TWI655427B

TWI655427B - 紙基微流體晶片與其製造方法

Info

Publication number: TWI655427B
Application number: TW107104002A
Authority: TW
Inventors: 莊怡哲; 陳柏昇
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2019-04-01
Also published as: TW201934991A

Abstract

一種紙基微流體晶片與其製造方法，該製造方法是以一表面凹設有一槽道之模具對一片多孔隙的紙基材進行壓印，使紙基材對應槽道的部位相對凸起嵌入槽道中而形成一個槽道凸部，然後在該紙基材表面被覆一疏水膜並使該疏水膜熱熔而滲入該紙基材中，而與該紙基材新配合界定出一個位於該槽道凸部中且由孔隙連通構成的流道。透過以模具壓印紙基材以形成該槽道凸部的製造方法設計，僅需透過一次壓印步驟就能於該紙基材上成型出所需的流道外形，可大幅縮短紙基微流體晶片的製造時間，且方便大量快速製造。

Description

紙基微流體晶片與其製造方法

本發明是有關於一種微流體晶片製造方法，特別是指一種紙基微流體晶片的製造方法。

由於紙基微流體晶片具有成本低廉，以及方便使用的優勢，已被廣泛應用於檢驗領域，例如食品毒物之快篩檢驗與尿液和血液之檢驗等。目前已發展出許多不同的紙基微流體晶片製作方式，例如塗蠟法、油墨印刷法等。

塗蠟法是以蠟筆在紙基材上畫出流道輪廓外形，油墨印刷法則是透過噴墨印表機之噴墨技術，將蠟噴塗在紙基材上以圍繞界定出所需流道外形。於紙基材形成該流道輪廓外形後，再加熱使蠟熔化滲入紙基材中，使未塗蠟部位形成所需流道。但上述方法於成型流道輪廓的步驟相當費時，尤其當流道設計複雜時，且以上述方法製成之紙基微流體晶片使用時須架空，或者是轉貼在一片基板上才能使用，相當不便。

因此，本發明的目的，即在提供一種能改善先前技術之至少一個缺點的紙基微流體晶片製造方法。

於是，本發明紙基微流體晶片的製造方法，包含以下步驟：（A）以一個表面凹設有槽道之模具對一片多孔隙的紙基材進行壓印，將該紙基材位於該槽道外的部位擠壓扁縮以形成一個槽側部，使該紙基材對應該槽道的部位相對凸起嵌入該槽道中而形成一個槽道凸部；（B）在該紙基材用以被壓印之一側面被覆一層熱熔性的疏水膜，或者是在該紙基材用以被壓印之該側面的相反另一側面被覆一層熱熔性的疏水膜；（C）加熱已被覆該疏水膜且已被壓印形成該槽道凸部的該紙基材，使該疏水膜熔化形成之疏水性物質滲入並填滿該槽側部，以及局部滲入該槽道凸部內；及（D）使滲入該紙基材中的疏水性物質凝固成型，而與該紙基材相配合界定出一個位於該槽道凸部且能用以輸送水液的流道，而製成該紙基微流體晶片。

於是，本發明紙基微流體晶片的製造方法，包含以下步驟：（A）以一個表面凹設有槽道之模具對一片頂面或底面已被覆有一層熱熔性的疏水膜之多孔隙的紙基材進行壓印，將該紙基材位於該槽道外的部位擠壓扁縮以形成一個槽側部，使該紙基材對應該槽道的部位相對凸起嵌入該槽道中而形成一個槽道凸部；（B）加熱已被壓印形成該槽道凸部之該紙基材，使該疏水膜熔化形成之疏水性物質滲入並填滿該槽側部，以及局部滲入該槽道凸部；及（C）使滲入該紙基材中的疏水性物質凝固成型，而與該紙基材相配合界定出一個位於該槽道凸部且能用以輸送水液的流道，而製成該紙基微流體晶片。

