一种纸基微流控芯片及其制备方法

1.本发明涉及纸基微流控芯片技术领域，尤其涉及一种纸基微流控芯片及其制备方法。


背景技术：

2.纸基微流控芯片是一种基于纸的微流控器件，由于其制备成本低、操作简单、无需外援设备且能够多元检测等优点，所以，纸基微流控芯片在医学诊断、药物研发、水质检测和环境质量监控等领域有很大的应用前景。
3.目前，加工纸基微流控芯片的技术主要有两大类：第一类是通过物理或化学方法局部填堵纸张内部空隙形成的疏水屏障来构建亲水通道，这类技术除常用的蜡印法和光刻法外，还有喷墨打印法、柔性印刷法、丝网印刷法、3d打印法、激光处理法、化学气相沉积法等。第二类是通过物理切割的途径来构建亲水通道，如：激光切割法、电子/手工刀切割法、压花法等。
4.然而，纸基本身比较脆弱，在折叠、弯曲和撕裂等过程中容易损坏，需要额外的材料保护，这会增加芯片加工的复杂程度和加工成本。
5.本领域技术人员为了解决纸质本身比较脆弱的问题，主要通过在上述两大类芯片加工完成之后，再加载在胶带上，以达到保护芯片的目的。然而，胶带对后续芯片上的反应会有一定影响。
6.为此，本发明提供一种纸基微流控芯片及其制备方法。


