CN117233395A - 基于液体单向整流的快速诊断芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于液体单向整流的快速诊断芯片及其制造方法方法，涉及诊断芯片技术领域，其技术方案要点是：包括四方通道，所述四方通道的下壁面为图案化整流表面，所述图案可以为心形和三角形双层嵌套结构阵列、U形结构阵列、猪笼草口喙状结构阵列或者蚂蚁口器状阵列等一切具备液体整流功能的结构；所述四方通道的上壁面和两个侧壁面均为光滑壁面；整流表面具备非对称浸润性，且光滑壁面呈疏水性。该诊断芯片可以实现流体通道内单向输运功能，能够将含有待分析物的微流体完全运输至目标区域，同时，该芯片使流体充分驱动至检测区域，无试纸条上对分析物的过滤和吸附现象，且避免了试纸条暴露于环境中易受污染的缺陷，可实现更高灵敏度检测。
Description
技术领域
本发明涉及诊断芯片技术领域，更具体地说，它涉及基于液体单向整流的快速诊断芯片及其制造方法。
背景技术
医学和生化快速检测广泛采用胶体金标试纸条进行检测，胶体金试纸条如图1所示，主要由样品垫，金垫，硝酸纤维素膜(NC膜)和吸水垫四个部分，依次首尾互相街接，粘贴在PVC底板上。NC膜上固定有抗体作为检测线，金垫上吸附有胶体金标试剂。胶体金(Colloidal gold)指通过静电作用分散在液体中的纳米金颗粒悬浮液。其粒径位于1-100nm之间，形状呈球形或椭球型。其表面可通过静电作用或者共价键途径，进行免疫球蛋白、核酸等生化修饰。经生化修饰后的胶体金又称为金标。
胶体金标试纸条检测是由毛细力驱动，当待测液体流经不同功能区域后发生生化反应。具体而言，当流体滴加在样品垫上后，由试纸条和吸水垫的毛细作用力驱动。当待检抗原加到试纸条一端的样本垫上后，样本通过毛细作用向前移动，溶解结合垫上的胶体金标记试剂后相互反应，再移动至固定的抗原或抗体的区域时，待检物和金标试剂的结合物又与之发生特异性结合而被截留，聚集在检测带上，可通过肉眼观察到显色结果。
但是采用胶体金试纸条检测存在的问题是：
1、不具备流体单向流动的功能，流体流动缓慢；
2、不具备多步反应可控性，流体一次流过试纸条，无法分步传输；
3、流体试纸条内渗透流动，被检测样品易于被过滤和吸附在试纸条内，无法到达检测区域，出现假阴性；
4、试纸条上流体暴露在空气中，易受污染出现假阳性；
5、检测灵敏度低。
发明内容
本发明的目的是提供基于液体单向整流的快速诊断芯片及其制造方法，该芯片解决了背景技术中提到的技术问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：基于液体单向整流的快速诊断芯片，包括四方通道，所述四方通道的下壁面为图案化整流表面；所述四方通道的上壁面和两个侧壁面均为光滑壁面。
进一步的，所述图案化整流表面，包括多个互相嵌套排布的图案单元；所述图案单元为具备液体整流功能的结构。
进一步的，所述图案单元为心形和三角形双层嵌套结构阵列、U形结构阵列、猪笼草口喙状结构阵列或者蚂蚁口器状阵列中的其中一种或多种结构。
进一步的，所述心形和三角形双层嵌套结构阵列包括上层心形和下层三角形；所述图案单元的心形尖端位置与三角形的圆部位置连通。
进一步的，所述四方通道的下壁面为亲水面，流体静态接触角小于30°。
进一步的，所述四方通道的上壁面和两个侧面均为疏水面，流体静态接触角均大于60°。
进一步的，所述四方通道由透明材质制成。
进一步的，所述四方通道内特定区域表面修饰有生化分子。
本发明还提供了一种基于液体单向整流的快速诊断芯片的制造方法，具体包括以下步骤：
S1：制造整流壁面的互补模具；
S2：在互补模具上采用透明材料PDMS通过软光刻方法模塑，获得PDMS下壁面；
S3：对PDMS下壁面进行亲水化处理和生化分子修饰；
S4：制造半封闭通道；
S5：在透明材料PDMS上通过软光刻方法模塑，获得PDMS半封闭通道；
S6：在半封闭通道上打孔生成进样口和出样口；
S7：芯片键合。
进一步的，制造整流壁面和半封闭通道采用光刻加工技术或者三维打印方法实现。
进一步的，所述S3中对PDMS下壁面亲水化处理和生化分子修饰的具体方法是：
S3-1：利用氧气等离子体处理PDMS下壁面1min使之活化；
S3-2：利用微接触印刷法，将IgG抗体和二抗预先装载在印刷模板上，并使之与PDMS下壁面接触反应5分钟，IgG抗体和二抗分别固定在检测线和控制线；
S3-3：将PDMS下壁面浸泡在亲水性高分子溶液中30min，使得下壁面其余部位修饰有亲水单分子层；
S3-4：将金标IgG二抗装载在印刷模板上，并使之与PDMS下壁面接触并吸附在标记区。
进一步的，芯片键合的具体方法是：
S7-1：在玻璃表面旋涂薄层PDMS预聚液，典型厚度小于1μm；
S7-2：将半封闭通道贴合在玻璃表面使得PDMS预聚液完全浸润键合面；
S7-3：从玻璃上取下半封闭通道，贴合在下壁面上，形成封闭通道；
