微流體自驅動式紙基微流控芯片、制備方法及其應用
【專利摘要】微流體自驅動式紙基微流控芯片、制備方法及其應用，所述的制備方法包括首先將二氧化鈦粒子硅烷化處理得到超疏水的涂覆液，然后把濾紙浸泡在上述涂覆液中，室溫下自然干燥，由于超疏水納米粒子吸附在濾紙纖維上從而得到具有微納復合結構的超疏水濾紙片；然后在掩膜板上設計好微流控芯片的幾何尺寸，在掩膜板輔助下，用深紫外光(UV)對其進行區(qū)域選擇性曝光，即可將設計好的微流控芯片的圖案復制到濾紙上；所述的微流控芯片包括濾紙、涂覆在濾紙表層的親?疏水層；所述的親?疏水層設有至少一條親水流道，親水流道內設計有梯度變化的疏水微圖案，在流道內形成潤濕梯度。本發(fā)明的有益效果是：操作簡單、制作成本低廉；具有潤濕梯度的流道實現了微流體的自驅動，極大降低了微流體驅動的成本。
【專利說明】
微流體自驅動式紙基微流控芯片、制備方法及其應用
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種微流體自驅動式紙基微流控芯片、制備方法及其應用，尤其是在雙氧水檢測中的應用。
【背景技術】
[0002]2007年，Whitesides首次提出“微流控紙分析器件” (microfluidic paper-basedanalytical devices,yPADs)的概念，即通過各種微加工技術，在濾紙上構建流體通道網絡及相關分析器件，建立“紙上微型實驗室” (lab-on-paper)。相比于傳統(tǒng)的微流控芯片，紙基微流控芯片具有諸多顯著優(yōu)點，如制作方便、成本低廉、體積小重量輕、便于運輸和儲存、操作性強、生物兼容性好、功能性強、后處理簡單等。利用紙研制的紙基微流控芯片及其應用現已成為微流控芯片技術研究的新領域。紙基微流控芯片可以作為微型化、便攜式的現場快速檢測器件，將在醫(yī)學快速診斷、食品安全快速檢測以及環(huán)境質量快速監(jiān)控等領域具有巨大潛在應用價值兩個月前的天津危險化學藥品爆炸給了我們慘痛的教訓，在警示如何安全保存和運輸化學藥品的同時，也對事后在盡可能短的時間內獲取污染。
[0003]雖然紙基微流控芯片近幾年快速發(fā)展，但是不可否認的是紙基微流控紙芯片還處在發(fā)展的初期，現有的紙芯片加工技術、流體操控技術、檢測技術還遠遠不能滿足實際應用的需要，許多細節(jié)和關鍵點有待發(fā)展和克服。現紙基微流控芯片存在的不足之處有如下幾點:I)雖然目前已經報道的紙芯片加工技術和方法不少，但每一種都有其長處和局限性。從方法的簡易性、普適性、經濟性和是否適合批量生產看，蠟打印技術、噴墨打印技術是比較有前景的兩種加工方法。但是其存在加工精度不知的問題，如何提高這兩種技術的圖案化精度，還有不少研究可做。2)紙芯片往往無法滿足復雜的微流控系統(tǒng)，利用切紙技術等得到的紙芯片任然需要外動力源。復雜微流控系統(tǒng)的多步預處理與反應、多組分同時檢測等要求對液流進行方向性或有序性的操控。目前這方面的研究還很少，如何通過流道幾何構型(親水通道的粗細、長短、形狀等)的設計、經過修飾形成表面潤濕梯度的設計、并集成微閥等方式來實現紙芯片上流體自驅動式、方向性或有序可控流動，今后還有很多研究工作需要開展。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明針對目前的紙基微流控芯片無法滿足復雜的微流控系統(tǒng)、加工精度低的問題，提出了一種加工精度高、可以滿足復雜的微流控系統(tǒng)的微流體自驅動式紙基微流控芯片、制備方法及其應用。
[0005]本發(fā)明所述的微流體自驅動式紙基微流控芯片的制備方法，包括以下步驟:
[0006]I)制備超疏水二氧化鈦涂覆液:將二氧化鈦粉末與無水乙醇混合后在50?10Hz條件下超聲配成的二氧化鈦懸浮液，再加入硅烷，繼續(xù)在50?10Hz條件下超聲混勻，然后室溫下反應1?15h，得到超疏水二氧化鈦涂覆液；，所述的無水乙醇的加入量以二氧化鈦質量計為0.01?0.02g/mL，所述硅烷與二氧化鈦懸浮液體積比為0.01?0.03:1;
