用于在多孔衬底中形成疏水结构的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开总体上涉及用于控制疏水材料在多孔衬底中的淀积的系统和方法，并且更 特别地，涉及用于在作为化学测定装置的一部分的纸中形成疏水材料以控制流体通过纸扩 散的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 纸基化学测定装置包括纸质衬底，在纸中形成流体通道和其它流体结构的蜡，以 及一种或多种试剂。纸基化学测定装置的普通例子包括由纸制造并且在测试流体（如血 液、尿和唾液）中执行生物化学测定和诊断的生物化学测试装置。装置是小的、轻质的和低 成本的并且举例来说作为诊断装置在卫生保健、军事和国土安全中具有潜在的应用。由于 蜡打印在纸上之后蜡通道的不受控回流，现有技术的纸质诊断装置在流体特征分辨率和制 造兼容性方面被限制。
[0003] 图IOA和图IOB描绘用于在回流烘箱中熔化形成于纸质衬底上的蜡的现有技术的 过程。熔化过程需要蜡穿透到纸中而不是保持在纸的表面上的层中。在图IOA中，回流烘 箱将具有固化蜡的纸质衬底加热到大约150Γ的温度。整个纸和蜡以各向同性方式被加热 到相同温度。如图IOB中所示，蜡熔化并且以大致均匀方式同时散布到多孔纸中和横越纸 的表面。现有技术的回流烘箱不能控制熔融蜡的流动的方向，并且熔融蜡倾向于在比期望 更大的程度上在纸的表面上散布。在生物医学测试装置中，蜡形成线和其它结构，其用作通 过纸质衬底扩散的流体的屏障和通道。蜡的不受控散布在以精确形状形成屏障和液体通道 时具有困难。因此，改善淀积在多孔衬底上的疏水材料的流动的控制将是有益的。
【发明内容】
[0004] 在一个实施例中，已开发一种在衬底中分配疏水材料的设备。所述设备包括：第一 辊；第二辊，所述第二辊配置成接合所述第一辊以形成压合部；第一加热器，所述第一加热 器可操作地连接到所述第一辊并且配置成将所述第一辊加热到第一温度，所述第一温度大 于所述第二辊的第二温度；以及衬底输送装置，所述衬底输送装置配置成以预定速度将衬 底移动通过所述压合部以使所述第一辊能够接合所述衬底的第一侧并且使所述第二辊能 够接合所述衬底的第二侧，所述衬底的第二侧承载疏水材料，所述疏水材料响应所述第一 辊和所述第二辊之间的所述压合部中的温度梯度穿透到所述衬底中。
[0005] 在另一实施例中，已开发一种用于在衬底中分配疏水材料的方法。所述方法包括： 使第一辊与第二辊接合以形成压合部；用可操作地连接到所述第一辊的第一加热器加热所 述第一辊以将所述第一辊加热到第一温度，所述第一温度大于所述第二辊的第二温度；以 及用衬底输送装置以预定速度将具有第一侧和第二侧的衬底移动通过所述压合部以使所 述第一辊能够接合所述衬底的第一侧并且使所述第二辊能够接合所述衬底的第二侧，所述 衬底的第二侧承载疏水材料，所述疏水材料响应所述第一辊和所述第二辊之间的所述压合 部中的温度梯度穿透到所述衬底中。
【附图说明】
[0006] 在结合附图进行的以下描述中解释控制疏水材料在衬底上的分配的设备的前述 方面和其它特征。
[0007] 图1是喷墨打印机的图示，所述喷墨打印机包括将热和压力施加到衬底的表面上 的疏水材料以使疏水材料能够穿透衬底的设备。
[0008] 图2是将热和压力施加到衬底的表面上的疏水材料的设备的另一实施例的图示。
[0009] 图3是描绘形成于图1或图2的设备中以迫使疏水材料穿透衬底的温度梯度的图 不。
[0010] 图4是在图1或图2的设备施加热和压力以使疏水材料穿透衬底之前将疏水材料 的多个层施加到衬底的表面的喷墨打印机配置的另一实施例的图示。
[0011] 图5是在图1或图2的设备施加热和压力以使疏水材料穿透衬底之前将疏水材料 的多个层施加到衬底的表面的喷墨打印机配置的另一实施例的图示。
[0012] 图6是将疏水材料的多个层施加到第一鼓并且将热和压力施加到疏水材料和衬 底以使疏水材料穿透衬底的喷墨打印机的图示。
[0013] 图7是将包括试剂或其它化学制品的液滴喷射到由衬底中的疏水材料限定的衬 底中的流体通道上的喷墨打印机的图示。
[0014] 图8是形成于衬底中的生物医学测试装置的横截面图和平面图，衬底中的流体通 道由疏水材料形成。
[0015] 图9是用于将热和压力施加到形成于衬底的表面上的疏水材料以使疏水材料能 够穿透衬底的过程的方块图。
