CN114055772A

CN114055772A - 一种3d打印可组装纸基微流控芯片的制作方法

Info

Publication number: CN114055772A
Application number: CN202111155187.9A
Authority: CN
Inventors: 刘爱林; 刘萌萌; 杨元杰; 刘辉; 雷云
Original assignee: Fujian Medical University
Current assignee: Fujian Medical University
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: CN114055772B

Abstract

本发明公开了一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法。基于纸基微流控芯片低成本、便携化、易集成的特性，与智能手机移动终端相结合，建立了可定量即时检测过氧化氢的新技术，实现了对医用过氧化氢消毒剂的即时检测。本发明使用智能手机拍照并利用Image J软件进行数据分析，实现简单便捷的过氧化氢即时检测，为制造多功能便携式即时检测平台提供新技术。

Description

一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法

技术领域

本发明属于工程和生物传感技术领域，更具体地，涉及一种3D打印可组装纸基微流控芯片及其制作方法。

背景技术

过氧化氢也叫作双氧水，是一种强氧化剂，极易溶于水，在医疗、军工、化工领域皆有广泛应用。同时，以过氧化氢为主的活性氧是人体内重要的信号分子，对维持体内细胞氧化还原平衡具有重要意义。因此，能够对过氧化氢进行快速、便捷的检测具有十分重要的现实意义。

纸基微流控芯片是一种快速检测的分析平台，具备价格低廉、操作简单、生物相容性良好、可适配各种设备等优势。同时，纸基本身的毛细作用能够作为芯片流体运输、混合、分离的原始驱动力，使纸基微流控芯片成为现代微纳分析领域的重要分支。纸基微流控芯片的制作方法多种多样，目前比较成熟的有：喷墨打印法、蜡印法、绘图法、柔印法、切纸法及浸透法等。然而，上述方法或制作成本昂贵、或操作过程复杂、或微通道建造不够精密，并且都无法设计制造出真正具有复杂结构的纸基微流控芯片。因此，研究者们把目光瞄向了新型的3D打印技术。3D 打印技术成本低，周期短，操作便捷，灵活性强，可制造传统纸芯片工艺所不具备的复杂结构。

根据上述研究，本课题组开发了一种基于3D打印技术的可组装纸基微流控芯片，并成功将其用于过氧化氢的即时检测。该纸基微流控芯片的制作过程是将滤纸固定在FDM型3D打印机打印平台之上，使各式模块化的组件能够通过物理作用牢牢黏附于滤纸上。打印完成后，裁去多余之处，完成制造。功能化模块在统一的母版上进行组装，能够形成相对密闭的纸基微通道，同时还大大缩小了整体装置的尺寸。即使非专业人员也可根据需求灵活组装模块，拼接不同构型的纸基装置，通过移动终端便可实现快速便捷的分析检测。该可组装纸基微流控芯片具备更加多样化的功能，能够减轻操作人员的负担，提高分析工作效率，在即时检测领域具有广阔的市场化前景。

本发明基于纸基微流控芯片价格低廉、操作简单、生物相容性良好、可适配各种设备的优势，利用3D打印机打印各式配件，利用HRP-TMB-H₂O₂显色体系，结合智能手机，实现了过氧化氢的即时检测。

发明内容

1.本发明的目的是提供一种3D打印可组装纸基微流控芯片及其制作方法。

本发明的目的是这样实现的，一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）纸基微流控芯片的组装：组装时纸基功能化芯片模块与母板紧密接触；各个纸基功能化芯片模块之间要紧密贴合，以保证样品试样快速连贯流动运输；最后组装成“T”型微流控芯片，并用于过氧化氢即时检测；（2）过氧化氢的即时检测：在步骤（1）组装成的“T”型微流控芯片的第一进样口滴加 16 mmol/L TMB，在“T”型微流控芯片的第二进样口滴加过氧化氢，第一进样口滴加的 16 mmol/L TMB与第二进样口滴加的过氧化氢在“T”型微流控芯片的“T”型通道混合，流向“T”型微流控芯片的检测区，与检测区中的HRP反应 8 min 后显蓝色；以智能手机闪光灯为固定光源，后置摄像头为拍照元件，ImageJ为数据处理软件，对所得数据进行分析处理。

