CN207576439U - 多功能检测纸芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多功能检测纸芯片，其包括纸质基材，所述基材上分布有电源区域、检测区域和导电回路区域，所述电源区域、检测区域及导电回路区域内分别集成设置有自驱动电源、检测功能模块及导电回路等，所述检测功能模块至少用于对至少一种目标物质进行检测并输出检测信息，所述导电回路至少用于将所述检测功能模块与自驱动电源电连接形成工作回路。本实用新型的多功能检测纸芯片具有生物兼容性好，成本低，柔性可穿戴、加工简单等优点，利于实现小型化、检测项目多样化，且在使用时无需外部设备及辅助操作，能够实现自动化的实时检测，且灵敏度、准确度和检测效率高，可以广泛应用于生化领域的POCT快速检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多功能的检测纸芯片，特别涉及一种基于微流控纸芯片的可穿戴式的多功能检测纸芯片。
背景技术
POCT(point ofcare testing)作为一种快速检测分析手段具有快速简便，效率高，成本低，有检测周期短、标本用量少等优点。POCT不需要专业的临床检验师操作以及大型大型仪器设备的检测，避免了数据处理及传输等大量繁琐的过程。POCT可以直接、快速地得到可靠的结果，能在病床旁、病房或疾病诊断中心之外的其他地方展开。随着化学、酶、酶免疫、免疫层析、免疫标记、电极、色谱、光谱、生物传感器及光电分析等技术在POCT中的应用，使医学检验在临床和社区医疗中发挥重要的作用。微流控纸芯片作为POCT常用的检测载体，通常属于离线式的，检测样品单一化，检测结果的获取常常还需要借助一定的平台(掌上设备或便携式仪器)才能实现，因而无法实现真正意义上的实时快速检测。
发明内容
本实用新型的主要目的在于提供一种多功能检测纸芯片，以克服现有技术的不足。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
本实用新型实施例提供了一种多功能检测纸芯片,其包括纸质基材，所述基材上分布有电源区域、检测区域和导电回路区域，所述电源区域、检测区域及导电回路区域内分别集成设置有自驱动电源、检测功能模块及具有设定图形结构的导电回路，所述检测功能模块至少用于对至少一种目标物质进行检测并输出检测信息，所述导电回路至少用于将所述检测功能模块与自驱动电源电连接而形成工作回路。
进一步的，所述基材上分布有亲水区域和疏水区域，所述亲水区域被疏水区域围绕，所述导电回路区域分布于所述亲水区域内，且具有设定的图形结构。
进一步的，所述基材选自柔性可弯折的纸质基材。
进一步的，所述检测功能模块包括通过所述导电回路依次电连接的化学和/或生物传感器、信号采集装置、信号处理装置和信号输出装置等。
进一步的，所述导电回路的材质包括导电高分子。
进一步的，所述自驱动电源包括制作于所述电源区域的一个或两个以上原电池。
本实用新型还提供了一种制备所述多功能检测纸芯片的方法，其包括：
通过物理和/或化学制作方式在纸质基材的导电回路区域内制作形成具有设定图形结构的导电回路；
在纸质基材的电源区域制作自驱动电源；
在纸质基材的检测区域设置检测功能模块，并使所述检测功能模块与自驱动电源经所述导电回路电连接而形成工作回路。
进一步的，所述的物理和/或化学制作方式包括紫外光刻、等离子处理、喷墨刻蚀、蜡印、喷墨打印、丝网印刷、柔印和激光刻蚀方式中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述的制备方法包括：将包含导电高分子单体和相应的聚合引发剂的反应液施加于所述导电回路区域，经聚合反应后，于所述导电回路区域形成主要由导电高分子组成的导电回路；或者，先将导电高分子单体溶液施加于所述导电回路区域，再将相应的聚合引发剂的溶液施加于所述导电回路区域，经聚合反应后，于所述导电回路区域形成主要由导电高分子组成的导电回路。
进一步的，所述的制备方法还包括：通过原电池制作技术在所述电源区域制作形成一个或两个以上原电池，作为所述自驱动电源。
本实用新型实施例还提供了所述的多功能检测纸芯片于生物、化学检测领域的用途。
本实用新型实施例还提供了所述的多功能检测纸芯片于制备可穿戴POCT检测设备中的用途。与现有技术相比，本实用新型的优点至少在于：
(1)本实用新型提供的多功能检测纸芯片选用纸作为基材，具有生物兼容性好，成本低，柔性可穿戴等优点，且利用导电高分子在原位聚合形成导电回路，加工更简单；
(2)本实用新型多功能检测纸芯片在使用时，无需外部设备(如手机、相机、便携检测装置等)及辅助操作(如信号获取、信号处理分析)，可以广泛应用于POCT实时快速检测；
(3)本实用新型多功能检测纸芯片原位集成了自驱动电源、化学及生物传感器、导电回路、信号采集装置、信号放大装置、信号处理装置、无线发射装置等电子元件，可以极大程度地实现分析系统自动化、小型化、检测项目多样化，特别是可以实现具有即时分析功能的可穿戴检测设备；