[0007]2)制備超疏水濾紙:將濾紙片浸泡在上述的超疏水二氧化鈦涂覆液中I?3min后取出，室溫下自然干燥;反復操作多次，即可得到具有微納復合結構的超疏水濾紙片；
[0008]3)制備掩膜板:在計算機上設定好待打印在膠片上的流道圖形的參數，每條流道圖形均分布相應的透光圖案，其中設定參數包括流道圖形的條數、排布、每條流道圖形上分布的透光圖案的形狀、排布、圖案密度以及圖案間距，然后通過高分辨的激光打印機在膠片上打印出來，此時帶圖案的膠片即為掩膜板;所述的流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布若干疏水圖案，每個疏水圖案對應基體相應位置為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的區(qū)域為超親水區(qū)；沿加樣區(qū)到檢測區(qū)方向，相鄰區(qū)域之間的疏水圖案的圖案間距梯度漸減，即相應的基體上的超親水區(qū)所占比例呈梯度遞增，，即在流道內從加樣區(qū)向檢測區(qū)方向具有親水性逐漸遞增的潤濕梯度；
[0009]4)制備微流控芯片:將掩膜板覆蓋在超疏水濾紙片上，然后開啟深紫外光(UV)光源，紫外光透過掩膜板的透光區(qū)域照射到超疏水濾紙表面，曝光的區(qū)域從超疏水轉變?yōu)槌H水，未被曝光的區(qū)域仍然保持超疏水性，即可將在掩膜板上設計好的微流控芯片圖案復制到濾紙上。
[0010]所述的硅烷為十八烷基三甲氧基硅烷。
[0011]步驟I)中的超聲時間為30?60min。
[0012]步驟2)中的超聲時間為10?20min。
[0013]根據本發(fā)明所述的制備方法制備的微流控芯片，其特征在于:包括濾紙、涂覆在濾紙表層的親-疏水層，所述的親-疏水層設有至少一條帶潤濕梯度的親水流道;所述的親水流道一端作為加樣區(qū)、另一端作為檢測區(qū)；所述的親水流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布若干疏水圖案，每個疏水圖案對應基體相應位置為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的區(qū)域為超親水區(qū)；沿加樣區(qū)到檢測區(qū)方向，親水流道上的相鄰區(qū)域內的疏水圖案的個數遞減，即相應的基體上的超親水區(qū)所占比例呈梯度遞增，整個親水流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)形成親水性逐漸增強的潤濕梯度，進而實現檢測液體的自驅動。
[0014]所述的流道為楔形流道，其中楔形角為4?10°;并且楔形結構的短底邊一側為加樣區(qū)，梯形的長底邊一側為檢測區(qū)。
[0015]所有的親水流道圍成一圈，并且所述的親水流道的加樣區(qū)為圓心，所述的親水流道徑向分布。
[0016]根據本發(fā)明所述的微流控芯片在雙氧水檢測中的應用，其特征在于:所述的應用方法按以下步驟進行:
[0017](I)將不同濃度的碘化鉀負載在檢測區(qū)，將已知濃度的雙氧水滴入被測樣品加樣區(qū)，雙氧水液滴能夠快速自動的通過流道，到達被檢測區(qū)，檢測區(qū)的碘化鉀經雙氧水的氧化變色；
[0018](2)顏色灰度處理過程:拍攝檢測區(qū)的圖片，并將獲得的圖片經過灰度處理得到相應的灰度圖，最后通過mtalab軟件提取出相應灰度圖的強度值，然后將碘化鉀的濃度與相應的圖片的強度值擬合得到相應的線性方程；
[0019](3)測定未知濃度的雙氧水:將未知濃度的雙氧水滴入加樣區(qū)，將已知濃度的碘化鉀滴入檢測區(qū)，待雙氧水液滴能夠快速自動的通過流道，到達被檢測區(qū)，檢測區(qū)的碘化鉀經雙氧水的氧化變色；
[0020](4)顏色灰度處理過程:拍攝檢測區(qū)的圖片，并將獲得的圖片經過灰度處理得到相應的灰度圖，最后通過mtalab軟件提取出相應灰度圖的強度值，然后將碘化鉀的濃度代入步驟(2)獲得的線性方程中，得出待測雙氧水的濃度值。
