一种聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片及其制法和用图
【专利摘要】一种聚二甲基硅氧烷?纸复合芯片，它是一种将聚二甲基硅氧烷图案化负载于纸上形成渗透深度可控的聚二甲基硅氧烷?纸复合芯片。该芯片既具有纸芯片易于加工、易于负载试剂的优点，又具有聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片能够互相贴合、具有优异的生物相容性和易于在其表面进行微流控管道构造的优点。
【专利说明】
一种聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片及其制法和用途
技术领域
[0001]本发明涉及复合芯片，特别是将聚二甲基硅氧烷(PDMS)区域化负载于纸上形成渗透深度可控的聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片及其制法。
【背景技术】
[0002]纸芯片的概念主要来源于成功商品化的纸质试纸，利用纸的多孔性质容许将多种检测试剂负载于纸的不同区域，通常纸质试纸可以通过变色反应等直观方法，直接对试样中的多种参数进行表征，具有廉价、易用的特点。同时利用纸纤维对液体的渗透和毛细作用可以引导试样在纸芯片中进行一定的运动，从而达到对有色样品的预分离等效果，消除了对复杂液体驱动装置的依赖，适合于非专业状态、如无专业设备、非专业人员、快速广谱筛选等情况下使用。近十年来，研究者将试纸的概念拓展成纸芯片是一个重要的发展，纸芯片的概念不仅结合了试纸的测试的优势，还把微流控中的管道、流体控制、过程控制等概念集成过来，应用范围进一步扩大，被认为是最有可能获得商品化的微流控系统。各种和纸芯片相关制备技术，如蜡基图案化技术，激光雕刻技术，打印技术，折纸技术等的发展更是丰富了纸芯片设计的可能，大大推动了这一领域的发展。但是纸类由于其天生具有多孔结构，整个纸片是一个液体可渗透的连通主体，因此必须通过一定方法限制液体的流动才能实现对纸片上流体流动范围的限制，从而有利于定量化的检测。现有的方法主要是将疏水性材料通过各种图案化方法负载到纸片上从而实现对流体流动范围和顺序的控制。例如墨基纸上打印技术和蜡基图案化技术等。这类方法生产出来的芯片结构较为粗糙，即使通过折纸技术实现三维管道结构，由于管道都是由纸基的多孔结构构成，样品流动速度慢，样品吸附损失严重，限制了这类芯片更广阔的应用。
[0003]为了解决这种问题，有研究组提出了将纸镂空管道与纸复合的芯片，这样将流体管道的优点与纸芯片相结合，拓展了纸芯片的功能和应用范围。但是这样的工作还很局限，主要是蜡和打印墨水都需要特殊处理才能实现层间复合。事实上，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为芯片材料具有多重优势，作为应用最为广泛的微流控芯片材料，PDMS具有良好的透光、透气性、优异的生物相容性，价格低廉，加工简便，其表面性质特别是亲疏水性能够通过简单的等离子体或者臭氧等处理产生从疏水到超亲水的改变，有利于对流体流动的控制，通过此种简便处理还能实现三维结构芯片的构建，使芯片功能更为丰富。但是相比纸芯片，PDMS薄片具有较大弹性，容易形变，难以维持稳定结构，同时难以负载修饰分子或者其它各种试剂，限制了 PDMS的应用。如果能够将纸芯片的优势和I3DMS的优势结合起来取长补短，将为微流控芯片快速分析检测等领域带来重要进展。现有的将PDMS与纸结合的方法主要是将纸表面进行功能化基团接枝处理，然后利用这些功能化基团将纸与PDMS进行化学交联，从而贴合在一起。这类方法涉及的交联操作繁复，获得的纸芯片相互之间并不存在互相渗透的关系，粘贴牢固性差。而且由于存在对纸的化学接枝处理，严重限制了纸上可负载的物质种类，不利于纸芯片的功能化；由于纸在此种结构中相对液体是一个可以连续渗透的对象，因此只能在微芯片中整体充当一个界面，可应用面狭窄。为了解决这一问题亟需开发一种全新的PDMS-纸结合方法使其能够克服以上的缺陷。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的主要问题是如何利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)与纸类基质相结合，使之既保留纸芯片易于实现多种类型物质负载、较强的机械稳定性的特点，同时又具有PDMS易于在表面构建微管道结构的优势，从而拓展纸芯片的应用范围。