一种基于点阵热压法的纸微流控芯片制备方法与流程

本发明涉及微流控芯片，尤其是涉及一种基于点阵热压法的纸微流控芯片制备方法。

背景技术：

微流控芯片(Microfluidic Chip)借鉴半导体微加工技术和(或)微电子工艺在芯片上构建微流路系统(由储液池、微反应室、微通道、微电极、微电路中的至少一种组成)，加载生物样品和反应液后，在压力泵或电场的作用下形成微流路，在芯片上进行一种或连续多种反应，可达到高通量快速分析的目的。纸芯片(Paper-based microfluidics)或纸芯片分析装置(Microfluidic Paper-based Analytical Devices，μPADs或Lab-on-paper Analytical Systems)是微流控分析系统的新成员，与普通意义上的微流控芯片相比，它成本低、制备简便、无需复杂外围设备，能够进行真正意义上一次性、价格低廉、便携式的分析，已经越来越受到关注，被普遍视为未来现场实时诊断发展趋势之一。[Lab on a Chip,2008,8(12):1988-1991.]

纸一直被用于多种快速检测，pH试纸是其中最突出的实例。纸介质可以用于色谱法分离，基于纸材料的分离检测提供一类廉价、多功能的平台。纸和膜材料结合模式在针对现场诊断的商品化层析检测试纸条和试纸卡产品中应用极广。常规的试纸条(卡)通常是基于酶联免疫显色，近期基于胶体金显色的试纸条发展迅速。常规试纸检测因其操作简便、易用、价廉而获得巨大成功，但通常不能够做多重分析和定量分析[Analytical chemistry,2010,82(3):1162-1165.]。纸芯片(纸质微流控芯片装置)则可以解决这一问题，并更趋微型化、集成化、多功能化。

纸芯片制备通常是采用能固化的疏水性材料形成通道来限制和引导流体，这些材料包括蜡、聚二甲基硅氧烷(poly(dimethylsiloxane)，PDMS)、SU-8、聚苯乙烯、烷基烯酮二聚体(AKD)、聚甲基丙烯酸甲酰胺(PoNBMA)等。方法有光刻、手绘、打印等。也有的采用等离子体、激光等对纸质材料处理后形成特殊的亲、疏水通道。

2008年，美国哈佛大学George Whitesides[Analytical chemistry,2008,80(9):3387-3392]提出利用喷腊打印机制备纸微流控芯片。他利用Xerox推广的喷腊打印机，通过电脑设计图案，利用打印机将图案喷涂于滤纸上，并通过简单的后续处理制备精密的纸微流控芯片。与在此之前制备纸微流控芯片的方法相比，该方法步骤简单，成本低廉，图形多样，从而显著促进了纸微流控芯片技术的发展。然而受限于打印机打印速度和设备使用寿命，以及相对较高的低熔点蜡墨成本的限制，该方法仅在科研领域得到推广，并未在工业化/商业化生产上得到普及。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对目前纸微流控芯片制备方法存在的难以大批量、低成本、快速生产等缺点，提供易于实现工业化大批量低成本生产，可推进纸微流控芯片在临床诊断、环境监测中应用的一种基于点阵热压法的纸微流控芯片制备方法。

所述基于点阵热压法的纸微流控芯片制备方法，包括如下步骤：

(1)将热压印模块按压到基座上的纸载体上，让点阵模块中中空的点阵通道与纸载体充分接触；

(2)利用挤压模块将蜡块压入加热模块；

(3)在加热模块中，蜡块受热融化，融化后的蜡液被挤压入点阵模块的储液池中，并进一步被挤压入点阵模块中的点阵通道，通过点阵通道流出点阵模块；

(4)让蜡液浸润纸载体，经点阵通道流出的蜡液相互接触，并形成所需图形，抬升热压印模块，启动加热模块上的风冷模块，冷却蜡液，使其凝固，终止蜡液继续流出，同时启动基座下的冷却装置，冷却纸载体上的蜡液，完成纸微流控芯片的制备。

在步骤(1)中，所述纸载体可采用滤纸或硝基纤维素纸，优选Whatman 3MM层析滤纸。

在步骤(2)中，所述挤压模块可采用金属挤压模块，所述金属可采用铜、铁、铝合金等中的一种，优选铝合金；挤压模块由电机驱动或弹簧挤压；所述蜡块可采用低熔点蜡块或普通石蜡块等，优选低熔点蜡块。

