纳米发电机25的输出电压加载于电极23以驱动待通过液滴22在屏障层21上铺展并通过该屏障层21，实现自驱动电润湿。
本公开的纸基微流体芯片1，包含液滴滴加区域，在检测时，该液体滴加区域上方的待通过液滴22位于一屏障层21的一侧，待通过液滴22接入至一电极23，该电极23连接至摩擦纳米发电机25的输出，该摩擦纳米发电机25的输出电压加载于所述电极23以驱动待通过液滴22在屏障层21上铺展并通过该屏障层21，滴落至液滴滴加区域。
本公开的免疫检测器件，包括本公开提到的任一种自驱动型电润湿阀门2，或者包括本公开提到的任一种纸基微流体芯片1，或者集成有本公开提到的任一种自驱动型电润湿阀门2和纸基微流体芯片1。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种免疫检测器件。
参照图1所示，本公开的免疫检测器件，集成有自驱动型电润湿阀门2和纸基微流体芯片1。
本实施例所示的自驱动型电润湿阀门2，包括：集成的屏障层21和摩擦纳米发电机25。
图3为根据本公开一实施例所示的屏障层的形成过程示意图。
本实施例中，如图3所示，屏障层21为镀有聚对二甲苯(Parylene，也称派瑞林)的金属网。金属网的材料包括但不限于如下材料的一种或几种：不锈钢、铜、以及铝等。
在一实例中，该屏障层21的制备工艺如下：
(1)将一定质量的parylene颗粒放入真空镀膜机PDS2010的蒸发室内，其质量可以为2g-6g不等；
(2)将一定目数的金属网放至沉积室内，金属网目数可以为20-300目不等；
(3)在真空度0-15mT，裂解温度690℃，蒸发温度175℃的条件下进行镀膜，镀膜完成后，根据(1)中添加原料的质量不同，金属网上的parylene厚度可达1μm-3μm。
其中，摩擦纳米发电机25的结构包括如下结构中的一种或几种：接触-分离式结构、单电极式结构、水平滑动式结构、以及独立层式结构。
本实施例中，以一种典型的接触-分离式结构的摩擦纳米发电机进行示意，如图1所示，该摩擦纳米发电机25包含：两个分离设置的基底251，在两个基底251上相对设置有电极层252，并在其中一个基底的电极层上设置有摩擦层253，在两个基底251的外围设置有一封装层254，实现器件的结构的封装，形成一接触-分离式的摩擦纳米发电机25。
当然，摩擦纳米发电机的结构不局限于上述实施例，其他类型或模式的结构均在本公开的保护范围之内。
本实施例中的免疫检测器件用于实现对肝癌标志物AFP抗原的检测，参照图1所示，该屏障层21的一侧具有两个待通过液滴22，这两个待通过液滴22分别连接至两个电极23，这两个电极23分别通过导线24连接至摩擦纳米发电机25的输出端，该摩擦纳米发电机25的输出电压加载于电极23以驱动待通过液滴22在屏障层21上铺展并通过该屏障层21，实现自驱动电润湿。
其中，这两个待通过液滴22以串联的方式通过电极23连接至摩擦纳米发电机25的输出。
下面结合图2以及图4A-图4D来说明该纸基微流体芯片的制备过程。图4A-图4D为根据本公开一实施例所示的在纸基微流体芯片上加载药物的制作过程示意图。图4A为在纸基微流体芯片上修饰醛基，用于钉扎后续抗体的示意图。图4B为在检测区域加载第一药物的示意图。图4C为采用BSA溶液去除醛基的示意图。图4D为在第一通道加载第二药物的示意图。
参照图2所示，本实施例中，纸基微流体芯片1包含一疏水沟道11围成的一体化区域，该一体化区域中包括：第一孔洞12，为一液滴滴加区域；第一通道14，与第一孔洞12连接；第二孔洞13，为另一液滴滴加区域；第二通道15，与第二孔洞13连接，该第二通道15上设置有障碍物16；以及合流通道17，第一通道14与第二通道15汇聚于该合流通道17，该合流通道17中包含检测区域18。图2中合流通道17外侧标记的两条小竖线对应的通道区域为检测区域18，图2中还示意了该检测区域18中加载的AFP捕获抗体，如图2中形如“Y”的标记所示。
如图2中标注的尺寸所示意，在一些实施例中，纸基微流体芯片1中，第一孔洞12和第二孔洞13的内径相同，均为6mm，包围在第一孔洞和第二孔洞外围的疏水沟道11为一环形，该环形的宽度为4mm，第一通道14和第二通道15的宽度相同，均为3mm，合流通道17中检测区域18对应的宽度为4mm，检测区域后方(前、后分别表示沿着流体流动方向，先经过的为前方，后经过的为后方)的合流通道17的宽度为11mm，液体的通道部分(包括第一通道、第二通道和合流通道)对应的疏水沟道的宽度为1mm，该纸基微流体芯片1整体的尺寸为：长度为57mm，宽度为37mm。