技术实现要素：

7.为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种纸基微流控芯片及其制备方法。本发明旨在研究一种加工过程简单且稳定性好的纸基微流控芯片，以适应更多对环境变化敏感的反应体系在芯片上的保存,并更好地保证最终检测结果的准确性。
8.本发明的一种纸基微流控芯片及其制备方法是通过以下技术方案实现的：
9.本发明的第一个目的是提供一种纸基微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：
10.步骤1，提供纸基，在纸基上根据实际使用需求加工出所需的图案，以形成的图案作为亲水区域；
11.提供半凝固状态的疏水材料；
12.步骤2，将半凝固状态的疏水材料与具有亲水区域的纸基贴合，随后，使半凝固状态的疏水材料完全固化，即获得所述纸基微流控芯片a。
13.进一步地，所述制备方法还包括以下步骤：
14.步骤3，提供保护膜；
15.步骤4，以所述纸基微流控芯片a作为基底，将所述保护膜贴合于所述纸基微流控芯片设置有亲水性区域的一侧上，即获得半封闭式纸基微流控芯片b。
16.进一步地，采用切割法或印章法加工方式加工纸基，在纸基上根据实际使用需求
加工出所需的图案。
17.进一步地，采用印章法加工纸基时，图案在印章上以凹凸的形式呈现，以凹下部分为亲水区域，以印章凸起部分与半凝固状态下的疏水材料贴合，并使半凝固的疏水材料按照预设图案转移到纸基上，随后再使半凝固状态的疏水材料完全固化，即获得所述纸基微流控芯片a。
18.进一步地，所述疏水材料为固体材料或液体材料。
19.进一步地，所述固体材料为固体石蜡；
20.所述液体材料为聚二甲基硅氧烷。
21.进一步地，当所述疏水材料为固体材料时，通过以下步骤将其加工处理为半凝固状态：
22.将固体材料加热至完全融化，随后冷却至半凝固状态。
23.进一步地，当所述疏水材料为液体材料时，通过以下步骤将其加工处理为半凝固状态：
24.将液体材料与固化剂混合均匀后，除去气泡，随后通过控制温度使其凝固为半凝固状态
25.本发明的第二个目的是提供一种上述制备方法制备的半封闭式纸基微流控芯片。
26.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
27.本发明首先根据实际应用的需求，在纸基上加工出具有特定图案，随后控制疏水材料的固化程度，使其在半凝固的状态下，与加工好的纸基贴合，然后使疏水材料完全固化，得到纸基微流控芯片。
28.本发明的制备方法在常规实验室条件下即可进行，通过加工纸基和控制疏水材料固化两个步骤完成，得到机械强度高且具有一定柔韧度的开放式的纸基微流控芯片，制备方法简单且便捷。
29.本发明以上述开放式的纸基微流控芯片为基质，取一张保护膜将其贴合于纸基微流控芯片上靠近纸基一侧，通过疏水材料与保护膜之间的静电吸附力，使保护膜与纸基微流控芯片可以紧密贴合在一起，形成半封闭的纸基微流控芯片，从而将疏水材料环绕包围的纸基封闭在保护膜内，保证了纸基微流控芯片整体的稳定性的同时，还能够防止纸基上反应试剂地蒸发和被环境污染。当采用印章法加工纸基时，可以通过施加额外作用力，使保护膜与纸基微流控芯片贴合在一起。
30.本发明以上述开放式的纸基微流控芯片为基质，将其夹在两张保护膜中间，通过两张保护膜与疏水材料之间的静电吸附作用，自动贴合于上述开放式的纸基微流控芯片的两侧，达到密封芯片的效果，进一步避免纸基上试剂的蒸发，也进一步避免了芯片被环境污染的情况发生，提高了对纸基微流控芯片的保护作用。
附图说明
31.图1为加工有特殊图案的纸基的结构示意图；
32.图2为简单圆形纸基图案固定在不同凝固状态疏水材料上构成的纸基微流控芯片实物图；
33.图3为实施例2中纸基微流控芯片的制备原理示意图；
34.图4为实施例4中半封闭式的纸基微流控芯片的制备原理示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
36.实施例1
37.本实施例提供一种纸基微流控芯片，本实施例的纸基微流控芯片为开放式结构，且其制备方法如下：
38.步骤1，提供纸基1，在纸基上根据实际使用需求加工出所需的图案，以形成的图案作为亲水区域，获得具有特定图案亲水区域的纸基1；
39.需要说明的是，本发明不限制具体加工方式，只要能够在纸基上加工出符合实际使用需求的图案即可。本实施例中，可选的采用机械切割法进行加工，机械切割法是指利用切割刀、剪刀、打孔器、电子切割刀或激光等工具在纸基上进行切割出符合实际使用需求的图案，如图1所示。
40.本发明为了说明采用本发明方法制备加工纸基的优势，本发明以简单圆形纸基图案为例，分别将在pdms为液体状态、pdms为半凝固状态下放置纸基，进行制备纸基微流控芯片，结果如图2所示，图2中标注的“疏水的纸基”是在pdms为液体状态下放置纸基，得到的是不能承载后续反应试剂的疏水纸基；图2中标注的“亲水纸基”，是在pdms为半凝固状态下放置纸基，加工出的纸基微流控芯片。由图2可以看出，采用本发明方法制备的纸基微流控芯片的效果明显优于在液体状态下制备的。
41.提供半凝固状态的疏水材料2；
42.需要说明的是，本发明不限制疏水材料的具体类型，可以是固体材料也可以是液体材料，只要其在半凝固状态下能部分渗入纸基，使二者边界处结合，同时保证纸基的亲水性即可。本实施例中，疏水材料可选的采用本身为液体状态的聚二甲基硅氧烷(pdms)，且pdms通过以下步骤实现半凝固状态：将pdms和固化剂混匀后，除去气泡，然后，将无气泡且混匀的液态pdms转移到支撑基板3(如培养皿或载玻片)上，将其置于加热使其逐渐凝固为半凝固状态。
43.其中，本实施例不限制加热的温度和时间以及具体加热设备的类型，只要能够使pdms与固化剂混合物逐渐凝固即可。本实施例中，可选的采用烘箱或电加热块进行加热处理。
44.需要说明的是，具体加热温度和时间与试剂的使用量有关，可根据实际所需的用量进行灵活调整。比如将10gpdms与1g固化剂混匀后，于40～60℃的温度下加热10～40min即可使其凝固为半凝固状态。其中，固化剂是市售的pdms试剂中与pdms配套的固化剂，本领域技术人员应当知晓，按照本实施例中的比例将pdms本体和固化剂两部分混合即可。本实施例中，可选的采用美国道康宁dc184硅橡胶作为pdms试剂，其成分为pdms(聚二甲基硅氧烷)和配套的固化剂。