在步骤(3)中，所述加热模块可采用铜加热模块、铁加热模块或铝合金加热模块等，优选铝合金加热模块；所述加热模块的加热方法可为电加热，加热温度优选100℃；所述加热模块的内部蜡液通道截面可采用矩形，矩形的尺寸可为(3～10)cm×(3～10)cm，优选7cm×7cm；所述点阵模块可采用铜点阵模块、铁点阵模块或铝合金点阵模块等，优选铁点阵模块或铝合金点阵模块；所述点阵模块可通过导热剂与加热模块紧密贴合；加热模块加热时点阵模块保持与加热模块相同的温度，以避免其中蜡液凝固，点阵模块的工作温度优选100℃；所述点阵模块的顶端设有储液池，储液池与加热模块内部的蜡液通道末端相连，储液池的尺寸可为(3～10)cm×(3～10)cm×1cm，优选7cm×7cm×1cm；所述点阵通道的内径可为0.2～2mm，优选0.4mm；点阵模块中点阵通道间距优选1/2点阵通道的内径。

在步骤4)中，所述蜡液浸润纸载体的时间可为1～20s，优选5s；所述加热模块与基座下的冷却装置冷却蜡液的温度可为15～30℃，优选20℃。

与现有技术(主要是光刻、手绘、打印三种方法)相比，本发明具有如下优点：

(1)成本低。由于本发明制备纸芯片的主要材质是纸载体与石蜡，与光刻方法依赖的紫外光刻胶(单片芯片成本为30～70元)相比，成本具有显著优势。与手绘、喷蜡打印方法相比，由于都是使用石蜡材料，成本大致相当(单个芯片成本主要是滤纸成本，约0.1～0.3元，石蜡成本可忽略不计)；

(2)精密度较高。本发明制备的纸芯片精密度受限于点阵模块中所述点阵通道内径，其精度最高可达到0.2mm，与喷蜡打印机大致相当(0.1mm)，低于光刻技术(0.05mm)，远高于手绘芯片精密度(1～2mm)。

(3)易于模块化大批量制备。现有的三种方法，尤其是手绘方法由于精度差，重现性不佳，难以大批量制备。光刻技术由于成本高，制备工序复杂，也不适合大批量生产。喷蜡打印技术受限于喷蜡打印机市场小，打印机后期维护成本高，损坏率高等问题，尤其是市面上仅存的喷蜡打印机富士施乐8560N及其相关型号早已停产，更不适合于大批量的商品化生产制备。与上述三种方法相比，本发明由于工艺步骤少，制备设备结构简单，且易于通过简单的模块拼接组装或是改为滚筒式压印制备方法来实现大规模纸芯片制备。

(4)制备时间短。本发明制备单个芯片耗时约30s，远优于手绘或光刻方法，与喷蜡打印方法相当(喷蜡打印时间需要额外增加20s加热融蜡扩散的过程)。但是通过模块化组装后，平均单个芯片的制备耗时可以显著降低至1s以内。

附图说明

图1为一种基于点阵热压法的纸微流控芯片的制备方法工作原理图。

图2为实施例1点阵模块设计图与制备效果图对照。在图2中，A为点阵模块设计图，B为制备效果图。

图3为实施例2点阵模块设计图与制备效果图对照。在图3中，A为点阵模块设计图，B为制备效果图。

图4为实施例3点阵模块设计图与制备效果图对照。在图4中，A为点阵模块设计图，B为制备效果图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明所述基于点阵热压法的纸微流控芯片制备方法，包括如下步骤：

(1)将热压印模块1按压到基座2上的纸载体4上，让点阵模块15中中空的点阵通道18与纸载体4充分接触；所述纸载体4可采用滤纸或硝基纤维素纸，优选Whatman 3MM层析滤纸。

(2)利用挤压模块11将蜡块12压入加热模块14；所述挤压模块11可采用金属挤压模块，所述金属可采用铜、铁、铝合金等中的一种，优选铝合金；挤压模块11由电机驱动或弹簧挤压；所述蜡块12可采用低熔点蜡块或石蜡块等，优选低熔点蜡块。

(3)在加热模块14中，蜡块12受热融化，融化后的蜡液被挤压入点阵模块15的储液池17中，并进一步被挤压入点阵模块15中的点阵通道18，通过点阵通道18流出点阵模块15；所述加热模块14可采用铜加热模块、铁加热模块或铝合金加热模块等，优选铝合金加热模块；所述加热模块14的加热方法可为电加热，加热温度优选100℃；所述加热模块14的内部蜡液通道16截面可采用矩形，矩形的尺寸可为(3～10)cm×(3～10)cm，优选7cm×7cm；所述点阵模块15可采用铜点阵模块、铁点阵模块或铝合金点阵模块等，优选铁点阵模块或铝合金点阵模块；所述点阵模块15可通过导热剂与加热模块14紧密贴合；加热模块14加热时点阵模块15保持与加热模块14相同的温度，以避免其中蜡液凝固，点阵模块15的工作温度优选100℃；所述点阵模块15的顶端设有储液池17，储液池17与加热模块内部的蜡液通道16末端相连，储液池17的尺寸可为(3～10)cm×(3～10)cm×1cm，优选7cm×7cm×1cm；所述点阵通道18的内径可为0.2～2mm，优选0.4mm；点阵通道18间距优选1/2点阵通道内径。