S7-4：将封闭通道加热使得预聚液固化，形成完整的通道芯片综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、将亲水整流壁面和疏水光滑壁面键合形成封闭四方通道，这样可以实现流体通道内单向输运功能，能够将微流体完全运输至目标区域；
2、该诊断芯片能够实现流体分步骤输运，流体输入后可在区域一停留，待生化反应饱和后，继续输运至区域二反应，以此类推，实现多步反应；
3、该诊断芯片能够实现流体在通道内驱动流动，不受过滤和吸附因素干扰，从而降低检测结果假阴性和假阳性的发生概率；
4、该诊断芯片避免与外界直接接触，避免芯片和流体被污染，从而降低检测结果假阴性和假阳性的发生概率；
5、该诊断芯片可以使流体充分驱动至检测区域，无试纸条上滞留和吸附现象，实现更高灵敏度检测。
附图说明
图1是本发明背景技术中1中金标试纸条的结构示意图；
图2是本发明实施例1中快速诊断芯片的结构示意图；
图3是本发明实施例1中芯片上液体单向流动图片；
图4是本发明实施例3中芯片的透光率曲线图；
图5是本发明实施例1中芯片不同液体单向流动表征图；
图6是本发明实施例2中整流壁面的加工示意图；
图7是本发明实施例2中半封闭通道加工示意图；
图8是本发明实施例2中芯片键合示意图；
图9是本发明实施例3中快速诊断芯片示意图；
图10是本发明实施例1中芯片上对甲肽蛋白肿瘤标志物AFP检测结果图。
具体实施方式
以下结合附图2-10对本发明作进一步详细说明。
实施例1：基于液体单向整流的快速诊断芯片，包括四方通道，四方通道的下壁面称整流壁面，下壁面和两个侧壁面构成一个半封闭通道，四方通道的下壁面为图案化整流表面，具备液体整流功能，图案化整流表面包括多个互相嵌套排布的图案单元；图案单元结构为两层，图案单元结构的上层尖端位置与下层圆部位置连通；四方通道的上壁面和两个侧壁面均为光滑壁面。
图案单元结构可以采用如心形和三角形凹坑嵌套、微沟槽内U型岛阵列结构，微沟槽内双倒檐U型岛阵列结构以及猪笼草口喙结构等，本实施例优选的，如图2中d所示，图案单元的上层和下层分别为心形和三角形；图案单元的心形尖端位置与三角形的圆部位置连通。
本实施例优选的，四方通道的下壁面经过亲水化处理，流体静态接触角小于30°；整流壁面上动态接触角呈现不对称性，在钉扎一侧为24.3°，在吸吮攀爬一侧为10.3°，从而为流体持续攀爬提供动力；流体位于整流壁面上时，将在心形尖部钉扎无法向左流动，而流体在心形单元圆部将被所嵌套的下一个单元尖部吸吮，持续往右侧流动；四方通道的上壁面和两个侧面均为疏水面，流体静态接触角为101.2°。如图3所示，流体滴加在通道入口后，左侧钉扎，右侧持续攀爬，从而实现单向流动。
芯片基材可以为橡胶、塑料、玻璃等透明材质，本实施例优选以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基材，如图4所示，芯片透光率可高达87％。
如图5所示，该芯片通道对不同液体都具有良好的单向输运功能，如水、乙醇、细胞培养液、聚酰胺酸、磷酸缓冲液及汗液等。
本实施例利用诊断芯片对肿瘤标志物甲胎蛋白AFP检测：其检测基本原理是利用双抗体夹心法来检测分析物中是否含有特异性抗原；检测时，抗原先和标记区域的胶体金标记特异性第一抗体结合形成胶体金标记的抗原-抗体复合物；在流体带动下，胶体金标记的抗原抗体复合物沿通道向前泳动，到达检测线时，胶体金标记的抗原-抗体复合物会与固定在检测线的第二抗体结合，形成胶体金标记的抗体-抗原-抗体的复合物，从而富集在检测线上，形成显色沉淀线；未结合抗原的胶体金标记的第一抗体则不被捕获，继续流动通过检测线，在控制区被第一抗体的二抗体捕获显色；通过读取检测区域光强，与标准曲线对比获得检测液中的AFP浓度，本芯片检出线可达24.5ng/mL。
实施例2：基于液体单向整流的快速诊断芯片的制造方法，具体步骤是：
S1：如图6所示，采用三维打印技术，按照结构设计打印通道的整流壁；
S2：在透明材料PDMS上通过软光刻方法模塑，获得PDMS下壁面；
S3：对PDMS下壁面做亲水性修饰处理，具体方法是：
S3-1：利用表面等离子体处理1min；
S3-2：用亲水性高分子如聚乙二醇、聚乙烯醇等溶液浸泡处理10min；
S4：如图7所示，采用三维打印技术，按照结构设计打印半封闭通道模具；
S5：在透明材料PDMS上通过软光刻方法模塑，获得PDMS半封闭通道；
S6：在预先设计的位置，在半封闭通道上打孔生成进样口和出样口；
S7：如图8所示，采用以下步骤键合整流壁面和半封闭通道：
S7-1：在玻璃表面旋涂薄层PDMS预聚液；
S7-2：将半封闭通道贴合在玻璃表面使得PDMS预聚液完全浸润键合面；
S7-3：从玻璃上取下半封闭通道，贴合在下壁面上，形成封闭通道；
S7-4：将贴合的封闭通道一起加热使得预聚液固化，形成完整的通道芯片。