所述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，利用光固化型3D打印机制作母板，利用熔融沉积型3D打印机制作纸基功能化芯片模块，通过对各纸基功能化芯片模块的灵活组装，能拼接直线型、十字型、“T”型或“Y”型不同构型的纸基芯片模块装置。

本发明上述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，为了保证数据获得的稳定性，利用熔融沉积型3D打印机定制了一个检测区部件用于智能手机拍照获取数据，该检测区部件以软弹性3D打印材料Rubber制备而成。

本发明上述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法用于过氧化氢的即时检测，其特征在于，辣根过氧化物酶-3,3’,5,5’-四甲基联苯胺盐酸盐-过氧化氢（HRP-TMB-H₂O₂）显色体系被用于过氧化氢的检测：设空白组灰度值为G₀，其他组灰度值为G_n，则每组的灰度变化值为△G=G₀-G_n；作△G随H₂O₂浓度变化的标准曲线，在100 μmol/L~10 mmol/L范围内，△G与logC_H2O2呈良好的线性关系，线性方程为ΔG = 21.8658logC - 39.1085，R²= 0.9985。

2. 本发明所述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片及其制作方法以纸基功能化芯片模块构建微通道，能够实现多种构型通道的直接拼接和快速集成。

3. 本发明所述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片及其制作方法的过氧化氢即时检测包括过氧化氢标准曲线的绘制以及对市售的3 %过氧化氢消毒剂中过氧化氢的定量检测。

4. 本发明所述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片及其制作方法，依序包括以下步骤：

（1）3D可组装纸基微流控芯片的设计与制作：

1）母板的制作

利用123D Design软件构建芯片三维结构，输出为stl格式；用Preform软件将芯片3D模型进行分层切片，选择材料为clear V4（FLGPC04）；设置打印层厚为0.025 mm；调整芯片角度: X、Y、Z轴各倾斜45°。添加支撑，须确保支撑不落在微通道芯片和底片表面；将计算机和光固化3D打印机连接，把切片完成的stl格式三维结构图导入Form2 3D打印机。启动打印机，调平，开启树脂盒，待树脂自动流进树脂槽后，在操作界面选择需要的打印模型，待树脂槽温度升到31 ℃后，打印机开始工作；打印完成，揭开打印机盖子，取下构建平台，撬下芯片，将其放入清洗盒。芯片先浸没于无水异丙醇的清洗盒中，振摇洗涤20-30 min，然后放入无水乙醇的清洗盒中浸泡5min，晾干备用。母版为具有交叉网格通道的正方形芯片，尺寸为60 mm×60 mm×5 mm，用于放置功能化模块。

2）纸基功能化芯片模块的制作

将设计好的模型上传至Da Vinvi 1.0 Pro 3D打印机；调整平台与喷嘴之间的距离，在平台上贴一张Whatman 3MM 色谱纸，调平，使喷头和色谱纸之间只有一张A4纸厚度的距离；点击“打印”，打印完成的模型会牢固地黏在滤纸上；沿模型轮廓将多余的滤纸裁剪去，即可得纸基功能化芯片模块。功能化模块为带有纸基载体的芯片，高度为5 mm，可组装在母版的网格通道上，组装后整体高度为8 mm，具有进样、流体运输、混合、储液等功能。

3）检测区部件的制作

检测区部件为配合以上分析装置进行可视化检测的3D打印模型，分为移动载体和信号收集部件，皆由柔性Rubber打印而成，使之能够装载纸基功能化圆形模块，并用于智能手机收集数据信息。移动载体是将显色的纸基圆形模块放置于凹槽中，然后装载到信号收集部件，上方为放置智能手机的信号采集区，下方5个显色区可使移动载体放在5个不同垂直高度的位置，以获取最佳拍摄距离。为有效防止外界光源的干扰，信号收集过程中用锡纸将其包裹。