(4)让蜡液浸润纸载体4，点阵通道18流出的蜡液相互接触，并形成所需图形，抬升热压印模块1，启动加热模块14上的风冷模块13，冷却蜡液，使其凝固，终止蜡液继续流出，同时启动基座2下的冷却装置3，冷却纸载体4上的蜡液，完成纸微流控芯片的制备。所述蜡液浸润纸载体的时间可为1～20s，优选5s；所述加热模块与基座下的冷却装置冷却蜡液的温度可为15～30℃，优选20℃。

以下给出具体实施例：

实施例1一种基于点阵热压法的纸微流控芯片的制备方法——条状纸芯片

(1)将整个热压印模块按压到基座上的纸载体上，让点阵模块中中空的点阵通道与滤纸充分接触；

(2)利用挤压模块将蜡块压入加热模块。其中，所述加热模块温度设置为100℃，材质为铝合金；其中，所述蜡块为石蜡。

(3)在加热模块中，蜡块受热融化。融化后的蜡液被挤压入点阵模块的储液池中，并进一步被挤压入点阵模块中的点阵通道，通过点阵通道流出模块。其中所述点阵模块材质为铝合金，加热温度通过与挤压模块导热达到接近100℃。

(4)让蜡液浸润滤纸10s后，点阵通道流出的蜡液相互接触，并形成所需图形。抬升热压印模块，启动加热模块上的风冷模块，冷却蜡液10s使其温度降至20℃，使其凝固，终止蜡液继续流出。同时启动基座下的冷却装置，冷却滤纸上的蜡液20s使其温度降至20℃，完成纸微流控芯片的制备。

其中，所述点阵模块点阵通道分布图形如图2中A所示，模块尺寸为115mm×17mm，通道内径为0.4mm。制得纸芯片照片如图2中B所示。

实施例2一种基于点阵热压法的纸微流控芯片的制备方法——条状通道纸芯片

实验步骤：

(1)将整个热压印模块按压到基座上的纸载体上，让点阵模块中中空的点阵通道与滤纸充分接触；

(2)利用挤压模块将蜡块压入加热模块。其中，所述加热模块温度设置为100℃，材质为铝合金；其中，所述蜡块为石蜡。

(3)在加热模块中，蜡块受热融化。融化后的蜡液被挤压入点阵模块的储液池中，并进一步被挤压入点阵模块中的点阵通道，通过点阵通道流出模块。其中所述点阵模块材质为铝合金，加热温度通过与挤压模块导热达到接近100℃。

(4)让蜡液浸润滤纸5s后，点阵通道流出的蜡液相互接触，并形成所需图形。抬升热压印模块，启动加热模块上的风冷模块，冷却蜡液10s使其温度降至20℃，使其凝固，终止蜡液继续流出。同时启动基座下的冷却装置，冷却滤纸上的蜡液20s使其温度降至20℃，完成纸微流控芯片的制备。

其中，所述点阵模块点阵通道分布图形如图3中A所示，模块尺寸为115mm×17mm，所述通道内径为0.2mm。制得纸芯片照片如图3中B所示。

实施例3一种基于点阵热压法的纸微流控芯片的制备方法——花状通道纸芯片

实验步骤：

(1)将整个热压印模块按压到基座上的纸载体上，让点阵模块中中空的点阵通道与滤纸充分接触；

(2)利用挤压模块将蜡块压入加热模块。其中，所述加热模块温度设置为100℃，材质为铁；其中，所述蜡块为低熔点蜡。

(3)在加热模块中，蜡块受热融化。融化后的蜡液被挤压入点阵模块的储液池中，并进一步被挤压入点阵模块中的点阵通道，通过点阵通道流出模块。其中所述点阵模块材质为铝合金，加热温度通过与挤压模块导热达到接近100℃。

(4)让蜡液浸润滤纸5s后，点阵通道流出的蜡液相互接触，并形成所需图形。抬升热压印模块，启动加热模块上的风冷模块，冷却蜡液10s使其温度降至20℃，使其凝固，终止蜡液继续流出。同时启动基座下的冷却装置，冷却滤纸上的蜡液20s使其温度降至20℃，完成纸微流控芯片的制备。

其中，所述点阵模块点阵通道分布图形如图4中A所示，模块尺寸为28mm×21mm，使用内径为0.4mm的通道用于构成主体图形，用0.2mm内径通道修饰细微图形。制得纸芯片照片如图4中B所示。