一种基于蒸发驱动的纸基微流控芯片及其检测系统和应用的制作方法

本发明涉及检验检疫领域，特别是涉及一种基于蒸发驱动的纸基微流控芯片及其检测系统在全血分析中的应用。

背景技术：

1、即时检测（poct）具有快速、便捷、低成本以及不依赖大型仪器设备的特点，使其成为早期疾病诊断和个人健康监测中极具前景的技术手段。血液样本富含生物信息，是研究最为广泛的人体体液。基于血液的分析不仅有助于疾病诊断、治疗监测和健康状态评估，还能够预测多种疾病的发病风险，从而实现及时干预。因此，血液分析被认为是临床诊断的“金标准”。开发适用于血液分析的poct平台已成为该领域的重要研究方向。

2、近年来，纸基微流控分析装置（µpads）因其便携性、低成本以及纸张材料固有的多孔性和毛细特性（可实现自驱动流体流动）而在poct应用中展现出显著潜力。尽管具有这些优势，µpads用于血液检测时在获得满意分析性能方面仍面临挑战。首先，直接在µpads中使用全血进行分析仍然困难重重。血液中各组分的复杂性和高丰度会严重干扰分析测量，导致检测准确性降低。现有的片上血液分离策略，例如纸基化学修饰或集成商用血浆分离膜，存在分离效率有限、制作工艺复杂等问题。其次，大多数µpads中的流体操控依赖于被动的毛细作用力，难以实现复杂的流体控制。这严重阻碍了片上多功能集成的实现，例如连续进样和片上目标物提取。此外，检测模式单一，缺乏连续监测能力。绝大多数纸基芯片为“单次加样、单次读数”的离散检测模式，无法支持连续进样和实时动态监测，限制了其在需要频繁测量的场景中的应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片及其检测系统。

2、本发明还提供了蒸发驱动的纸基微流控芯片及其检测系统在全血分析中的应用。

3、一种基于蒸发驱动的纸基微流控芯片，包括公共通道，其一端分别连通第一通道和第二通道，另一端分别连通第三通道和第四通道；所述第一通道的上游连通第一吸收区，在所述第一通道上设置有加样点，所述第二通道的上游连通第二吸收区；所述第三通道的下游连通第一蒸发区，所述第四通道的下游连通第二蒸发区，在所述第四通道上设置有检测点。

4、本发明所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片，其中：所述第一吸收区和所述第一蒸发区位于所述公共通道长度方向轴线的同一侧，所述第二吸收区和所述第二蒸发区位于所述公共通道长度方向轴线的另一侧；

5、所述基于蒸发驱动的纸基微流控芯片由亲水性滤纸制成。

6、一种包括所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片的检测系统，其包括电化学检测单元，与所述基于蒸发驱动的纸基微流控芯片中的检测点相连；在所述第一吸收区的下部设置有第一储液池，所述第一吸收区浸没于所述第一储液池中的载体溶液中；在所述第二吸收区的下部设置有第二储液池，所述第二吸收区浸没于所述第二储液池中的载体溶液中；在所述第一蒸发区的下部设置有第一加热单元，在所述第二蒸发区的下部设置有第二加热单元。

7、本发明所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片的检测系统，其中：所述第一加热单元和所述第二加热单元均包括可调温加热板，所述可调温加热板包括温度控制器和温度传感器。

8、本发明所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片的检测系统，其中：所述电化学检测单元包括可拆卸的工作电极、参比电极和辅助电极，所述工作电极采用镀金塑料电极；将所述工作电极置于所述检测点下方，将电信号采集和传输装置的辅助电极和参比电极置于所述检测点上方，构成三电极体系；电极通过三电极接口与电化学工作站连接，实现电化学信号传输。

9、本发明所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片的检测系统，其中：所述电化学检测单元为碳丝网印刷电极，丝网印刷电极置于所述检测点下方，电极通过三电极接口与电化学工作站连接，实现电化学信号传输。

10、本发明所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片或所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片的检测系统在全血分析中的应用。

11、采用本发明所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片的检测系统检测尿酸的方法，包括如下步骤：

12、（1）纸基芯片的制作及电化学检测系统的构建；

13、（2）标准溶液制备：配制了不同浓度的尿酸标准溶液，浓度分别为0.05 mmol/l、0.1 mmol/l、0.5 mmol/l、1 mmol/l和2 mmol/l；

14、（3）电化学流动注射分析：

15、将相应的缓冲溶液引入储液池中，无增强提取情况下，第一储液池和第二储液池中均为0.01 m 磷酸盐缓冲溶液，ph值为 7.4，有增强提取情况下，第一储液池中为磷酸盐缓冲溶液，第二储液池中为含5 mmnaoh的磷酸盐缓冲溶液，待纸基芯片完全饱和后，将加热器加热至所需温度，第一加热单元温度为100℃，第二加热单元温度为95℃；同时，施加恒定电位进行安培检测，并连续记录时间-电流响应曲线，尿酸检测的恒电位为0.45 v；

16、（4）测试：基线稳定后，在加样点依次滴加10 μl不同浓度的尿酸标准溶液，滴加方法为：从低浓度开始滴加，第一次滴加0.05 mmol/l标准溶液，待基线稳定后再滴加0.1mmol/l标准溶液，待基线稳定后再滴加0.5 mmol/l标准溶液，如此依次滴加，直到滴加完所有的标准溶液，得到电化学信号曲线，其峰高与尿酸溶液的浓度有关。

17、采用本发明所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片的检测系统检测对乙酰氨基酚的方法，包括如下步骤：