於是，本發明紙基微流體晶片，包含一個多孔隙的紙基材，及一滲透成型於該紙基材中的疏水性物質。該紙基材上表面形成有一個上下扁縮變形的槽側部，及一個被該槽側部圍繞並相對該槽側部往上凸伸高起且呈水平延伸條狀的槽道凸部，該槽道凸部具有一個連接於該槽側部之基底部位，及一個自該基底部位往上突伸的外凸部位。該疏水性物質是滲入成型於該槽側部中，且滲入成型於該槽道凸部之基底部位中，而與該紙基材相配合界定出一個位於該槽道凸部之該外凸部位並能用以引流水液的流道。

於是，本發明紙基微流體晶片，包含一個多孔隙的紙基材，及一滲透成型於該紙基材中的疏水性物質。該紙基材下表面形成有一個上下扁縮變形的槽側部，及一個被該槽側部圍繞並相對該槽側部往下凸伸且呈水平延伸條狀的槽道凸部，該槽道凸部具有一個連接於該槽側部之基底部位，及一個自該基底部位往下突伸的外凸部位。該疏水性物質是滲入成型於該槽側部中，且滲入成型於該槽道凸部之該外凸部位中，而與該紙基材相配合界定出一個位於該槽道凸部之該基底部位並能用以引流水液的流道。

本發明之功效在於：透過以模具壓印紙基材以形成該槽道凸部的製造方法設計，僅需透過一次壓印步驟就能於該紙基材上成型出所需的流道外形，可大幅縮短紙基微流體晶片的製造時間，且方便大量快速製造。

本發明將就下面的實施例來做進一步說明，但應瞭解的是，該實施例僅是供例示說明用，而不應被解釋為本發明的實施上的限制，且類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、2，本發明紙基微流體晶片2的第一實施例，能用以輸送水液，所述水液可以是化學試劑，或者是其它常見含有生物物質的檢體，例如但不限於尿液檢體、血液檢體或微生物檢體等。

該紙基微流體晶片2包括一片多孔隙材質且可被擠壓形變的紙基材3，及一滲透定型於該紙基材3之孔隙中的熱熔性的疏水性物質41。該紙基材3具有一個自其上表面往下凹陷扁縮變形之槽側部31，及一個被該槽側部31圍繞且相對該槽側部31往上凸伸並高出該槽側部31頂緣之水平延伸條狀的槽道凸部32。該槽側部31是經壓印扁縮變形而製成，其內部孔隙較該槽道凸部32小。該槽道凸部32具有一個連接該槽側部31之基底部位321，及一個自該基底部位321往上突伸的外凸部位322。在本實施例中，該紙基材3為濾紙，例如但不限於玻璃纖維濾紙或纖維素濾紙等，但實施時，該紙基材3不以濾紙為限。

該疏水性物質41為可加熱熔化而於降溫時會凝固成型的疏水性材料，能於被加熱熔化時滲入該紙基材3中。該疏水性物質41是滲透填滿於該槽側部31中，且滲入填滿該槽道凸部32之該基底部位321中，該疏水性物質41會與該紙基材3相配合界定出一個沿該槽道凸部32長度方向延伸，且位於該外凸部位322中而由孔隙連通構成的流道20，該流道20能沿其長度方向引流水液。在本實施例中，該疏水性物質41為蠟（wax）。

為方便說明，本案圖式所示之槽道凸部32是以直線狀為例，但實施時，所製成之該槽道凸部32外形與長寬尺寸皆不以圖式樣式為限，可根據使用需求調整變化。

參閱圖2、3、4，以下即就製造本第一實施例之該紙基微流體晶片2的製造方法進行說明。該製造方法包含以下步驟：

步驟（一）壓印形成該槽道凸部32。以一個模具5對一張紙基材3進行壓印。該模具5表面凹設有一個具有特定圖案的槽道50，以該模具5具有該槽道50之表面往下壓印在該紙基材3上表面，並以特定壓力持續壓印特定時間，例如120 Kg/cm ²，持續5秒，將該紙基材3相對位於該槽道50周圍的部位往下擠壓扁縮變形而形成該槽側部31，並使該紙基材3位於該槽道50正下方的部位相對往上嵌入該槽道50中，而形成相對該槽側部31往上高起且被該槽側部31包圍的該槽道凸部32。