[0021]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0022]I)構造微納復合結構，使得流道內外的親疏水性差距增大，防止液滴擴散到流道夕卜，解決精度不足的問題。
[0023]2)結合楔形結構和表面潤濕梯度，為微液滴提供驅動力，實現自驅動，從而簡化了外部壓力系統(tǒng)等輔助設備，更易實現系統(tǒng)的微型化、產業(yè)化和便攜化，可用于資源缺乏時的快速診斷、野外軍事作業(yè)、家庭醫(yī)療及食品的安全檢測。
[0024]3)不限于雙氧水的檢測，其他化學反應，生物檢測等運用均可在該紙基微流控芯片中完成。
【附圖說明】
[0025]圖1(a)為紙基微流控芯片的示意圖；(b)為流道(a)中局部放大圖(C)為(a)中其中一條流道的示意圖。其中標號說明如下:I是濾紙基底，2是濾紙上的親/疏水層，21為具備潤濕梯度的親水流道;22為加樣區(qū)；23是檢測區(qū)域，24為親水流道內的超疏水微圖案;箭頭表示液體流動方向。
[0026]圖2(a)為液滴在超疏水的濾紙上的光學圖片；(b)為曝光后的形成的親水圖案的光學圖片。
[0027]圖3不同濃度的碘化鉀被雙氧水還原后可視的顏色的變化的光學圖片。
[0028]圖4灰度值隨著碘化鉀濃度的變化。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖進一步說明本發(fā)明
[0030]參照附圖:
[0031]實施例1本發(fā)明所述的微流體自驅動式紙基微流控芯片的制備方法，包括以下步驟:
[0032]I)制備超疏水二氧化鈦涂覆液:將0.1g二氧化鈦粉末與1mL無水乙醇混合后在I OOHz條件下超聲30min配成0.01 g/mL的二氧化鈦懸浮液，再加入0.2mL十八燒基三甲氧基硅烷，繼續(xù)在10Hz條件下超聲混勻，然后室溫下反應12h，得到超疏水二氧化鈦涂覆液;所述十八燒基二甲氧基娃燒與一■氧化欽懸浮液體積比為0.02:1 ；
[0033]2)制備超疏水濾紙:將直徑為9cm的濾紙片浸泡在上述的超疏水二氧化鈦涂覆液中5min后取出，室溫下自然干燥;反復操作3次，即可得到具有微納復合結構的超疏水濾紙片;液滴在表面呈現球形狀，如圖2(a)所示，其接觸角大小為158.5°;
[0034]3)制備掩膜板:在計算機上設定好待打印在膠片上的流道圖形的參數，每條流道圖形均分布相應的透光圖案，其中設定參數包括流道圖形的條數、排布、每條流道圖形上分布的透光圖案的形狀、排布、圖案密度以及圖案間距，然后通過高分辨的激光打印機在膠片上打印出來，此時帶圖案的膠片即為掩膜板;所述的流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布若干疏水圖案，每個疏水圖案對應基體相應位置為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的區(qū)域為超親水區(qū)；沿加樣區(qū)到檢測區(qū)方向，親水流道上的相鄰區(qū)域內的疏水圖案的個數遞減，即相應的基體上的超親水區(qū)所占比例呈梯度遞增，整個親水流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)形成親水性逐漸增強的潤濕梯度，進而實現檢測液體的自驅動。；
[0035]4)制備微流控芯片:將掩膜板覆蓋在超疏水濾紙片上，然后開啟UV光源，使得超疏水濾紙片表面在UV光源下曝光lOmin，被曝光區(qū)域由超疏水轉變?yōu)槌H水，即得到紙基的微流控芯片，其中所述的UV輻照強度為15mff cm—2，波長為390nm;高度間距為20cm，如圖2 (b)所不O