(4)本实用新型多功能检测纸芯片能够实现实时检测，且灵敏度、准确度和检测效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型一典型实施例中的一种多功能检测纸芯片的结构示意图；
图2a为本实用新型一典型实施例中的一种多功能检测纸芯片的电学性质图；
图2b为本实用新型一典型实施例提供的一种多功能检测纸芯片的电学性质图；
图3为本实用新型一典型实施例提供的一种多功能检测纸芯片的结构原理图，其中101 为电源，102、103、104、105、106、107、108均为电阻，109为稳压器，110为放大器，111为无线发射器，112为控制器，113为LED灯，114为参比电极，115为工作电极，116为对电极；
图4为应用本实用新型实施例2的多功能检测纸芯片进行金属离子实时定量检测的图谱；
图5为应用本实用新型实施例3提供的多功能检测纸芯片进行葡萄糖实时定量检测的图谱。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行具体、清楚、完整地描述。
请参阅图1所示，本实用新型实施例的一个方面提供的一种多功能检测纸芯片包括纸质基材1，所述基材上分布有电源区域2、检测区域3和导电回路区域4，所述电源区域、检测区域及导电回路区域内分别集成设置有自驱动电源5、检测功能模块6及具有设定图形结构的导电回路7，所述检测功能模块至少用于对至少一种目标物质进行检测并输出检测信息，所述导电回路至少用于将所述检测功能模块与自驱动电源电连接而形成工作回路。
进一步的，所述基材选自柔性可弯折的纸质基材，例如可以包括滤纸、纤维素膜、玻璃纤维膜、书写用纸和牛皮纸中的任意一种或两种以上的组合。此类纸质基材不仅价格远低于硅、玻璃、高聚物等，且还具有柔性、可穿戴、加工更简单、生物相容性好等优点。而且，此类纸质基材可以弯曲或折叠的特性还使所形成的纸芯片可以作为一种可穿戴设备。
进一步的，所述检测功能模块可以包括通过所述导电回路依次电连接的化学和/或生物传感器、信号采集装置、信号处理装置和信号输出装置等。其中，传感器部分可以对多种生物及化学待测组分进行电学信号的采集，而导电回路及其余电子元件构可以完成信号处理及分享，进而，通过前述的信号采集与处理就可以实现即时的定性及定量检测。
更进一步的，所述信号采集装置与信号处理装置之间还可设置有信号放大装置。
优选的，所述信号输出装置包括无线信号发射装置。相应的，所述多功能检测纸芯片亦可被命名为一种多功能无线集成式检测纸芯片。
优选的，所述化学和/或生物传感器包括酶电极生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、核酸传感器、微生物传感器和分子印记传感器中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步的，所述检测功能模块可以通过导电胶与从所述检测区域通过的导电回路的局部区域电性结合。
进一步的，所述导电回路的材质包括导电高分子，例如聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚噻吩、聚苯胺和聚对苯撑乙烯中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步的，所述自驱动电源包括制作于所述电源区域的一个或两个以上原电池。优选的，所述的两个以上原电池串联设置。
本实用新型实施例的另一个方面还提供了一种制作所述多功能检测纸芯片的方法，其包括：
通过物理和/或化学制作方式在纸质基材的导电回路区域内制作形成具有设定图形结构的导电回路；
在纸质基材的电源区域制作自驱动电源；
在纸质基材的检测区域设置检测功能模块，并使所述检测功能模块与自驱动电源经所述导电回路电连接而形成工作回路。
进一步的，所述的物理和/或化学制作方式包括紫外光刻、等离子处理、喷墨刻蚀、蜡印、喷墨打印、丝网印刷、柔印和激光刻蚀方式中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步的，所述的制备方法可以包括：将包含导电高分子单体和相应的聚合引发剂的反应液施加于所述导电回路区域，经聚合反应后，于所述导电回路区域形成主要由导电高分子组成的导电回路。
进一步的，所述的制备方法也可以包括：先将导电高分子单体溶液施加于所述导电回路区域，再将相应的聚合引发剂的溶液施加于所述导电回路区域，经聚合反应后，于所述导电回路区域形成主要由导电高分子组成的导电回路。
进一步的，在所述的制备方法中，所述纸芯片的制作分为亲水区域，疏水区域的构造。通过前述物理或化学方式形成具有特定结构的亲疏水相间的微通道。
更为具体的，所述的制备方法包括：对所述基材进行表面处理，从而与所述基材上形成亲水区域和疏水区域，并使所述亲水区域被疏水区域围绕，所述导电回路区域分布于所述亲水区域内，之后在所述导电回路区域内制作形成所述导电回路。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法可以包括：
