基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于氟材料疏水疏油性能的微流控纸芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：设计微流控纸芯片的氟材料绘制图案；氟材料配制的溶液作为墨水，装入笔中，将组装好的笔代替刻刀，使用绘图软件控制刻字机的笔；使用刻字机，在纸张上绘制设计的图案，形成具有疏水疏油性能围堰；将检测所需指示液分别滴加至各反应区，室温条件下蒸发至干；将制备的微流控纸芯片沿图案外边缘进行裁剪再与塑封膜叠放组装后塑封。本发明方法制备的纸芯片使用比色法检测物质，主要针对反应前后颜色有明显差异的一类反应，如可以用于检测葡萄糖、蛋白质、重金属离子等物质。
【专利说明】
基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及微流控芯片加工技术，更具体地说是一种将具有超低表面能的含氟高 分子材料应用在纸芯片上，用于实现区域化疏水疏油性质的加工方法。
【背景技术】
[0002] 微流控纸芯片(paper-based microfluidics)，通常简称纸芯片，是以纸（如各种 滤纸、滤膜、办公用纸等)作为制作芯片的材料，使用一些技术方法在纸上形成亲水通道和 疏水围堰，得到有所需亲水通道的微流控纸芯片。然后在芯片上实现生物、化学、医学分析 过程的样品制备、分离、反应、检测、结果分析等过程，它是一个简单的，可以实现多种物质 同时分离分析的平台。
[0003] 不同加工方法，使用的疏水材料不尽相同，每种材料都有其优缺点，现有加工方法 中，光刻胶和蜡是比较有代表性的疏水材料。光刻胶多使用光刻技术加工芯片。光刻技术可 将掩膜模板上的图形复制到基片，其基本工艺为:基片表面清洗，涂胶，前烘，曝光，后烘，显 影和坚膜。光刻过程较繁琐，需要专门技术人员才能完成加工工作。蜡作为微流控纸芯片的 疏水材料，加工的方法有多种，热压印法、喷蜡打印法等等。由蜡作为疏水材料制备的微通 道，虽然可以很好地限制水溶液的流动，然而，纸芯片在生物、化学、医学等领域的实际应用 中，通常会使用表面活性剂、有机溶剂，这些试剂会破坏由蜡制备的微通道，因此，亟需要开 发一种使用疏水疏油材料制备纸芯片的方法。
[0004] 含氟高分子材料作为新型材料，它修饰后的界面具有透气性好、热稳定性好、低表 面能、疏水疏油性、化学稳定性和优异的光学性能等特点，在生产生活中得到广泛应用。然 而，正是由于氟材料具有低表面能的性质，使得氟材料难以通过使用打印、喷涂等方法制备 纸芯片。因此，需要发明一种高效的纸上低表面能材料的修饰方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种简单、快速、可批量制备适用于生化分析的微流控纸芯 片的方法，该方法将纸芯片与含氟高分子材料的优异性能相结合，提供一种不仅可以限制 水溶液的流动方向，而且可以很好地限制表面活性剂和有机溶剂流动方向的纸芯片。
[0006] 本发明的目的是通过以下方式实现的：
[0007] 本发明利用全氟材料低表面能和疏水疏油的性能，使用含氟高分子材料配制的溶 液作为墨水，改进的记号笔作为绘制微通道的工具，刻字机作为加工设备，制得具有疏水疏 油性能的微流控纸芯片，并使用该方法制备的纸芯片应用于有表面活性剂和有机溶剂参与 的检测。
[0008] 具体如下：
[0009] 基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0010] 1)设计微流控纸芯片的氟材料绘制图案；
[0011 ] 2)将氟材料配制的溶液作为墨水，装入笔中；
[0012] 3)将步骤2)中组装好的笔代替刻刀，使用绘图软件控制刻字机的笔；
[0013] 4)使用刻字机，将步骤1)中设计的图案在纸张上进行绘制，形成具有疏水疏油性 能的围堰；
[0014] 5)，将检测物质所需的指示液分别滴加至各反应区，室温条件下蒸发至干；
[0015] 6)将步骤5)中制备的微流控纸芯片沿图案外边缘进行裁剪再与塑封膜叠放，塑 封。