[0036]實施例2根據實施例1所述的制備方法制備的微流控芯片，包括濾紙1、涂覆在濾紙表層的親-疏水層2，所述的親-疏水層2設有至少一條帶梯度潤濕表面的親水流道21;所述的親水流道21—端作為加樣區(qū)22、另一端作為檢測區(qū)23;所述的親水流道21從加樣區(qū)22到檢測區(qū)23劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布若干疏水圖案24，每個疏水圖案24對應基體相應位置為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的區(qū)域為超親水區(qū);沿加樣區(qū)到檢測區(qū)方向，親水流道上的相鄰區(qū)域內的疏水圖案的個數遞減，即相應的基體上的超親水區(qū)所占比例呈梯度遞增，整個親水流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)形成親水性逐漸增強的潤濕梯度，進而實現檢測液體的自驅動。。
[0037]所述的流道為楔形流道，其中楔形角為6°;并且楔形的短底邊一側為加樣區(qū)，楔形的長底邊一側為檢測區(qū)。
[0038]所有的親水流道21圍成一圈，并且所述的親水流道21的加樣區(qū)為圓心，所述的親水流道徑向分布。
[0039]實施例3根據實施例2所述的微流控芯片在雙氧水檢測中的應用，所述的應用方法按以下步驟進行:
[0040](I)將8x10—4M、4xlO—4M、lxlO—4M、0.1xl0—4M四種不同濃度的碘化鉀負載在檢測區(qū)，將3 %的雙氧水滴入被測樣品加樣區(qū)，雙氧水液滴能夠快速自動的通過流道，到達被檢測區(qū)，檢測區(qū)的碘化鉀經雙氧水的氧化變色;雙氧水液滴能夠快速自動的通過流道，到達被檢測區(qū)域，碘化鉀被雙氧水還原成帶顏色的碘，不同濃度的碘化鉀被還原后顯示的顏色強度不同；
[0041](2)顏色灰度處理過程:拍攝檢測區(qū)的圖片，并將獲得的圖片經過灰度處理得到相應的灰度圖，假設圖片的名字為a.jpgim= imread( ’a.jpg ’);最后通過mtalab軟件的im =rgb2gray(im)命令得到灰度圖，如圖3所示;最后通過imshow( im)命令來提取出相應灰度圖的強度值，強度值隨碘化鉀濃度的變化如圖4所示，分別為122，111，100，96，然后將碘化鉀的濃度與相應的圖片的強度值擬合得到相應的線性方程為y = 3.62x+95.5;
[0042](3)測定未知濃度的雙氧水:將未知濃度的雙氧水滴入加樣區(qū)，將已知濃度的碘化鉀滴入檢測區(qū)，待雙氧水液滴能夠快速自動的通過流道，到達被檢測區(qū)，檢測區(qū)的碘化鉀經雙氧水的氧化變色；
[0043](4)顏色灰度處理過程:拍攝檢測區(qū)的圖片，并將獲得的圖片經過灰度處理得到相應的灰度圖，最后通過mtalab軟件提取出相應灰度圖的強度值，然后將碘化鉀的濃度代入步驟(2)獲得的線性方程中，得出待測雙氧水的濃度值。
[0044]本說明書實施例所述的內容僅僅是對發(fā)明構思的實現形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領域技術人員根據本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。
【主權項】
1.微流體自驅動式紙基微流控芯片的制備方法，包括以下步驟: 1)制備超疏水二氧化鈦涂覆液:將二氧化鈦粉末與無水乙醇混合后在50?10Hz條件下超聲配成的二氧化鈦懸浮液，再加入硅烷，繼續(xù)在50?10Hz條件下超聲混勻，然后室溫下反應10?15h，得到超疏水二氧化鈦涂覆液；，所述的無水乙醇的加入量以二氧化鈦質量計為0.01?0.02g/mL，所述娃燒與二氧化鈦懸浮液體積比為0.01?0.03:1; 2)制備超疏水濾紙:將濾紙片浸泡在上述的超疏水二氧化鈦涂覆液中I?3min后取出，室溫下自然干燥;反復操作多次，即可得到具有微納復合結構的超疏水濾紙片； 