一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控芯片及检测方法与流程

本发明涉及一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控芯片及检测方法。

背景技术：

根据调查国内糖尿病发病率在过去30年内猛增，目前血糖不正常的人有2.64亿。葡萄糖是人体生命活动中不可缺少的物质，其含量是衡量新陈代谢能力和监控疾病病情状况的重要指标，尤其是对临床糖尿病的诊断中，血糖浓度的实时监测是控制患者病情的重要手段。目前，葡萄糖的测定方法主要有分光光度法、电化学法和高效液相色谱法等，但这些技术均存在分析速度较慢、成本较高、现场即时检测较难等一定的局限性。因此，建立快速简单、经济准确、现场即时监测的葡萄糖检测方法，可有效解决现有葡萄糖检测中的实际问题，对人体健康及疾病的预防、诊断和治疗监控有着重要意义和广阔的应用前景。

具有简单方便、易加工、低成本、微型化、便携化等独特优势的纸基微流控芯片能够做到糖尿病的前期预防，中期控制和后期治疗。本发明基于条状的梯度阵列与楔形通道所构成的润湿梯度的自驱动型纸基微流控芯片结合不同浓度葡萄糖流动的颜色带长度变化实现了其在葡萄糖浓度的微检测。根据不同浓度的葡萄糖溶液在检测流道内所形成的颜色带长度的不同，可直观地区分浓度的大小。另外，由于结合了楔形结构和表面能梯度，液滴在流道中将具有更大的驱动力，从而简化了外部压力系统等辅助设备，更易实现系统的微型化和便携化。

技术实现要素：

针对现有存在的问题，本发明提出一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控芯片及检测方法，该方法能根据颜色带长度变化的准确的检测出葡萄糖溶液的浓度，不需要依赖较多的设备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控芯片，所述纸基微流控芯片是将下述基础芯片进行染色处理得到，所述基础芯片包括楔形流道，楔形流道的楔形角为4°；流道的方向为：从较窄的初始端到较宽的末端；所述楔形流道内部具有功能图案，所述功能图案沿流道方向分为多个分段区域；每个分段区域中的功能图案由若干个带状区域的亲水图案和若干个条状的疏水图案交替拼接而成；所述条状的疏水图案关于楔形流道的中间轴左右对称，每个分段区域的条状的疏水图案与楔形流道的中心轴线方向平行；从楔形流道的始端至末端，条状的疏水图案的宽度不变，相邻两个疏水图案之间的间距逐渐增大，条状疏水图案逐渐减少，从而亲水面积增大。所述楔形流道提供拉普拉压力；通过改变楔形流道内部的亲疏水面积分数，提供润湿梯度力。所述染色处理为：

将碘化钾溶液铺满在整个流道上，室温风干，将以1:1体积比混合的100u/mg的葡萄糖氧化酶和活性大于300unit/mg的辣根过氧化物酶的混合溶液铺满在整个流道上，室温风干。

进一步地，所述功能层图案结构分为10个分段。

进一步地，所述流道最外侧为疏水性条状图案结构，构成楔形通道，防止液滴扩散到流道外。

进一步地，所述基础芯片的制备方法：对一疏水的楔形基底进行光刻，构建亲水的图案。

一种基于颜色带长度变化的葡萄糖浓度检测方法，该方法基于权利要求1所述的芯片实现，该方法为：将待测的葡萄糖溶液滴在流道初始端，根据不同浓度的葡萄糖溶液在检测流道内所形成的颜色带长度的不同，可直观地区分浓度的大小。

本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明所需制作设备简单、操作简便、在空气中即可实施；掩膜板采用打印技术，制作成本低廉；

(2)利用不同浓度的葡萄糖溶液在纸基微流控芯片流道上流动的颜色带长度不同这一性质，来检测葡萄糖溶液浓度，方法简单，操作方便，并且不需要复杂的设备。

附图说明

图1液滴在条状的梯度阵列与楔形流道中定向铺展的示意图。

图2为条状的梯度阵列与楔形流道的结构示意图。

图3为各种不同浓度的葡萄糖溶液在梯度润湿表面的流动长度图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