[0016] 上述氟材料为具有超低表面能和疏水疏油性能的多种氟系列材料，所述的全氟系 列材料的表面能小于18mJ ? nf2，优选全氟系列材料为Dupont的AF1600和AF2400系列， Solvay的AD60X和AD80X系列。溶液浓度范围为5 ? Omg ? mL-1 ~15 ? Omg ? mL_1〇
[0017]上述溶液采用的溶剂为氟烃类溶剂，优选为氢氟醚HFE-7100。
[0018] 本发明采用的笔具有纤维储液囊和可吸湿的笔头，如：油性记号笔，纸张为滤纸、 滤膜及纤维编织物。
[0019] 塑封采用的塑封膜带有进样孔，其位置与纸芯片进样区相同。
[0020] 本发明优选在计算机上设计微流控纸芯片的氟材料绘制图案。
[0021] 本发明主要在计算机上设计图案后通过刻字机将氟材料转移到芯片基材上。
[0022]本发明将纸芯片与含氟高分子材料的优异性能充分结合，该纸芯片的制备方法具 体包括以下步骤：
[0023] (1)在计算机上设计微流控纸芯片的疏水疏油氟材料绘制图案。
[0024] (2)将固体高分子氟材料溶解于液体氟系溶剂中配制成的溶液作为墨水，装入笔 中。
[0025] (3)将步骤(2)中组装好的笔代替刻刀，使用绘图软件控制刻字机的记号笔。
[0026] (4)使用刻字机，速度1-3档（10~100mm ? s_i)，压力1-3级（60~200gf)，在滤纸上 绘制步骤（1)中设计的图案，绘制同一个图案的次数为1-4次，形成有亲水通道和疏水围堰 的微流控纸芯片。
[0027] (5)按照实验设计，将所需试剂依次滴加到反应区，室温条件下，蒸发至干。
[0028] (6)将步骤(5)中制备的微流控纸芯片沿图案外边缘裁剪成合适大小。
[0029] (7)将步骤(6)中将制备的微流控纸芯片，使用塑封机进行塑封。
[0030] 与现有技术比较本发明的有益效果：
[0031 ] 1.上述制备方法，将纸芯片与高分子氟材料的优异性能相结合，提供一种不仅可 以限制水溶液的流动方向，而且可以很好地限制表面活性剂和有机溶剂流动方向的纸芯 片，这种结合，极大地拓宽了纸芯片的应用范围。
[0032] 2.采用软件绘制纸芯片，简化了制备过程，提高了自动化程度，芯片重现性好。
[0033] 3.本发明制备微流控纸芯片的方法简单、快捷，避免使用喷蜡打印机等昂贵设备， 节约了制备成本。
[0034] 4.使用氟材料制备的纸芯片，背景颜色浅，避免了其他有色疏水疏油材料对检测 结果的干扰。
[0035] 5.塑封后，纸芯片仍具有理想的疏水疏油性能，说明氟材料制备的纸芯片在经过 塑封后仍可保持其性能。
[0036] 6.对微流控纸芯片进行塑封处理后，不仅可以减少液体流动时的挥发损耗，也可 以提高滤纸的毛细驱动力，降低检测时间，提高检测效率。同时，该设计便于携带和使用，可 以防止纸芯片在运输、储存及使用过程中被污染。
[0037] 7.本发明制备的微流控纸芯片使用自定标的方法，塑封膜在纸芯片的加样区位置 设有加样孔，方便溶液加入。
[0038] 8.本发明方法制备的纸芯片可用于各种有水溶液、表面活性剂、有机溶剂等参与 的检测。本发明纸芯片是使用比色法检测物质，主要针对反应前后颜色有明显差异的一类 反应，如可以用于检测葡萄糖、蛋白质、重金属离子等物质。
【附图说明】
[0039] 图1.为微流控纸芯片的疏水疏油含氟高分子材料绘制图案。
[0040] a是反应区;b是加样区；c是对照区；d是检测区。
[0041] 图2.检测葡萄糖标准曲线图。
[0042] 图3.为微流控纸芯片的剖视图，其中a是加样孔;b是塑封膜;c是纸芯片。
[0043] 图4.本法制备纸芯片图案示例：圆孔直径10.0mm X 4。
[0044] 图5 .本法制备的纸芯片对1)表面活性剂：a . 5 % SDS; 2)有机试剂：b . Ethano 1; c ? Dichloromethane 和d ? Dioxane 的耐受情况表征。