步驟（二）被覆疏水膜4。將一疏水性物質41被覆於該紙基材3之下表面，以形成一層相對位於該槽側部31與該槽道凸部32下方的疏水膜4。在本實施例中，是以刷塗的方式將該疏水性物質41被覆在該紙基材3上，但因塗佈疏水性物質41的方式眾多，因此實施時不以此為限。在本實施例中，該疏水膜4為蠟膜，但實施時，在本發明之另一實施態樣中，該疏水膜4也可以是parafilm，或其它熱熔性的疏水性材料。

步驟（三）熱熔該疏水膜4。將已設置該疏水膜4的該紙基材3移至一個加熱板（圖未示）上，於會使該疏水膜4熔化的溫度環境下，將該疏水膜4熔化呈流動態而滲入該紙基材3中。由於該槽側部31之孔隙較小，而該槽道凸部32因未被擠壓所以孔隙較大，因此位於該槽側部31下方的疏水性物質41會滲入並優先填滿該槽側部31，並藉由控制加熱時間，使位於該槽道凸部32下方的疏水性物質41僅滲入填滿該槽道凸部32之該基底部位321。

步驟（四）降溫。將步驟（三）處理後之紙基材3移出加熱板進行降溫，使滲入該紙基材3中的疏水性物質41降溫而凝固成型，此時，該疏水性物質41會與該紙基材3相配合界定出位於該槽道凸部32之該外凸部位322，且頂緣無被覆該疏水性物質41的流道20，即製造完成一個紙基微流體晶片2。

透過上述製造方法設計，僅需透過一次壓印步驟，就能立即塑形出所需流道20的結構外形，可大幅縮短成型該流道20結構的時間，而大幅縮短紙基微流體晶片的製造時間。

以下即以上述製造方法製成之該紙基微流體晶片2進行水液之引流輸送實驗。在以下實驗中，所使用之該紙基材3為濾紙（Whatman Grade 3 Qualitative Filter Papers, GE Healthcare），原厚度為400 um，經壓印後所形成之該槽側部31的厚度為100 um，使用之疏水性物質41為蠟，該紙基微流體晶片2之流道20是呈直線長條狀，具有相反之一個滴入端201與一個輸送末端202。進行測試之水液為五種不同濃度的葡萄糖溶液，該等葡萄糖溶液濃度分別為5 mM、10 mM、25 mM、40 mM與50 mM。實驗時，會將該等葡萄糖溶液分別滴在五個紙基微流體晶片2，會取6 ul的葡萄糖溶液滴入各別之紙基微流體晶片2的該流道20的該滴入端201，使葡萄糖溶液沿該流道20長向輸送至該輸送末端202，然後利用掃描機(HP, Photosmart C4580)擷取該流道20之該輸送末端202的影像，再利用影像處理軟體進行影像分析，以取得該影像中之紅色相對強度。

如圖5所示，葡萄糖溶液濃度與影像之紅色相對強度成正相關，顯示本發明製成之紙基微流體晶片2確實能夠用於輸送含有不同物質濃度的水液。

參閱圖4、6，在本第一實施例中，是先以模具5往下朝該紙基材3上表面進行壓印後，再於該紙基材3下表面被覆該疏水膜4，但實施時，在本發明之另一實施態樣中，壓印步驟與被覆該疏水膜4步驟的順序可對調，如圖6所示，也就是，先於該紙基材3下表面被覆該疏水膜4後，再以該模具5往下朝已被覆該疏水膜4之該紙基材3上表面進行壓印，以形成該槽側部31與該槽道凸部32。

參閱圖7、8，本發明紙基微流體晶片2的第二實施例與該第一實施例差異處在於：該流道20之結構型態。為方便說明，以下僅針對本第二實施例與該第一實施例差異處行描述。

在本第二實施例中，該紙基材3之上表面是呈平整狀，該槽側部31是凹設於其下表面，該槽道凸部32之該外凸部位322是自連接於該槽側部31之該基底部位321往下突伸。該疏水性物質41是滲入填滿該槽側部31，並滲入填滿該槽道凸部32之該外凸部位322中，而與該紙基材3相配合界定出的該流道20是位於該槽道凸部32之朝上外露的該基底部位321。