[0016] 图IOA是熔化形成于衬底的表面上的疏水材料的现有技术的回流烘箱的图示。
[0017] 图IOB是描绘在现有技术的散布过程中在图IOA的回流烘箱中的衬底上的疏水材 料的散布的图示。
【具体实施方式】
[0018] 为了本文中所公开的系统和方法的环境以及系统和方法的细节的一般理解，参考 附图。在附图中，始终使用相似的附图标记来表示相似的元件。当在本文中使用时，词语 "打印机"包含用树脂或着色剂在介质上产生图像的任何设备，如数字复印机、编书机、传真 机、多功能机等。在下面的描述中，打印机还配置成将熔融蜡、相变墨或其它疏水材料淀积 到多孔衬底（如纸）上。尽管下面所述的打印机是喷墨打印机并且在一些实施例中疏水相 变材料可以是相变墨，但是在一些配置中疏水材料是光学透明蜡或不具有特殊颜色的其它 材料。下面提供的疏水材料的视觉表示仅仅为了示例性目的，并且下面所述的不同实施例 使用没有着色或具有适合与化学测定装置一起使用的任何着色的疏水材料。
[0019] 打印机可选地配置成将温度梯度和压力施加到衬底，其散布疏水材料并且使疏水 材料能够穿透到多孔衬底中以形成控制通过衬底的液体（包括水）的毛细流动的疏水结 构，该疏水结构包括通道和屏障。
[0020] 当在本文中使用时，术语"亲水材料"和"亲水衬底"指的是吸收水并且能够经由 毛细作用通过材料扩散水的材料。亲水衬底的一个普通例子是纸，如纤维素过滤纸、层析纸 或任何其它合适类型的纸。亲水衬底由允许水和包括水的其它生物流体（如血液、尿、唾液 和其它生物流体）扩散到衬底中的多孔材料形成。如下所述，疏水材料嵌入亲水衬底中以 形成流体通道屏障和控制流体通过亲水衬底扩散的其它疏水结构。
[0021] 当在本文中使用时，术语"疏水材料"指的是抵抗附着到水并且基本上对通过毛细 作用的水流不可透过的任何材料。当嵌入多孔衬底（如纸）中时，疏水材料用作屏障以防 止水通过包括疏水材料的衬底的部分扩散。疏水材料也用作包括水的许多流体（如血液、 尿、唾液和其它生物流体）的屏障。如下所述，疏水材料嵌入多孔衬底中以形成通道壁和控 制液体通过衬底的毛细扩散的其它疏水结构。在一个实施例中，衬底也包括用于测试流体 样本的各种性质的生物化学试剂。疏水材料形成通道以将流体引导到具有化学试剂的淀积 物的衬底中的不同位置。疏水材料也相对于通道中的流体是基本上化学惰性的，从而减小 或消除疏水材料与流体之间的化学反应。流体的单个样本通过衬底中的通道扩散以与衬底 的不同位置的不同试剂反应，从而提供用于对单个的流体样本执行多个生物化学测试的简 单和低成本装置。
[0022] 当在本文中使用时，术语"相变材料"指的是在室温和标准大气压（例如，20°C和 一个大气压）下具有固相并且在升高的温度和/或压力水平下具有液相的疏水材料。本文 中使用的疏水相变材料的例子包括蜡和相变墨。当在本文中使用时，术语"相变墨"指的是 在室温下基本上为固体、但是在高温下软化和液化的一种类型的墨。一些喷墨打印机将液 化相变墨滴喷射到间接图像接收部件（如旋转鼓或环形带）上以形成墨潜像。墨潜像转印 到衬底（如纸片材）。其它喷墨打印机将墨滴直接喷射到打印介质（如纸片材或长形纸卷） 上。在液态下，相变墨材料可以穿透多孔衬底，如纸。
[0023] 在传统喷墨打印机中，相变墨转印到衬底的一侧，可选地在双面打印操作中将不 同相变墨图像转印到衬底的两侧。打印机将相变墨滴散布在衬底的表面上，并且相变墨图 像在打印介质的表面上冷却和固化以形成打印图像。然而下面所述的实施例将热和压力施 加到衬底的表面上的相变墨或另一疏水材料以使疏水材料能够穿透通过衬底中的多孔材 料，从而形成控制通过衬底的流体的扩散的通过衬底的厚度的三维屏障。
[0024] 图1描绘喷墨打印机100,所述喷墨打印机包括用于将热梯度和压力施加到亲水 衬底（如纸）以使疏水材料能够流入衬底的孔隙中从而形成控制流体通过亲水衬底扩散的 屏障和通道的设备180。当在本文中使用时，除非另外明确地说明，对术语"设备"的引用指 的是将热梯度和压力施加到衬底以使形成于衬底的表面上的疏水材料能够以各向异性散 布图案穿透到衬底中的设备。设备可选地包含到打印机（如喷墨打印机）中。如下所述， 尽管设备180在图1中描绘为间接喷墨打印机100的一部分，但是设备180可以包含到其 它打印装置中或者可以是配置成处理衬底的独立装置，所述衬底具有使用