[0045]图6.对比氟材料纸芯片和蜡纸芯片对表面活性剂5%SDS的耐受情况图。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。以下实例仅用于更加清楚地 说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0047]所述微流控纸芯片的制备方法：
[0048]实施例1:本法制备纸芯片并将其用于检测葡萄糖浓度示例（1)在计算机上使用 Adobe Illustrator CS5软件设计微流控纸芯片的疏水疏油氟材料绘制图案（图案样式如 附图1所示）。尺寸分别为:进样区（直径6.0mm)冲间微通道（宽度4.0mm，长度8.0mm);反应 区（直径10.0mm)。平行绘制五个一样的图形。
[0049 ] (2)固体含氟高分子材料H YFLON? AD80X溶解于液体氢氟醚HFE-7100配制的溶液 作为墨水，浓度为12mg ? ml/1，代替记号笔中的墨水。
[0050] (3)将步骤(2)中组装好的记号笔代替刻刀，使用Adobe Illustrator CS5软件控 制刻字机上的记号笔。所述的记号笔具有纤维储液囊和可吸湿的笔头。
[0051] (4)使用刻字机，速度1档（10mm ? f1)，压力1级(60gf)条件下，在滤纸上绘制步骤 (1)中设计的图案，同一图案绘制3次，形成有亲水通道和疏水围堰的微流控纸芯片。
[0052] (5)按照实验设计，将检测葡萄糖所需的试剂分别滴加到各圆形反应区，室温条件 下，蒸发至干。
[0053] (6)将步骤(5)中制备的微流控纸芯片沿图案外边缘裁剪成合适大小。
[0054] (7)将步骤(6)中制备的微流控纸芯片进行塑封。塑封采用的塑封膜带有进样孔， 其位置与纸芯片进样区相同。
[0055]利用上述方法制备的微流控纸芯片应用于葡萄糖检测的步骤为：
[0056] (1)上述步骤（5)中各圆孔反应区滴加的试剂分别为：1U活力单位的葡萄糖氧化 酶、0.1U活力单位的辣根过氧化物酶和10yL0.6mol ? I/1碘化钾溶液。
[0057] (2)将五种葡萄糖标准溶液按照浓度由小到大依次滴加到对照区的加样区（附图 1-b-c )中（葡萄糖标液的浓度分别为：3 ? Ommol ? L-1，4 ? 5mmol ? L-1，6 ? Ommol ? L-1， 9.0mmol ? I/Su.Ommol ? I/1)，将待测溶液滴加到检测区的加样区（附图1-b-d)。
[0058] (3)15分钟后，将检测区的反应区（附图1-a-d)颜色深浅与对照区的反应区（附图 1-a-c)相比较，不需要使用分析仪器即可判断待测液葡萄糖浓度。
[0059] (4)15分钟后，也可以采用读取灰度值的方法定量分析实验结果:将检测区的反应 区（附图1-a-d)待测溶液的显色强度与对照区的反应区（附图1-a-c)标准溶液的显色强度 进行对比。具体方法:扫描仪扫描实验结果图片，Photoshop读取灰度值，使用对照区葡萄糖 标样的颜色Intensi ty值（=255 -灰度值)作出标准曲线，按照同样的方法将待测液颜色 Intensity值代入标准曲线，即可定量判断待测液葡萄糖浓度(见附图2)。
[0060] 实施例2:测试纸芯片对表面活性剂和有机试剂的耐受情况
[0061] (1)在计算机上使用Adobe Illustrator CS5软件设计微流控纸芯片的疏水疏油 氟材料绘制图案(图案样式如附图4所示）。圆孔直径为:10.0mm。
[0062] (2)按照例1中的（2)、（3)、（4)步骤制备纸芯片。
[0063] (3)为了便于观察使用氟材料制备的纸芯片对有机溶剂的耐受情况，在亲水区域 每孔滴加5yL甲基红染料，使其轮廓更加清晰。
[0064] (4)测试纸芯片对1 )表面活性剂：a . 5 % SDS ; 2)有机试剂：b .Ethanol ; c.Dichloromethane和d.Dioxane的耐受情况。实验结果如附图5所示:纸芯片对1)表面活性 剂a. 5%SDS; 2)有机试剂：b .Ethanol; c .Dichloromethane和d.Dioxane具有良好的耐受效 果，说明本方法制备的纸芯片可以限制表面活性剂和有机溶剂的流动方向。