45.本发明不限制除去气泡的具体方式，只要能够除去pdms与固化剂混合物中的气泡即可。本实施例中，可选的采用常温静止或抽真空的方式除去气泡。
46.步骤2，将半凝固状态的疏水材料2与具有亲水区域的纸基1贴合，并使半凝固状态
的疏水材料2部分渗入具有亲水区域的纸基1与其边界处结合；
47.需要说明的是，本实施例不限制半凝固状态的疏水材料2与具有亲水区域的纸基1贴合的具体方式，只要能够使半凝固状态的疏水材料2与具有亲水区域的纸基1贴合在一起即可，如图2所示。本实施例中，可选的，如图3a)所示，将具有亲水区域的纸基1放置在半凝固状态下的疏水材料2上，并在具有亲水区域的纸基1上放置一块平整的基板4，按照图3b)所示的方式，适当在基板4上施加压力，使得半凝固状态的疏水材料2部分渗入具有亲水区域的纸基1与其边界处结合。
48.步骤3，使半凝固状态的疏水材料2完全固化，即获得所述纸基微流控芯片a5，如图3c所示；
49.需要说明的是，本实施例不限制完全固化的具体方式，只要能够实现疏水材料的固化即可。本实施例中，将具有亲水区域的纸基1与半凝固状态的疏水材料2贴合后，继续于40～60℃的烘箱中加热使疏水材料完全固化。
50.实施例2
51.本实施例提供一种纸基微流控芯片，本实施例的纸基微流控芯片为开放式结构，且其制备方法与实施例1的区别仅在于：
52.本实施例中，疏水材料可选为本身为固体材料的固体石蜡。且固体石蜡通过以下步骤加工处理为半凝固状态：根据实际需求，取一定量的固体石蜡切片，并置于模具中加热使之完全融化，然后于室温(20℃)条件下冷却至半凝固状态。
53.其中，本实施例不具体限制模具的类型，只要能够使石蜡在其中熔化后凝固的过程中，不会带来其他杂质即可，可选为玻璃培养皿。
54.本实施例中不具体限制石蜡加热融化的具体温度和时间，只要能够使固体石蜡完全融化即可。
55.本实施例中，半凝固状态石蜡的获得，与石蜡用量、室温和冷却时间均有关系，要根据具体情况来确定。如取10g固体石蜡切片，将其加热完全熔融后于室温下(20℃)冷却20min即可使石蜡处于半凝固状态。
56.还需要说明的是，本实施例将具有亲水区域的纸基与半凝固状态的疏水材料贴合后，继续采用上述步骤2的凝固方式，于室温下继续冷却直至石蜡完全凝固。
57.实施例3
58.本实施例提供一种纸基微流控芯片，本实施例的纸基微流控芯片为开放式结构，且其制备方法与实施例1的区别仅在于：
59.本实施例中，步骤1，采用印章法(也称盖印法)加工纸基1，预加工出的图案在印章上以凹凸的形式呈现，以凹下部分为亲水区域，以凸起部分与半凝固状态下的疏水材料贴合，并使半凝固的疏水材料按照预设图案转移到纸基上，随后再使半凝固状态的疏水材料完全固化，即获得所述纸基微流控芯片a。
60.其他与实施例1相同。
61.需要说明的是，本实施例不限制凸起部分与半凝固状态下的疏水材料贴合的具体方式，只要能够使得半凝固的疏水材料2按照预设图案转移到纸基1上即可。本实施例中，可选的将印章放置在半凝固状态下的疏水材料2上，并使印章凸出部分沾上疏水材料后，采用按压的方式，使得半凝固的疏水材料2按照预设图案转移到纸基上，并渗入纸张内部，形成
疏水屏障；同时半凝固状态的疏水材料2不会在纸基上大范围扩散，因此，可以提高芯片加工的精密度。
62.还需要说明的是，本实施例中的印章法的具体操作直接采用现有技术(如文献：micro&nano letters,2018,vol.13,iss.11,pp.1520-1524，且其doi号为:10.1049/mnl.2018.5334)中所述的方法，本领域技术人员应当知晓，故在此不再赘述。
63.实施例4
64.发明人发现，目前的纸基微流控芯片多数是开放式的芯片，即芯片上的试剂与空气接触，这不仅会造成反应试剂蒸发，还会增加芯片被污染的概率，最终影响芯片的稳定性。需要在相对稳定的条件下保存和运输，才能确保最终检测的灵敏度和准确性。
65.并且针对纸基微流控芯片多数是开放式这一现象，现有技术主要是利用热塑法将纸基微流控芯片局部密封在高聚物膜内，在一定程度上可以降低环境条件的变化对芯片的影响，但是，该方法需要将芯片加热到120℃进行密封，这并不利于一些对温度敏感的反应的进行。
66.为此，本实施例提供一种半封闭式的纸基微流控芯片，且其制备方法与实施例1的区别仅在于：
67.本实施例在实施例1的基础上，还包括：
68.提供保护膜6；
69.如图4a所示，以实施例1制备的纸基微流控芯片5作为基底，将所述保护膜6贴合于所述纸基微流控芯片1设置有具有亲水区域的纸基1的一侧上，通过疏水材料与保护膜之间的静电吸附力，使保护膜6与纸基微流控芯片5可以紧密贴合在一起，获得半封闭式的纸基微流控芯片7，如图4b所示。
70.需要说明的是，本发明不限制保护膜的具体材质，只要能够与疏水材料(pdms)之间具有静电吸附力，能够在静电吸附力的作用下，与纸基微流控芯片5可以紧密贴合在一起即可。本发明的保护膜可以采用多聚物保护膜(如手机贴膜)，也可以根据实际需求，如对光波长有要求，可以选择玻璃、石英等材质的保护膜，只要能够将疏水材料环绕包围的纸基封闭在保护膜内，防止纸基上试剂的蒸发和被环境污染即可。
71.实施例5
72.本实施例提供一种封闭式的纸基微流控芯片，且其制备方法与实施例4的区别仅在于：
73.本实施例中，以实施例3制备的纸基微流控芯片作为基底，以市售静电吸附手机贴膜的封层材料和贴膜作为密封芯片基质，并将两种密封芯片基质分别放置于实施例3制备的纸基微流控芯片的两侧，由于两种密封芯片基质与疏水材料之间的静电吸附作用，会自动贴合于实施例3制备的纸基微流控芯片的两侧面上，可达到密封芯片的效果。
74.还需要说明的是，本实施例主要是基于静电吸附作用的方式实现封闭芯片，与现有热塑法相比，操作更加方便简单，使用面更广，热塑法要将芯片加热到120摄氏度，对于温度敏感的生化反应体系来说，是无法进行的。
75.显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。