当然，这里的尺寸仅作为示例，在实际的生产或者应用过程中，可以根据实际需要进行尺寸的适应性改变或者重新设置相应的尺寸。
本实施例中，该纸基微流体芯片的制备过程如下：
(1)在滤纸上用喷蜡打印机打印出疏水沟道11的图案，如图2所示，随后放入120℃的烘箱中约1min，使表面的蜡融化进入滤纸内部，即可制备得到纸基微流体芯片的疏水沟道；
(2)在制备得到疏水沟道的基础上加载药物，加载过程参见图4A-图4D所示。
在本公开的一些实施例中，第一通道14上设置有HRP标记抗体，检测区域18中设置有AFP捕获抗体，使用时，第一孔洞12滴加待测样品，第二孔洞13滴加底物；可选的，底物为H2O2和TMB的混合物。
在制备得到疏水沟道的基础上加载药物的过程包含如下步骤：
第一步，如图4A所示，将滤纸放在氧等离子体下处理，处理时间比如4min左右，使表面修饰有醛基，用于钉扎后续加上的抗体。
第二步，如图4B所示，图中以形如“Y”的标记示意第一药物(这里为AFP捕获抗体)，在检测区域加载第一药物，本实施例中，第一药物为AFP捕获抗体，并等待比如30min，使抗体可以充分钉扎在滤纸上，随后用PBS缓冲液冲洗，在检测区域设置AFP捕获抗体的步骤完成。
第三步，如图4C所示，将整个滤纸用BSA溶液浸泡15min，将第一步中引入的醛基去除，随后用PBS缓冲液冲洗并晾干。
第四步，如图4D所示，图中以形如“Y”的标记示意第二药物(这里为HRP标记抗体)，将第二药物加载到第一通道中，本实施例中，第二药物为HRP标记抗体，在进行检测时，同时在第一孔洞和第二孔洞对应滴加检测样品和底物，即第一孔洞滴加检测样品，第二孔洞滴加底物，本实例中，该底物为H2O2和TMB的混合物。
下面结合附图来介绍自驱动型电润湿阀门2实现自驱动、纸基微流体芯片以及免疫检测器件实现免疫检测的工作原理。
参照图1所示，本实施例中，自驱动型电润湿阀门2实现自驱动的工作原理如下：当摩擦纳米发电机无输出时，由于表面张力的作用，待通过液滴22处于屏障层21的上方。当有外力按压摩擦发电机时，或者其他外界加载方式：包括弯曲、扭转等，外部机械能转化为摩擦发电机的电能的方式均在保护范围之内，屏障层21和电极23之间就有了电压，在电润湿的作用下待通过液滴22和屏障层21之间的表面张力会减小，待通过液滴22会在屏障层21的表面铺展，并进入屏障层21的对应孔洞内，由于摩擦纳米发电机的输出(电压输出)足够的大，使待通过液滴22可以充分的进入到屏障层21的孔洞中并与紧贴在屏障层21下方的纸基微流体芯片1相接触，此时在毛细力的作用下，待通过液滴22即可自发的被纸基微流体芯片1吸走，在纸基微流体芯片1上完成后续的检测过程。经过实验测量，图1中所示的两滴液滴在自驱动电润湿阀门的作用下，可以同时的被加载到纸基微流体芯片1上。
参照图2所示，本实施例中，纸基微流体芯片以及免疫检测器件实现免疫检测的工作原理如下：纸基微流体芯片实现药物搭载的情况如图4D所示，在第一通道14上设置有HRP标记抗体，检测区域18中设置有AFP捕获抗体，工作时分别在第一孔洞12滴加待测样品，第二孔洞13滴加底物，保证二者的滴加同时进行，现假设待测样品中含有肝癌标志物AFP抗原，当同时滴入待测样品和底物后，二者分别沿着第一通道14和第二通道15向前流动，待测样品会和第一通道14(非延时通道)上加载的HRP标记抗体相遇，待测样品中含有的肝癌标志物AFP抗原会和HRP标记抗体结合，并随着液流继续向前流动，由于第二通道15中设置有多个障碍物16，所以在第二通道15径向上流动相同的距离将要比在第一通道14上花费更多的时间，因此待测样品先流入合流通道17中的检测区域18，底物延迟一定的时间后流入合流通道17中的检测区域18，待测样品流入检测区域，AFP抗原和HRP标记抗体被检测区域18的捕获抗体捕获，延迟一定的时间例如60s后底物(H2O2和TMB的混合物)流入检测区域18，与带有HRP标记抗体的检测物相遇，发生如下反应：
Figure GDA0003432564490000091
对应在检测区域显现出蓝色。而如果待测样品中不含有AFP抗原，则在底物到达检测区域18时，检测区域18中将没有HRP标记抗体，也不会有变色反应发生，因此利用变色情况便能实现对于检测样品中是否含有肝癌标志物AFP抗原的检测，具有检测快捷、方便、且准确有效的优点。在整个过程中，为了精准的控制反应时间，需保证待测样品和底物同时被加载。