具体而言就是提升PDMS和纸相结合的平面图案化精度以及控制PDMS与纸结合过程中的纵向结合深度。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用PDMS与纸形成相互渗透的复合结构。利用温度对PDMS固化过程速度的调控作用控制PDMS在纸上扩展的范围及其渗入纸中的深度，由此形成PDMS-纸复合结构。特别是在温度比较高的条件下PDMS可在较短时间内实现快速固化成型，首次实现了 PDMS在基底上较高精度、渗透深度可控的图案化结构构建。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片，它是一种将聚二甲基硅氧烷(PDMS)图案化负载于纸上形成渗透深度可控的聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片。
[0008]上述的复合芯片，所述的纸是指各类具有多孔结构的材料，如木浆或草浆制成的纸类、通过纺织多孔片层、无纺布类片层、高分子基或者玻璃纤维基多孔膜。
[0009]—种制备上述复合芯片的方法，它包括如下步骤:
[0010]步骤1.配制聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体和固化剂的混合溶液；
[0011]步骤2、通过书写、图章、打印或丝网印刷方法，将上述的聚二甲基硅氧烷混合溶液转移到纸基的特定区域；
[0012]步骤3.等待O秒-30分钟；
[0013]步骤4.将整个材料在100 0C-200 V加热使聚二甲基硅氧烷固化制得聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片。
[0014]上述的复合芯片的制法，所述的印刷方法可以是以平面或卷对卷印刷的方法印刷。
[0015]上述的复合芯片的制法，说述的聚二甲基硅氧烷-纸复合过程可以是一次聚二甲基硅氧烷-纸复合过程，或多次聚二甲基硅氧烷-纸复合过程。
[0016]上述的复合芯片在分离、分析、鉴别或鉴定中的应用。
[0017]本发明的具体效果如下:
[0018]本发明利用聚二甲基硅氧烷在较高温度下可控时间聚合的特点，结合纸基图案化的方法，通过控制固化前的等待时间和固化温度，实现了图案化的、可控渗透深度的PDMS-纸复合方法。利用这种新型聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片制备方法，能够使所得的芯片既具有纸芯片易于加工、易于负载试剂的优点，又具有聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片能够互相贴合、具有优异的生物相容性和易于在其表面进行微流控管道构造的优点。
【附图说明】
[0019]图1.聚二甲基硅氧烷(PDMS)前聚体和固化剂混合物固化时间随温度变化关系。此处选择的前聚体和固化剂比例为10:1。在温度提升到100摄氏度以上时，固化时间降到较低水平;随着固化温度升高，固化速度加快。[0020 ]图2.聚二甲基硅氧烷(PDMS)纸芯片图案化条件分析。A.PDMS渗透深度与固化温度关系。表明升高固化温度可减少PDMS对纸基的渗透深度。B.滤纸I3DMS平面扩散范围与固化温度关系；C.打印纸TOMS平面扩散范围与固化温度关系，表明更高的温度有利于抑制PDMS的平面扩散，从而获得更好的图案化分辨率。
[0021]图3.A1-A2:聚二甲基硅氧烷(PDMS)图案化的纸芯片;B.结合了PDMS管道层的新型PDMS-纸芯片样例。结合了PDMS管道层的TOMS纸芯片直接利用纸和PDMS之间所组成的预留管道使流体流动，而不是传统的纸芯片利用纸的毛细作用来传递液体，这样使得液体的流动更加快速，同时也减少了液体流动过程中的损耗。
[0022]图4.用于芯片所需图案的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)图章。其中灰白色部分为PMMA图章区域。利用这种图章可以做出类似于图3中的图案化芯片。
[0023]图5.A:通过喷墨打印技术打印出的PDMS纸芯片。该芯片可以利用弯曲管道用于液体的预混合和反应分析。B:可用于制备芯片上层管道的PMMA模具。使用时将PMMA溶液倾倒在模具上加热固化。
[0024]图6.A:通过丝网印刷技术打印出的PDMS纸芯片。该芯片可以利用弯曲管道用于液体的预混合和反应分析。B:可用于制备芯片上层管道的PMMA模具。使用时将PMMA溶液倾倒在模具上加热固化。