[0065]实施例2证实了使用本方法制备的纸芯片疏水疏油效果良好，适用于部分有机试 剂参与的检测，大大拓展了微流控纸芯片的应用范围。
[0066]实施例3:对比氟材料纸芯片和蜡纸芯片对表面活性剂5 % SDS的耐受情况 [0067] (1)按照例1中的（2)、（3)、（4)步骤制备氟材料纸芯片。图案样式如附图6_&所示。 圆孔直径为:10. 〇mm。
[0068] (2)使用喷蜡打印的方式制备蜡纸芯片，图案样式如附图6-b所示，圆孔直径为： 10.0mm〇
[0069] (3)为了便于观察氟材料纸芯片对5%SDS的耐受情况，在亲水区域圆孔中滴加5yL 甲基红染料，使其轮廓更加清晰。
[0070] (4)分别滴加5%SDS表面活性剂至纸芯片亲水区域，在lmin时，氟材料纸芯片和蜡 纸芯片疏水围堰完整性均良好(见图6-a-lmin和6-b-lmin);5min时，氟材料纸芯片疏水围 堰完整性良好(见图6-a_5min)，錯纸芯片疏水围堰已被完全破坏(见图6-b_5min)。说明以 蜡为疏水材料制备的纸芯片不适合有表面活性剂SDS参与的检测，而使用含氟聚合物 HYFLON?AD80X制备的纸芯片可用于有表面活性剂SDS参与的检测。
[0071]因此，实施例2、3证实了使用本方法制备的纸芯片疏水疏油效果良好，适用于有表 面活性剂和部分有机试剂参与的检测。大大拓展了微流控纸芯片的应用范围。
【主权项】
1. 基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征包括以下步骤： 1) 设计微流控纸芯片的氟材料绘制图案； 2) 将氟材料配制的溶液作为墨水，装入笔中； 3) 将步骤2)中组装好的笔代替刻刀，使用绘图软件控制刻字机的笔； 4) 使用刻字机，在纸张上绘制步骤1)设计的图案，形成具有疏水疏油性能围堰； 5) 将检测所需指示液分别滴加至各反应区，室温条件下蒸发至干； 6) 将步骤5)中制备的微流控纸芯片沿图案外边缘进行裁剪再与塑封膜叠放组装后塑 封。2. 根据权利要求1所述的基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征 在于，步骤2)所述的氟材料为具有超低表面能和疏水疏油性能的全氟系列材料。3. 根据权利要求2所述的基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征 在于，所述的全氟系列材料的表面能小于18mJ · πΓ2。4. 根据权利要求1所述的基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征 在于，步骤2)所述的溶液采用的溶剂为氟烃类溶剂。5. 根据权利要求4所述的基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征 在于，步骤2)所述的氟烃类溶剂为氢氟醚HFE-7100。6. 根据权利要求1所述的基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征 在于，步骤2)所述的溶液的浓度范围为5.0mg · mL-1~15.0mg · mL一、7. 根据权利要求1所述的基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征 在于步骤2)所述的笔具有纤维储液囊和可吸湿的笔头。8. 根据权利要求1所述的基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征 在于，步骤4)所采用的纸张为滤纸、滤膜及纤维编织物。9. 根据权利要求1所述的基于氟材料疏水疏油性能微流控纸芯片的制备方法，其特征 在于，步骤6)塑封采用的塑封膜带有进样孔，其位置与纸芯片进样区相同。
【文档编号】B01L3/00GK106000487SQ201610324231
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】张显波, 王金华, 李晓峰, 姚成, 陈国松, 张之翼
【申请人】南京工业大学