实施例3：表面生物功能化的芯片制造方法，该方法与实施例2的区别在于对PDMS下壁面处理方式不同，该方法是对PDMS下壁面做表面生物功能化处理，如图4所示，主要包括金标IgG二抗标记区域和IgG抗体捕获检测区域，具体方法是：
S3-1：利用表面等离子体处理PDMS下壁面1min；
S3-2：利用微接触印刷法，将IgG抗体和二抗预先装载在印刷模板上，并使之与PDMS下壁面接触反应5分钟，IgG抗体和二抗分别固定在检测线和控制线；
S3-3：将PDMS下壁面浸泡在亲水性高分子溶液中30min，使得下壁面其余部位修饰有亲水单分子层；
S3-4：将金标IgG二抗装载在印刷模板上，并使之与PDMS下壁面接触并吸附在标记区。
本实施例其余步骤与实施例2相同，最终获得如图9所示的生物功能化微通道芯片。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (12)
1.基于液体单向整流的快速诊断芯片，其特征是：包括四方通道，所述四方通道的下壁面为图案化整流表面；所述四方通道的上壁面和两个侧壁面均为光滑壁面。
2.根据权利要求1所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片，其特征是：所述图案化整流表面，包括多个阵列排布的图案单元；所述图案单元具备液体单向整流功能。
3.根据权利要求2所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片，其特征是：所述图案单元为心形和三角形双层嵌套结构阵列，所述图案单元的心形尖端位置与三角形的圆部位置嵌套连通。
4.根据权利要求2所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片，其特征是：所述图案单元为U形结构、猪笼草口喙状结构或者蚂蚁口器状结构。
5.根据权利要求1所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片，其特征是：所述四方通道的下壁面为亲水面，流体静态接触角小于30°。
6.根据权利要求1所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片，其特征是：所述四方通道的上壁面和两个侧面均为疏水面，流体静态接触角均大于60°。
7.根据权利要求1所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片，其特征是：所述四方通道由透明材质制成。
8.根据权利要求1所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片，其特征是：所述四方通道内特定区域表面修饰有生化分子。
9.根据权利要求1-8任意一个所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片的制造方法，其特征是：具体包括以下步骤：
S1：制造整流壁面的互补模具；
S2：在互补模具上采用透明材料PDMS通过软光刻方法模塑，获得PDMS下壁面；
S3：对PDMS下壁面进行亲水化处理和生化分子修饰；
S4：制造半封闭通道；
S5：在透明材料PDMS上通过软光刻方法模塑，获得PDMS半封闭通道；
S6：在半封闭通道上打孔生成进样口和出样口；
S7：芯片键合。
10.根据权利要求9所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片的制造方法，其特征是：制造整流壁面和半封闭通道均采用光刻加工技术或者三维打印方法实现。
11.根据权利要求9所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片的制造方法，其特征是：所述S3中对PDMS下壁面亲水化处理和生化分子修饰的具体方法是：
S3-1：利用氧气等离子体处理PDMS下壁面1min使之活化；
S3-2：利用微接触印刷法，将IgG抗体和二抗预先装载在印刷模板上，并使之与PDMS下壁面接触反应5分钟，IgG抗体和二抗分别固定在检测线和控制线；
S3-3：将PDMS下壁面浸泡在亲水性高分子溶液中30min，使得下壁面其余部位修饰有亲水单分子层；
S3-4：将金标IgG二抗装载在印刷模板上，并使之与PDMS下壁面接触并通过物理吸附固定在标记区。
12.根据权利要求9所述的基于液体单向整流的快速诊断芯片的制造方法，其特征是：芯片键合的具体方法是：
S7-1：在玻璃表面旋涂薄层PDMS预聚液，典型厚度小于1μm；
S7-2：将半封闭通道贴合在玻璃表面使得PDMS预聚液完全浸润键合面；
S7-3：从玻璃上取下半封闭通道，贴合在下壁面上，形成封闭通道；
S7-4：将封闭通道加热使得预聚液固化，形成完整的通道芯片。
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