[0025]图7.用于多步复合过程的聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片的制备过程的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)图章。A.用于正面的渗透深度较深的图章;B.用于背面的渗透深度较浅的图章。使用时需要将两者预留的空白区域对齐。
【具体实施方式】
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[0026]下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
[0027]实施例1:聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片的制备
[0028]步骤1.配制聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体和固化剂的混合溶液，预聚体和固化剂质量比为10:1;
[0029]步骤2.雕刻芯片所需图案的图章，其图案见图4，将雕刻有芯片所需图案的图章沾取PDMS，然后盖在打印纸(镇江大东纸业有限公司，中兴特白静电复印纸)表面；
[0030]步骤3.等待时间2秒；
[0031]步骤4.将整个材料在200°C固化，固化后将图章取下，制得聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片。
[0032]步骤5.将PDMS混合溶液倾倒在图4所示的图章上，使得图案被完全浸没；
[0033]步骤6.PDMS在60 °C下加热30min固化，用弯头镊剥离图章；
[0034]步骤7.将得到的PDMS倒模管道面蘸取少量PDMS溶液后，与之前的纸芯片管道对齐贴合；
[0035]步骤8.将整个材料在200°C固化2s，固化后制得新型复合芯片；
[0036]步骤9.在芯片的外围各个圆形区域内分别滴加甲基橙溶液、无色酚酞溶液、铬黑T溶液、淀粉溶液、鲁米诺试剂；
[0037]步骤10.在芯片中央管道交接区域先后注入稀盐酸溶液、稀氢氧化钠溶液、硬水、碘水、血液样品并在注入后立即分别按动对应的指示剂所在的圆形区域并松开，使两种溶液分别充分接触反应。
[0038]实施例2:聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片的制备
[0039]步骤1.配制聚二甲基娃氧烧(PDMS)预聚体和固化剂的混合溶液，预聚体和固化剂质量比为10:1;
[0040]步骤2.通过喷墨打印机打印，将该混合溶液按芯片所需图案打印到打印纸上，见图5A;
[0041 ] 步骤3.等待30分钟；
[0042]步骤4.将整个材料在100°C固化，制得聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片。
[0043]步骤5.将PDMS混合溶液倾倒在图5B所示的图章上，使得图案被完全浸没；
[0044]步骤6.PDMS在60°C下加热30min固化，用弯头镊剥离图章；
[0045]步骤7.将得到的PDMS倒模管道面蘸取少量PDMS溶液后，与之前的纸芯片管道对齐贴合；
[0046]步骤8.将整个材料在100°C固化2min，固化后制得新型复合芯片；
[0047]步骤9.将人血样品和红细胞裂解液(凯基生物，批号KGPl 150-KGP11100)分别注入Y型分支上方的进样点；
[0048]步骤10.按动右侧储液池上覆盖的PDMS薄膜再松开，让血液样品和细胞裂解液在Y型分支处交汇后在管道内充分振荡混合；
[0049]步骤11.混合后的样品到达储液池之后静置1min使红细胞完全裂解。
[0050]得到的裂解了红细胞的血液样品可以再吸出进行后续分析。由于使用的样品量较少，故而适合微量样品的混合和后续处理。
[0051]实施例3:聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片的制备
[0052]步骤1.配制聚二甲基娃氧烧(PDMS)预聚体和固化剂的混合溶液，预聚体和固化剂质量比为10:1;
[0053]步骤2.通过快速丝网印刷，将该混合溶液按芯片所需图案转移到打印纸上，见图6A；
[0054]步骤3.等待O秒；
[0055 ] 步骤4.将纸在150 0C迅速固化，制得聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片。
[0056]步骤5.将PDMS混合溶液倾倒在图6B所示的图章上，使得图案被完全浸没；