參閱圖8、9，本第二實施例之該紙基微流體晶片2的製造方法包含以下步驟：

步驟（一）被覆該疏水膜4。先於該紙基材3之上表面被覆一層疏水膜4。被覆該疏水膜4的方式如同第一實施例方式，不再贅述。

步驟（二）壓印形成該槽道凸部32。以該模具5凹設該槽道50之表面往下朝該紙基材3上表面進行壓印，而將該紙基材3壓印形成該槽側部31與該槽道凸部32。此時，該疏水膜4會分布在該槽側部31與該槽道凸部32的頂緣。

步驟（三）熱熔該疏水膜4。將已壓印形成該槽道凸部32之該紙基材3置放於加熱板上進行烘烤，使該疏水膜4熱熔形成之疏水性物質41滲入並填滿該槽側部31，並往下局部滲入該槽道凸部32，而填滿該外凸部位322。

步驟（四）降溫成型。將步驟（三）處理後之紙基材3移出加熱板進行降溫，待該疏水性物質41降溫凝固定型後，再將該紙基材3上下翻面，便製造完成該紙基微流體晶片2。

配合參閱圖10，在本第二實施例中，是先於該紙基材3上表面被覆該疏水膜4後，再以該模具5往下壓印該疏水膜4，但實施時，在本發明之另一實施態樣中，可先以該模具5往下壓印該紙基材3後，再於被壓印形成該槽側部31與該槽道凸部32的該紙基材3的上表面被覆該疏水膜4，然後，再使該疏水膜4熱熔滲入該紙基材3中，同樣能快速製造該紙基微流體晶片2。

在上述兩個實施例中，都包括被覆該疏水膜4的步驟，但實施時，在本發明之另一個實施態樣中，可直接使用已在其中一側面被覆有該疏水膜4的紙基材3，並直接對該紙基材3被覆有該疏水膜4之側面或另一相背側面進行壓印步驟，而能夠在製造該紙基微流體晶片2過程中，省略被覆該疏水膜4的步驟。

綜上所述，透過以模具5壓印紙基材3以形成該槽道凸部32，及圍繞在該槽道凸部32周圍之該槽側部31的製造方法設計，僅需透過一次壓印步驟就能於該紙基材3上成型出所需的流道20外形，並可進一步透過使該疏水膜4熱熔滲入填滿該槽側部31，且局部滲入該槽道凸部32的設計，能快速地同步成型該流道20之每一個區段，所以可大幅縮短紙基微流體晶片2的製造時間，且方便大量快速製造，是一種非常創新的紙基微流體晶片2的製造方法。因此，確實可達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

2‧‧‧紙基微流體晶片

20‧‧‧流道

201‧‧‧滴入端

202‧‧‧輸送末端

3‧‧‧紙基材

31‧‧‧槽側部

32‧‧‧槽道凸部

321‧‧‧基底部位

322‧‧‧外凸部位

4‧‧‧疏水膜

41‧‧‧疏水性物質

5‧‧‧模具

50‧‧‧槽道

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明紙基微流體晶片的一個第一實施例的立體圖；圖2是該第一實施例的側剖示意圖；圖3是該第一實施例之局部顯微影像圖，用以說明一個紙基材之一個槽側部與一個槽道凸部之顯微結構；圖4是該第一實施例之製造方法的步驟流程示意圖；圖5是該第一實施例進行葡萄糖溶液輸送時，濃度與擷取影像之相對紅色強度的線性回歸曲線圖；圖6是該第一實施例之製造方法的另一實施態樣的步驟流程示意圖；圖7是本發明紙基微流體晶片的一個第二實施例的立體圖；圖8是該第二實施例的側剖示意圖；圖9是該第二實施例的製造方法的步驟流程示意圖；及圖10是該第二實施例的製造方法的另一實施態樣的步驟流程示意圖。