综上所述，本公开提供了一种自驱动型电润湿阀门、纸基微流体芯片及免疫检测器件，通过结合电润湿技术和摩擦发电技术，将摩擦纳米发电机与屏障层进行集成形成自驱动型电润湿阀门，利用摩擦纳米发电机的高电压、低电流的电性输出特点，直接将摩擦纳米发电机的输出用于屏障层上方待通过液滴的电润湿驱动，无需传统的直流或交流的电源驱动和复杂的管理电路，电路结构简单、能耗低，同时具有自驱动的优点，并且两个待通过液滴利用电极连接至摩擦纳米发电机的输出，能够实现同时滴落，对于免疫检测反应来说，能够实现反应时间的精准控制；更进一步，通过设置纸基微流体芯片的结构为两液滴通道结构，一个液滴通道为正常流通(非延时流通)，另一个液滴通道通过设置障碍物实现延时流通，两个通道汇聚于合流通道，在合流通道的检测区域可实现进行免疫反应的反应物和底物的反应与检测，具有检测快捷、方便、且准确有效的优点；免疫检测器件将纸基微流体芯片与自驱动型电润湿阀门集成，在纸基微流体芯片中的第一通道上设置HRP标记抗体，检测区域中设置AFP捕获抗体，使用时，第一孔洞滴加待测样品，第二孔洞滴加底物，通过观察检测区域是否有变蓝来判定检测区是否存在HRP标记抗体，进一步判定第一通道的待测样品中是否存在AFP抗原，实现对肝癌标志物AFP抗原的检测。
需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
为实现图面整洁的目的，一些习知惯用的结构与组件在附图可能会以简单示意的方式绘示之。另外，本案的附图中部分的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。依照本发明所公开的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应是可依据生产时的需求、产品本身的特性、及搭配本发明所公开的内容据以调整，于此进行声明。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纸基微流体芯片(1)，其特征在于，该纸基微流体芯片包含液滴滴加区域，在检测时，该液滴滴加区域上方的待通过液滴(22)位于一屏障层(21)的一侧，待通过液滴(22)接入至一电极(23)，该电极(23)连接至摩擦纳米发电机(25)的输出，该摩擦纳米发电机(25)的输出电压加载于所述电极(23)以驱动待通过液滴(22)在屏障层(21)上铺展并通过该屏障层(21)，滴落至所述液滴滴加区域，实现自驱动电润湿；
其中，所述纸基微流体芯片包含一疏水沟道(11)围成的一体化区域，该一体化区域中包括：
第一孔洞(12)，为一液滴滴加区域；
第一通道(14)，与所述第一孔洞(12)连接；
第二孔洞(13)，为另一液滴滴加区域；
第二通道(15)，与所述第二孔洞(13)连接，该第二通道(15)上设置有障碍物(16)；以及
合流通道(17)，所述第一通道(14)与第二通道(15)汇聚于该合流通道(17)，该合流通道(17)中包含检测区域(18)。
2.根据权利要求1所述的纸基微流体芯片，其特征在于，所述第一通道(14)上设置有HRP标记抗体，所述检测区域(18)中设置有AFP捕获抗体，使用时，所述第一孔洞(12)滴加待测样品，所述第二孔洞(13)滴加底物。
3.根据权利要求2所述的纸基微流体芯片，其特征在于，所述底物为H2O2和TMB的混合物。
4.根据权利要求1所述的纸基微流体芯片，其特征在于，所述第一孔洞(12)和第二孔洞(13)上方的待通过液滴(22)同时滴加。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的纸基微流体芯片，其特征在于，所述第一孔洞(12)和第二孔洞(13)上方的待通过液滴(22)以串联的方式通过所述电极(23)连接至摩擦纳米发电机(25)的输出。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的纸基微流体芯片，其特征在于，
所述屏障层(21)为镀有聚对二甲苯的金属网；所述金属网的材料包括如下材料的一种或几种：不锈钢、铜、以及铝。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的纸基微流体芯片，其特征在于，所述摩擦纳米发电机(25)的结构包括如下结构中的一种或几种：接触-分离式结构、单电极式结构、水平滑动式结构、以及独立层式结构。
8.一种免疫检测器件，包括权利要求1至7中任一项所述的纸基微流体芯片(1)。
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