[0057]步骤6別1^在60°(:下加热301^11固化，用弯头镊剥离图章；
[0058]步骤7.将得到的PDMS倒模管道面蘸取少量PDMS溶液后，与之前的纸芯片管道对齐贴合；
[0059]步骤8.将整个材料在100°C固化2min，固化后制得新型复合芯片；
[0060]步骤9.将人血样品和红细胞裂解液(凯基生物，批号KGPl 150-KGP11100)分别注入Y型分支上方的进样点；
[0061 ]步骤10.按动右侧储液池上覆盖的PDMS薄膜再松开，让血液样品和细胞裂解液在Y型分支处交汇后在管道内充分振荡混合；
[0062I步骤11.混合后的样品到达储液池之后静置1min使红细胞完全裂解。
[0063]得到的裂解了红细胞的血液样品可以再吸出进行后续分析。由于使用的样品的量较少，故而适合微量样品的混合和后续处理。
[0064]实施例4:多步复合过程的聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片的制备
[0065]步骤1.配制聚二甲基娃氧烧(PDMS)预聚体和固化剂的混合溶液，预聚体和固化剂质量比为10:1;
[0066]步骤2.将雕刻有芯片所需聚二甲基硅氧烷渗透深度较深的图案的图章沾取PDMS，盖在滤纸(杭州沃华滤纸有限公司双全牌9mm定性滤纸)上指定区域，如图7A;
[0067]步骤3.等待10分钟，使PDMS彻底渗透入纸基；
[0068]步骤4.将整个材料在100°C固化；
[0069]步骤5.将雕刻有芯片所需聚二甲基硅氧烷渗透深度较浅的图案的图章沾取PDMS，盖在滤纸上指定区域，如图7B;
[0070]步骤6.等待O秒；
[0071 ]步骤7.将整个材料在180°C固化，制得聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片。
[0072]步骤8.酵母菌琼脂培养基的制备:称取硝酸钠3.0g、磷酸氢二钠1.0g、氯化钾
0.58、七水合硫酸镁0.58、硫酸亚铁0.018、蔗糖30.(^、琼脂3(^，蒸馏水10001111溶解，1211€
高温灭菌。
[0073]步骤9.酵母菌培养液的制备:重复步骤8的操作，除去加入琼脂的步骤；
[0074]步骤10.当培养基溶液降低至40°C左右时，将酵母菌悬浮液体积比1:1与培养基混匀；
[0075]步骤11.将混合液滴在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜上，压制琼脂薄片；
[0076]步骤12.将薄片平放在芯片较浅图章面一侧点阵区，将芯片管道区置于培养液中，每隔2小时观察一次酵母菌生长情况。可以发现酵母菌在芯片上可以实现持续分裂增长。
[0077]该方法实现了在一个纸基上多种不同深度PDMS结构的图案化渗透控制。
【主权项】
1.一种聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片，其特征是:它是一种将聚二甲基硅氧烷图案化负载于纸上形成渗透深度可控的聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片。2.根据权利要求1所述的复合芯片，其特征是:所述的纸是指各类具有多孔结构的材料，如木浆或草浆制成的纸类、通过纺织多孔片层、无纺布类片层、高分子基或者玻璃纤维基多孔膜。3.—种制备权利要求1所述的复合芯片的方法，其特征是它包括如下步骤: 步骤1.配制聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体和固化剂的混合溶液； 步骤2、通过书写、图章、打印或丝网印刷方法，将上述的聚二甲基硅氧烷混合溶液转移到纸基的特定区域； 步骤3.等待O秒-30分钟； 步骤4.将整个材料在100 0C-200 0C加热使聚二甲基硅氧烷固化制得聚二甲基硅氧烷-纸复合芯片。4.根据权利要求3所上述的复合芯片的制法，其特征是:所述的印刷方法是以平面或卷对卷印刷的方法印刷。5.根据权利要求3所述的复合芯片的制法，其特征是:所述的聚二甲基硅氧烷-纸复合过程是一次聚二甲基硅氧烷-纸复合过程，或多次聚二甲基硅氧烷-纸复合过程。6.权利要求1所述的复合芯片在分离、分析、鉴别或鉴定中的应用。
【文档编号】B01L3/00GK105903501SQ201610239287
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】徐碧漪, 上官金文, 刘昱, 徐静娟, 陈洪渊
【申请人】南京大学