Claims

一種紙基微流體晶片的製造方法，包含以下步驟：（A）以一個表面凹設有一個槽道之模具對一片多孔隙的紙基材進行壓印，將該紙基材位於該槽道外的部位擠壓扁縮以形成一個槽側部，使該紙基材對應該槽道的部位相對凸起嵌入該槽道中而形成一個槽道凸部；（B）在該紙基材用以被壓印之一側面被覆一層熱熔性的疏水膜，或者是在該紙基材用以被壓印之該側面的相反另一側面被覆一層熱熔性的疏水膜；（C）加熱已被覆該疏水膜且已被壓印形成該槽道凸部的該紙基材，使該疏水膜熔化形成之疏水性物質滲入並填滿該槽側部，以及局部滲入該槽道凸部內；及（D）使已滲入該紙基材中的疏水性物質降溫而凝固成型，而與該紙基材相配合界定出一個位於該槽道凸部且能用以輸送水液的流道，而製成該紙基微流體晶片。
如請求項1所述之紙基微流體晶片的製造方法，其中，該步驟（B）是在該步驟（A）已將該紙基材壓印形成該槽側部與該槽道凸部後，再於該紙基材被覆該疏水膜。
如請求項1所述之紙基微流體晶片的製造方法，其中，該步驟（A）是在該步驟（B）已於該紙基材被覆該疏水膜後，再以該模具壓印該紙基材。
一種紙基微流體晶片的製造方法，包含以下步驟：（A）以一個表面凹設有一個槽道之模具對一片已被覆有一層熱熔性的疏水膜之多孔隙的紙基材進行壓印，將該紙基材位於該槽道外的部位擠壓扁縮以形成一個槽側部，使該紙基材對應該槽道的部位相對凸起嵌入該槽道中而形成一個槽道凸部；（B）加熱已被壓印形成該槽道凸部之該紙基材，使該疏水膜熔化形成之疏水性物質滲入並填滿該槽側部，以及局部滲入該槽道凸部；及（C）使已滲入該紙基材中的疏水性物質降溫而凝固成型，而與該紙基材相配合界定出一個位於該槽道凸部且能用以輸送水液的流道，而製成該紙基微流體晶片。
如請求項4所述之紙基微流體晶片的製造方法，其中，該步驟（A）是以該模具朝該紙基材有被覆該疏水膜之一側面進行壓印。
如請求項4所述之紙基微流體晶片的製造方法，其中，該步驟（A）是以該模具對該紙基材有被覆該疏水膜之一側面的相反另一側面進行壓印。
一種紙基微流體晶片，包含：一個多孔隙的紙基材，上表面形成有一個上下扁縮變形的槽側部，及一個被該槽側部圍繞且相對該槽側部往上凸伸高起且呈水平延伸條狀的槽道凸部，該槽道凸部具有一個連接於該槽側部之基底部位，及一個自該基底部位往上突伸的外凸部位；及一疏水性物質，滲入成型於該槽側部中，且滲入成型於該槽道凸部之基底部位中，而與該紙基材相配合界定出一個位於該槽道凸部之該外凸部位並能用以引流水液的流道。
如請求項7所述之紙基微流體晶片，其中，該紙基材為玻璃纖維濾紙或纖維素濾紙。
一種紙基微流體晶片，包含：一個多孔隙的紙基材，下表面形成有一個上下扁縮變形的槽側部，及一個被該槽側部圍繞且相對該槽側部往下凸伸且呈水平延伸條狀的槽道凸部，該槽道凸部具有一個連接於該槽側部之基底部位，及一個自該基底部位往下突伸的外凸部位；及一疏水性物質，滲入成型於該槽側部中，且滲入成型於該槽道凸部之該外凸部位中，而與該紙基材相配合界定出一個位於該槽道凸部之該基底部位並能用以引流水液的流道。
如請求項9所述之紙基微流體晶片，其中，該紙基材為玻璃纖維濾紙或纖維素濾紙。