图1、2为本发明基础芯片的结构图，包括楔形流道，楔形流道的楔形角为4°；流道的方向为：从较窄的初始端到较宽的末端；所述楔形流道内部具有功能图案，所述功能图案沿流道方向分为多个分段区域；每个分段区域中的功能图案由若干个带状的亲水图案和若干个条状的疏水图案交替拼接而成；所述条状的疏水图案关于楔形流道的中间轴左右对称，每个分段区域的条状的疏水图案与楔形流道的中心轴线方向平行；从楔形流道的始端至末端，条状的疏水图案的宽度不变，相邻两个疏水图案之间的间距逐渐增大，条状疏水图案逐渐减少，从而亲水面积增大。所述楔形流道提供拉普拉压力；通过改变楔形流道内部的亲疏水面积分数，提供润湿梯度力。

图1中我们构建了液滴在带有条形阵列梯度的楔形流道中定向铺展的示意图，其中液体凸起的净轴向拉普拉斯压力梯度可以计算为：

α为楔形流道的楔形角，δ(x)为本征的通道宽度，压力梯度将驱动液滴流向通道更宽的地方。表明拉普拉斯压力梯度与α成正比，与δ(x)的平方成反比。

另外，梯度阵列所形成的表面能梯度同样能提供一个驱动力fd:

r为液滴接触基底时的初始接触半径，k为液滴沿着液滴运动方向的接触角梯度，θ为沿着液滴运动方向的接触角。

液滴运动的阻力同样是由接触角滞后产生的滞后力fh，其表达式为：

fh＝2rγlv(cosθr-cosθa)

其中θr和θa是液滴沿润湿梯度方向的后退角和前进角。

通过合理的设计表面润湿梯度的变化，能够很好的控制液滴的流速和流动的距离。

图2中，w1为楔形流道起始宽度，l为流道总长度，为楔形流道夹角，w0为条带的宽度，l0为条带的长度，p0为楔形流道第一个阵列中的条带中心距，δp为相邻阵列中条带中心距的变化为0.04mm。通过合理地调节以上的结构参数可以改变液滴在流道中的流速和流动长度，以适应不同的实际需求。

本发明所述的亲水是指接触角小于5°，相反，疏水是指接触角大于150°。

如图3所示将50μl碘化钾溶液铺满在整个流道上，待室温风干8min后，将0.8μl以1:1体积比混合的100u/mg的葡萄糖氧化酶和活性大于300unit/mg的辣根过氧化物酶的混合溶液铺满在整个流道上，室温风干，即得到本发明用于葡萄糖浓度检测的纸基微流控芯片。

使用时，然后将2μl浓度待检测的葡萄糖溶液滴在流道起始处，这时将会发生一系列的化学反应，葡萄糖将被葡萄糖氧化酶氧化以产生葡萄糖酸和过氧化氢，随后过氧化氢将碘化物氧化形成砖红色的碘，同时辣根过氧化物酶也会将产生的过氧化氢还原成水，再根据不同浓度的葡萄糖溶液在检测流道内所形成的颜色带长度的不同，可直观地区分浓度的大小。

实施例1

本发明所述的利用颜色带长度变化纸基微流控芯片检测葡萄糖浓度的方法，包括以下步骤：

1)制备二氧化钛纳米粒子悬浮液：将0.1g粒径大小为25nm左右的二氧化钛粉末散在10ml的乙醇中，超声1小时，使其分散均匀。将20μl的tmos(trimethoxyoctadecylsilane，十八烷基三甲氧基硅烷)加到分散液中超声10分钟后，室温下反应12小时，即可得到硅烷化后的二氧化钛纳米粒子悬浮液。