18、（1）纸基芯片的制作及电化学检测系统的构建；

19、（2）标准样品制备：配制了不同浓度的对乙酰氨基酚标准溶液，浓度分别为0.01mmol/l、0.05 mmol/l、0.1 mmol/l、0.5 mmol/l和1 mmol/l；

20、（3）电化学流动注射分析：

21、将相应的缓冲溶液引入储液池中，无增强提取情况下，第一储液池和第二储液池中均为0.01 m 磷酸盐缓冲溶液，ph值为 7.4，有增强提取情况下，第一储液池中为磷酸盐缓冲溶液，第二储液池中为含5%乙醇的磷酸盐缓冲溶液，待纸基芯片完全饱和后，将加热器加热至所需温度，第一加热单元温度为100℃，第二加热单元温度为95℃；同时，施加恒定电位进行安培检测，并连续记录时间-电流响应曲线，对乙酰氨基酚检测的恒电位为0.3 v；

22、（4）测试：基线稳定后，在加样点依次滴加10 μl不同浓度的对乙酰氨基酚标准溶液，滴加方法为：从低浓度开始滴加，第一次滴加0.01 mmol/l标准溶液，待基线稳定后再滴加0.05 mmol/l标准溶液，待基线稳定后再滴加0.1 mmol/l标准溶液，如此依次滴加，直到滴加完所有的标准溶液，得到电化学信号曲线，其峰高与对乙酰氨基酚溶液的浓度有关。

23、采用本发明所述的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片的检测系统检测大鼠血液中尿酸的方法，包括如下步骤：

24、（1）纸基芯片的制作及电化学检测系统的构建；

25、（2）实际样品前处理：将大鼠血液用磷酸盐缓冲溶液稀释10倍，将稀释后的大鼠血液分为18份；

26、（3）标准加入法校准曲线的配制：取稀释后的大鼠血液4份，分别加入尿酸标准溶液，使得加入尿酸的终浓度分别为0.05 mmol/l、0.1 mmol/l、0.3 mmol/l和0.5 mmol/l；

27、（3）电化学流动注射分析：

28、将相应的缓冲溶液引入储液池中，第一储液池中为磷酸盐缓冲溶液，第二储液池中为含5 mmnaoh的磷酸盐缓冲溶液，待纸基芯片完全饱和后，将加热器加热至所需温度，第一加热单元温度为100℃，第二加热单元温度为95℃，同时，施加恒定电位进行安培检测，并连续记录时间-电流响应曲线；尿酸检测的恒电位为0.45 v；

29、（4）测试：基线稳定后，在加样点依次滴加10 μl加标后的大鼠血液及待测大鼠血液，滴加方法为：

30、先滴加加标后的大鼠血液，从低浓度开始，第一次滴加0.05 mmol/l溶液，待基线稳定后再滴加0.1 mmol/l溶液，待基线稳定后再滴加0.3mmol/l溶液，待基线稳定后再滴加0.5mmol/l溶液，共4份；加标后的大鼠血液滴加完待基线稳定后开始滴加稀释后的大鼠血液，共14份，每次滴加需待前一次基线稳定后再进行，直至14份滴完；得到电化学信号曲线。

31、本发明基于蒸发驱动的纸基微流控芯片与现有技术不同之处在于：

32、本发明基于蒸发驱动的纸基微流控芯片及其检测系统具有如下优点：

33、（1）实现了无泵、无阀、可控的多路层流驱动

34、通过在纸基芯片下游设置两个独立控温的蒸发区，利用局部加热增强蒸发产生稳定的压力梯度，替代了传统依赖被动毛细作用的流动方式，实现了对两股出口通道流速的独立调控，为纸基芯片上复杂流体操控（如在线样品前处理）提供了全新的多路层流驱动方案。

35、（2）实现了全血中红细胞的在线高效分离

36、基于红细胞与小分子目标物在尺寸上的显著差异，结合双层层流流动过程中横向扩散时间的限制，使红细胞基本保留在原流层并流向第一蒸发区，小分子则快速扩散至检测点一侧的流体层，无需离线离心或膜过滤，实现了全血的在线、连续分离，分离效率可达92.5%以上。

37、（3）显著提高了小分子目标物的提取效率与检测灵敏度

38、依据溶质-溶剂相互作用原理，通过在一侧入口引入对目标小分子具有高溶解度的载体溶液，显著增大了目标分子的扩散系数，从而加速其横向扩散进入检测流。实验证明，该方法使尿酸的检测限从0.1 mmol/l降低至0.01 mmol/l，使对乙酰氨基酚的检测限从0.03 mmol/l降低至0.002 mmol/l，灵敏度提升一个数量级以上。

39、（4）实现了纸基芯片的连续进样与实时监测

40、纸基微流控装置集成了血细胞分离，目标物提取和连续样品导入和检测多种功能。利用蒸发区持续维持局部不饱和状态，同一芯片可完成10次以上的重复加样（实验证明最多可达18次），打破了传统纸基芯片“单次使用、单次读数”的限制，适用于需要动态监测浓度变化的场景，显著提升了检测效率。

41、（5）具备良好的检测通用性与电极兼容性

42、纸基芯片可适配不同的电极（如镀金塑料电极、丝网印刷碳电极），适用于尿酸、对乙酰氨基酚等多种目标物的电化学检测，拓展了装置的适用范围。

43、下面结合附图对本发明的基于蒸发驱动的纸基微流控芯片、检测系统及应用做进一步说明。