将导电高分子单体分散在低的毒较易挥发的有机溶剂中(乙醇，丙酮，庚烷等)，然后加入到喷墨打印机的墨盒里，通过喷墨打印的方式，将这些单体化合物打印在上述的导电回路区域；
然后将聚合引发剂喷涂或打印在相应的导电回路区域，在合适的温度下进行聚合反应，从而形成所述导电回路。
在一些实施方案中，所述的制备方法还可以包括：通过导电胶将检测功能模块固定于所述检测区域内，并使所述检测功能模块与从所述检测区域通过的导电回路的局部区域电性结合。
例如，所述信号采集装置，信号放大装置，信号处理装置和无线发射装置等电子元件可以通过导电树脂胶固定在基材上的相应位置处，在连通电路后可以实时的检测检测区域的信号变化，并分析数据和获取分析结果。
所述的制备方法还包括：通过原电池制作技术在所述电源区域制作形成一个或两个以上原电池，作为所述自驱动电源。所述原电池制作技术可以是业界已知的原电池技术。
本实用新型实施例的另一个方面还提供了所述的多功能检测纸芯片于生物、化学检测领域的用途。
进一步的，所述的多功能检测纸芯片在应用于POCT快速检测时，可以实现的检测有血液系统检测(血红蛋白，血糖浓度)，感染性疾病检测(细菌，病毒，寄生虫及其他病原体感染检测)，泌尿系统检测(蛋白质，尿酸，葡萄糖，酮体等)，毒品类的检测(阿片类，大麻，苯丙胺类兴奋剂，可卡因，氯胺酮，苯环己哌啶，巴比妥类药物，三环类抗抑郁药物检测)等。
本实用新型实施例的另一个方面还提供了所述的多功能检测纸芯片于制备可穿戴POCT 检测设备中的用途。
在本实用新型的一些较为具体的实施案例中，一种多功能检测纸芯片的制作方法可以包括：
(1)设计制作多功能无线集成式检测纸芯片(即多功能检测纸芯片)；
(2)在集成式的纸芯片上设计自驱动电源，导电高分子回路，化学及生物传感器，导电回路，信号采集装置，信号放大装置，信号处理装置，无线发射装置等电子元件。
(3)多种待测组分的检测信号分析处理
在前述步骤(1)中，可以利用绘图软件(AutoCAD，Adobe illustrator)绘制出导电回路，而为了便于纸芯片加工，回路中最小线宽可以被设计为2mm。并还可利用喷蜡打印机等将导电回路结构，电子元件分布区域打印在A4定量中速滤纸上，然后在真空干燥箱中加热120℃、 1min。
在前述步骤(2)中，可以利用原电池(例如Al|AlCl3，1M||FeCl3，1M|C)提供电源(电压，1V)，例如在自驱动电源区域可以串联3组原电池并提供电源3V。以及，还可利用丝网印刷技术将三电极体系(工作电极(WE)-碳，准参比电极(RE)-银，对电极(CE)-碳) 印刷在检测区域，并负载(物理化学吸附法或电话学沉积法)相应的化学及生物传感器。利用喷墨打印机将1％-2％的吡咯乙醇溶液(V/V)精确地打印在纸芯片上的导电回路区域(相同条件重复10次)，然后将0.5M的FeCl3水溶液利用喷墨打印机打印在导电回路区域，待反应5min，然后重新将0.5M的FeCl3水溶液再次打印在导电回路区域，重复10次。利用导电树脂胶将电子元件(信号采集装置，信号放大装置，信号处理装置，无线发射装置等)固定在相应的检测区域。
进一步的，参阅图2a-图2b所示，在一更为具体的实施案例中，所述多功能的检测纸芯片包括纸质基材，该基材上有疏水区域(导电通道边界)和导电高分子导电回路。通过计算机辅助设计软件设计和绘制纸芯片的通道图形，通过喷蜡打印技术在基材表面制备设计好的通道图形。进而可以通过喷墨打印机将2％的吡咯乙醇溶液(V/V)(重复打印10次)与0.5M 的FeCl3水溶液(待反应5min、20min、60min、180min，然后再打印，重复10次)依次打印在导电回路区域。随着聚合反应时间间隔的增加，导电回路的导电率不断增加。如图2b所示，利用3组串联的自驱动电源(Al|AlCl3，1M||FeCl3，1M|C)提供3V电压，驱动LED灯(工作电压3.0-3.2V)发光，并测试了三个不同纸芯片(芯片1-芯片3)的开路电压，显示出了较好的稳定性。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。如下实施例1-3中多功能检测纸芯片的制作方案可参阅前述的具体实施案例，但亦可采用业界已知的其它方式制作。
实施例1：参见图3所示，本实施例公开了的一种多功能检测纸芯片可以包括纸质基材，该基材上集成了自驱动电源、化学及生物传感器(包含检测电极体系)、导电回路、信号采集装置、信号放大装置、信号处理装置以及无线发射装置等。利用该多功能检测纸芯片可以准确高效地对多组分待测项目实时监测。