3)制備掩膜板:在計算機上設定好待打印在膠片上的流道圖形的參數，每條流道圖形均分布相應的透光圖案，其中設定參數包括流道圖形的條數、排布、每條流道圖形上分布的疏水圖案的形狀、排布、圖案密度以及圖案間距，然后通過高分辨的激光打印機在膠片上打印出來，此時帶圖案的膠片即為掩膜板;所述的流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布若干疏水圖案，每個疏水圖案對應基體相應位置為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的區(qū)域為超親水區(qū)；沿加樣區(qū)到檢測區(qū)方向，親水流道上的相鄰區(qū)域內的疏水圖案的個數遞減，即相應的基體上的超親水區(qū)所占比例呈梯度遞增，整個親水流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)形成親水性逐漸增強的潤濕梯度，進而實現檢測液體的自驅動； 4)制備微流控芯片:將掩膜板覆蓋在超疏水濾紙片上，然后開啟深紫外光(UV)光源，紫外光透過掩膜板的透光區(qū)域照射到超疏水濾紙表面，曝光的區(qū)域從超疏水轉變?yōu)槌H水，未被曝光的區(qū)域仍然保持超疏水性，即可將在掩膜板上設計好的微流控芯片圖案復制到濾紙上。2.如權利要求1所述的微流體自驅動式紙基微流控芯片的制備方法，其特征在于:所述的娃燒為十八燒基二甲氧基娃燒。3.如權利要求1所述的微流體自驅動式紙基微流控芯片的制備方法，其特征在于:步驟1)中的超聲時間為30?60min。4.如權利要求1所述的微流體自驅動式紙基微流控芯片的制備方法，其特征在于:步驟2)中的超聲時間為10?20min。5.根據權利要求1所述的制備方法制備的微流控芯片，其特征在于:包括濾紙、涂覆在濾紙表層的親-疏水層，所述的親-疏水層設有至少一條帶梯度潤濕表面的親水流道;所述的親水流道一端作為加樣區(qū)、另一端作為檢測區(qū)；所述的親水流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布若干疏水圖案，每個疏水圖案對應基體相應位置為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的區(qū)域為超親水區(qū);沿加樣區(qū)到檢測區(qū)方向，親水流道上的相鄰區(qū)域內的疏水圖案的個數遞減，即相應的基體上的超親水區(qū)所占比例呈梯度遞增，整個親水流道從加樣區(qū)到檢測區(qū)形成親水性逐漸增強的潤濕梯度，進而實現檢測液體的自驅動。6.根據權利要求5所述的微流控芯片，其特征在于:所述的流道為楔形流道，其中楔形角為4?10°;并且楔形的短底邊一側為加樣區(qū)，楔形的長底邊一側為檢測區(qū)。7.根據權利要求6所述的微控流芯片，其特征在于:所有的親水流道圍成一圈，并且所述的親水流道的加樣區(qū)為圓心，所述的親水流道徑向分布。8.權利要求5?7任意一項所述的微流控芯片在雙氧水檢測中的應用，其特征在于:所述的應用方法按以下步驟進行: (I)將不同濃度的碘化鉀負載在檢測區(qū)，將已知濃度的雙氧水滴入被測樣品加樣區(qū)，雙氧水液滴能夠快速自動的通過流道，到達被檢測區(qū)，檢測區(qū)的碘化鉀經雙氧水的氧化變色； (2)顏色灰度處理過程:拍攝檢測區(qū)的圖片，并將獲得的圖片經過灰度處理得到相應的灰度圖，最后通過mtalab軟件提取出相應灰度圖的強度值，然后將碘化鉀的濃度與相應的圖片的強度值擬合得到相應的線性方程； (3)測定未知濃度的雙氧水:將未知濃度的雙氧水滴入加樣區(qū)，將已知濃度的碘化鉀滴入檢測區(qū)，待雙氧水液滴能夠快速自動的通過流道，到達被檢測區(qū)，檢測區(qū)的碘化鉀經雙氧水的氧化變色；(4)顏色灰度處理過程:拍攝檢測區(qū)的圖片，并將獲得的圖片經過灰度處理得到相應的灰度圖，最后通過mtalab軟件提取出相應灰度圖的強度值，然后將碘化鉀的濃度代入步驟(2)獲得的線性方程中，得出待測雙氧水的濃度值。
【文檔編號】G01N21/78GK105833926SQ201610270390
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】吳化平, 劉愛萍, 張征, 丁浩, 柴國鐘, 朱凱, 曹彬彬, 吳兵兵
【申請人】浙江工業(yè)大學, 浙江理工大學