（2）3D打印可组装纸基微流控芯片用于过氧化氢的即时检测：

组装纸基微流控芯片，将显色检测区浸泡5U HRP溶液中预处理, 并于37 ℃恒温培养箱孵育10 min；组装上“T”形通道，并在两个进样口分别滴加50 μL 16 mmol/L TMB和不同浓度H₂O₂；通过“T”形通道将显色试剂TMB与待测样品H₂O₂输送到检测区，并在检测区反应8 min后，将显色检测区芯片模块拆下用氮气吹干，置于移动载体上，将载体移至检测部件最下方的卡槽上。智能手机组装在信号收集部件上方，整个装置包裹锡纸以排除外界光源干扰。开启手机闪光灯，将光圈调至最暗以减少杂散光的影响，对焦显色检测区后，拍照。以市售标准过氧化氢配制不同的浓度用装置进行检测绘制标准曲线。以市售3 %过氧化氢消毒剂为实际样品，将其稀释1000倍后进行比色分析并带入曲线进行浓度测定，并与经典的高锰酸钾滴定法进行比较。

本发明优点：

本发明基于纸基微流控芯片价格低廉、操作简单、生物相容性良好、可适配各种设备的优势，利用3D打印机打印可组装式配件，利用辣根过氧化物酶-3,3’,5,5’-四甲基联苯胺盐酸盐-过氧化氢（HRP-TMB-H₂O₂）显色体系，结合智能手机，实现了过氧化氢的即时检测。由于功能化模块在统一的母版上进行组装，能够形成相对密闭的纸基微通道，同时还大大缩小了整体装置的尺寸。即使非专业人员也可根据需求灵活组装模块，拼接不同构型的纸基装置，通过移动终端便可实现快速便捷的分析检测。该可组装纸基微流控芯片具备更加多样化的功能，能够减轻操作人员的负担，提高分析工作效率，在即时检测领域具有广阔的商业化前景。

附图说明

图1为D打印可组装纸基微流控芯片的各部件分布结构图。（图中：1：母板；2：纸基功能化芯片模块；3：凹槽；4：手机检测区部件；5：信号采集区；6：显色区）；

图2为不同模式组装的芯片比较示意图。（图中：A：直线型通道；B：十字型通道；C：Y型通道；D：T型通道）；

图3智能手机检测H₂O₂过程示意图。（图中：7：第一进样口；8：第二进样口；9：检测区）；

图4为梯度浓度过氧化氢的标准曲线和比色灰度图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及效果更加清晰，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片及其制作方法结构图：基于纸基微流控芯片价格低廉、操作简单、生物相容性良好、可适配各种设备的优势，利用光固化型3D打印机制作母板1，利用熔融沉积型3D打印机制作纸基功能化模块2，凹槽3和手机检测部件4，通过对各纸基功能化模块2的灵活组装，可拼接直线型、十字型、Y型和T型等不同构型的纸基微流控芯片。利用纸基本身的毛细作用能够作为芯片流体运输、混合、分离的原始驱动力，在第一进样口7滴加 16 mmol/L TMB，在第二进样口8滴加过氧化氢，二者在“T” 型通道混合，流向检测区，与HRP反应 8 min 后显蓝色。以荣耀七智能手机闪光灯为固定光源，后置摄像头为拍照元件，Image J为数据处理软件，对所得数据进行分析处理，进而实现对过氧化氢的即时检测。

实施例1：

为了避免外界环境的干扰，构建密闭通道，组装时应使纸基功能化模块与母板紧密接触。同理，各个纸基功能化模块之间也要紧密贴合，以保证流体能够快速运输。根据此项原则，组装了多种经典通道样式的纸基微流控芯片，以证明其可构建多种检测分析模式。

如图2所示，母板1和纸基功能化模块2可灵活组装，拼接成不同模式的混合通道，如直线型通道，十字交叉型通道，Y型通道以及T型通道。

实施例2:

一种3D打印可组装纸基微流控芯片及其制作方法对过氧化氢即时检测的线性关系绘制步骤如下：

如图3所示，搭建好装置，将检测区9浸泡于5U HRP溶液中预处理, 并于37 ℃恒温培养箱孵育10 min，在第一进样口7滴加16 mmol/L TMB，在第二进样口8分别滴加0 μmol/L、100 μmol/L、500 μmol/L、1 mmol/L、5 mmol/L和10 mmol/L的过氧化氢，二者在“T”型通道混合，流向检测区9，与HRP反应8 min后显蓝色，将检测区9模块拆下用氮气吹干，置于凹槽3上，将凹槽3移至检测部件最下方的卡槽上。智能手机组装在信号采集区5上方，整个装置包裹锡纸以排除外界光源干扰。开启手机闪光灯，将光圈调至最暗以减少杂散光的影响，对焦显色区6后拍照。最后用Image J分析检测区的平均灰度值，绘制H₂O₂浓度与灰度值的标准曲线。

如图4所示，H₂O₂溶液的浓度越高，显色便越深，通过肉眼观察可实现半定量检测。利用Image J处理智能手机采集的数据，以不含H₂O₂溶液组为空白组，该组灰度值为G₀，其他组的为Gn，则每组的灰度变化值为△G = G₀- G_n。作△G随H₂O₂浓度变化的标准曲线，曲线方程为△G = 92.0866 + 21.87logC，R²= 0.9985，实现定量检测，说明该纸基微流控芯片在100 μmol/L~10 mmol/L范围内能够准确检测H₂O₂浓度。

实施例3:

一种3D打印可组装纸基微流控芯片及其制作方法对市售3%过氧化氢消毒剂中过氧化氢的检测步骤如下：

按照实施例2所述方法，将市售3 %过氧化氢消毒剂稀释1000倍后在T型纸芯片进行定量检测，并与经典的高锰酸钾滴定法进行比较。

如表1所示，二种检测方法的差异较小，含量都在2.50 %-3.50 %，均能证明该过氧化氢消毒剂的含量符合中国药典标准。如表2所示，在加标回收实验中，该装置的加标回收率在93.26 %-103.06 %之间，说明本发明即时检测过氧化氢的准确度高。

表1为过氧化氢消毒剂含量的比色检测与高锰酸钾滴定法的比较

表2为过氧化氢消毒剂的加标回收实验结果

Claims

1.一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）纸基微流控芯片的组装：组装时纸基功能化芯片模块与母板紧密接触；各个纸基功能化芯片模块之间要紧密贴合，以保证样品试样快速连贯流动运输；最后组装成“T”型微流控芯片，并用于过氧化氢即时检测；（2）过氧化氢的即时检测：在步骤（1）组装成的“T”型微流控芯片的第一进样口滴加 16 mmol/L TMB，在“T”型微流控芯片的第二进样口滴加过氧化氢，第一进样口滴加的 16 mmol/L TMB与第二进样口滴加的过氧化氢在“T”型微流控芯片的“T”型通道混合，流向“T”型微流控芯片的检测区，与检测区中的HRP反应 8 min 后显蓝色；以智能手机闪光灯为固定光源，后置摄像头为拍照元件，Image J为数据处理软件，对所得数据进行分析处理。

2.如权利要求1所述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，利用光固化型3D打印机制作母板，利用熔融沉积型3D打印机制作纸基功能化芯片模块，通过对各纸基功能化芯片模块的灵活组装，能拼接直线型、十字型、“T”型或“Y”型不同构型的纸基芯片模块装置。

3.如权利要求1-2任一所述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，为了保证数据获得的稳定性，利用熔融沉积型3D打印机定制了一个检测区部件用于智能手机拍照获取数据，该检测区部件以软弹性3D打印材料Rubber制备而成。

4.如权利要求1-3任一所述的一种3D打印可组装纸基微流控芯片的制作方法用于过氧化氢的即时检测，其特征在于，辣根过氧化物酶-3,3’,5,5’-四甲基联苯胺盐酸盐-过氧化氢（HRP-TMB-H₂O₂）显色体系被用于过氧化氢的检测：设空白组灰度值为G₀，其他组灰度值为G_n，则每组的灰度变化值为△G=G₀-G_n；作△G随H₂O₂浓度变化的标准曲线，在100 μmol/L~10mmol/L 范围内，△G与logC_H2O2呈良好的线性关系，线性方程为ΔG = 21.8658logC -39.1085，R²= 0.9985。