实施例2：本实施例公开了一种多功能检测纸芯片的制备方法，包括：利用CAD设计好导电回路区域，检测区域及自驱动电源区域，并利用喷蜡打印机将图形信息打印在定量滤纸表面，之后在放入烘箱中120℃、1min，利用喷墨打印机在表面打印吡咯与FeCl3，待反应后形成聚吡咯导电回路。在自驱动电源区域制作3组串联的原电池(电极为铝箔，碳浆；电解液为1MAlCl3与1M FeCl3)，在检测区域滴加5μL3.5％铬天青S水溶液(wt)，依照不同浓度的离子在检测区域表面显色距离的变化对Al3+离子进行检测，结果如图4 所示。
实施例3：本实施例公开了一种多功能检测纸芯片的制备方法，包括：重复实施例2中纸芯片，导电回路及自驱动电源的制作，在集成式检测纸芯片的基材上设置电化学检测区域，并利用丝网印刷技术制作检测电极(工作电极(WE)-碳，参比电极(RE)- 银，对电极(CE)-碳)，在工作电极上负载葡萄糖氧化酶，进行葡萄糖检测，通过在特征电位下葡萄糖浓度与检测电流的关系实现对葡萄糖的实时定量分析检测，结果如图5 所示。
上述具体实施方式，仅为说明本实用新型的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上所述内容并不限制本实用新型的保护范围，凡是依据本实用新型的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能检测纸芯片,其特征在于包括纸质基材，所述基材上分布有电源区域、检测区域和导电回路区域，所述电源区域、检测区域及导电回路区域内分别集成设置有自驱动电源、检测功能模块及具有设定图形结构的导电回路，所述检测功能模块至少用于对至少一种目标物质进行检测并输出检测信息，所述导电回路至少用于将所述检测功能模块与自驱动电源电连接形成工作回路。
2.根据权利要求1所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述基材上分布有亲水区域和疏水区域，所述亲水区域被疏水区域围绕，所述导电回路区域分布于所述亲水区域内，且具有设定的图形结构。
3.根据权利要求1所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述基材选自柔性可弯折的纸质基材。
4.根据权利要求3所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述基材包括滤纸、纤维素膜、玻璃纤维膜、书写用纸和牛皮纸中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述检测功能模块包括通过所述导电回路依次电连接的化学和/或生物传感器、信号采集装置、信号处理装置和信号输出装置。
6.根据权利要求5所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述信号采集装置与信号处理装置之间还设置有信号放大装置。
7.根据权利要求5所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述信号输出装置包括无线信号发射装置。
8.根据权利要求5所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述化学和/或生物传感器包括酶电极生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、核酸传感器、微生物传感器和分子印记传感器中的任意一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求1所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述检测功能模块通过导电胶与从所述检测区域通过的导电回路的局部区域电性结合。
10.根据权利要求1所述的多功能检测纸芯片，其特征在于：所述自驱动电源包括制作于所述电源区域的一个或两个以上原电池。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114274289A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-05 | 福建省顺昌县升升木业有限公司 | 一种杉木板材的超疏水改性处理方法 |
| CN114324488A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-04-12 | 中国科学院海洋研究所 | 摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统及方法 |
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2017
- 2017-08-09 CN CN201720990539.5U patent/CN207576439U/zh not_active Expired - Fee Related
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