2)制备微纳复合结构的超疏水滤纸片：将滤纸裁剪成1.5cm×3cm的小片，然后把滤纸浸泡在硅烷处理过的分散液中，5分钟后取出，室温下自然干燥，如此反复操作3次，即可得到具有微纳复合结构的超疏水滤纸片。

3)制备掩膜板：通过高分辨率的激光打印机在石英玻璃上打印出预先设计的楔形图案，其中图案的参数包括楔形图案起始宽度、图案总长、图案的楔角、条带的宽度，条带的长度，楔形流道第一个阵列中的条带中心距、相邻阵列中条带中心距的变化等。得到条状的梯度阵列与楔形通道图案的石英玻璃即为掩膜板；所述的图案整体为楔形，所述的透光区整体划分为多个区域，同一区域均布若干关于中间轴对称且平行于竖直方向的条状掩模图案，整个区域最外围是夹角成4°且关于中间轴对称两条掩模图案。每个区域的透光图案面积分数不同，图案从较窄区域的初始端到末端，条状掩模图案成梯度适当的减少，带状透光区域的面积成梯度逐渐增大。

4)制备微流控芯片：在石英掩模板的辅助下，利用深紫外光uv/o3(275w，390nm)对其进行区域选项择性曝光，曝光区域的硅烷被光解，得到亲水的流道，即可将掩膜板上设计的图案复制到超疏水滤纸片上，从而制备出条状的梯度阵列与楔形通道所构成的润湿梯度的自驱动型纸基微流控芯片。

5)纸基微流控芯片的显色处理：将50μl碘化钾溶液铺满在整个流道上，待室温风干8分钟后，将0.8μl以1:1体积比混合的葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶溶液铺满在整个流道上。当葡萄糖溶液滴在流道上时将会发生一系列的化学反应，葡萄糖将被葡萄糖氧化酶氧化以产生葡萄糖酸和过氧化氢，随后过氧化氢将碘化物氧化形成砖红色的碘，同时辣根过氧化物酶也会将产生的过氧化氢还原成水。

6)建立颜色带长度-葡萄糖浓度标准库。取已知浓度的葡萄糖溶液，用滴管吸取2μl葡萄糖溶液滴在上述的流道上，这时将会发生一系列的化学反应，葡萄糖将被葡萄糖氧化酶氧化以产生葡萄糖酸和过氧化氢，随后过氧化氢将碘化物氧化形成砖红色的碘，同时辣根过氧化物酶也会将产生的过氧化氢还原成水。记录该葡萄糖的水溶液在流道上对应的颜色带长度。按此方法得到水溶液中葡萄糖浓度从1％到99％(间隔为1％)时对应的颜色带长度。即得到颜色带长度-葡萄糖溶液浓度-对应的标准库。

7)测定待测葡萄糖溶液浓度：用滴管吸取与标准库中体积相等(2μl)的待测葡萄糖溶液。滴在纸基微流控芯片的流道上。记录待测葡萄糖溶液在流道上的颜色带长度。然后与步骤6中的颜色带长度-葡萄糖溶液浓度-标准库对比，配对出颜色带长度相同的标准库中的葡萄糖溶液浓度，即可得到待测葡萄糖溶液的浓度。

所述的硅烷为2μl，97wt％的十八烷基三甲氧硅烷。

所述的二氧化钛粒径为25nm。

所述碘化钾溶液为5μl纯度不小于99.0％的碘化钾溶液。

所述葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶溶液为0.8μl以1:1体积比混合的100u/mg的葡萄糖氧化酶和活性大于300unit/mg的辣根过氧化物酶。

实施例2

用滴管分别吸取2μl的2.5mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、40mm、45mm、50mm的葡萄糖溶液，滴在纸基微流控芯片的流道上。显然，不同的浓度葡萄糖溶液对应于不同长度的颜色带。用钢尺可以容易的测量不同浓度葡萄糖溶液在流道上所流的长度。依据此方法即可建立流动长度和葡萄糖浓度一一对应的标准库，从而检测未知葡萄糖溶液的浓度。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。