聲表面波輔助實現(xiàn)紙基微流分析*

張 悅，章安良，查 燕，尉一卿，韓慶江

(寧波大學信息學院電路與系統(tǒng)研究所，浙江寧波315211)

微流器件因具有樣品用量少，操作簡單，易于攜帶等優(yōu)點得到國內外專家廣泛重視［1－3］。紙基微流器件是微流控學一個新的、重要研究領域［4－6］，它不僅具有極低的成本，且制作工藝簡單［7－8］。因而，它為市場潛力巨大的即時診斷系統(tǒng)(POCT)所應用［9］。紙基微流器件的制作是紙基微微流分析前提，已報道了多種紙基微流器件的制作方法，如Martinez［10－11］等提出掩膜光刻法制作紙基微流器件，它將紙浸入光刻膠，并經(jīng)紫外光曝光，將未曝光部分光刻膠(如SU-8)清洗，光刻出紙基微通道。掩膜光刻法的優(yōu)點是通道分辨率高，其缺點是需要有機溶劑來去除不需要的光刻膠，留下一層疏水性有機殘渣，且光刻膠機械柔軟性較差，易受機械損傷。George等［12］提出了采用自行改裝的繪圖儀將PDMS的己烷溶液繪圖到紙基片上，使得PDMS滲透入紙基，并在70℃恒溫箱中固化1 h，形成疏水微通道壁，以構建紙基微通道。同時，采用所研制的紙基器件進行尿液中葡萄糖和蛋白質檢測。該方法相對于掩膜光刻法的優(yōu)點是:PDMS是彈性體，比光刻膠更柔性，可折疊，不易機械損傷，廉價，無毒。其缺點是，PDMS滲透性較好，容易沿著紙基片中纖維滲透，使得紙基微通道的側壁平整性較差，通道分辨率較低。Xu［13］等以濾紙作為基片，采用數(shù)字噴墨打印方法將烷基烯酮二聚體－庚烷溶液打印到濾紙上，在100℃的爐中烘5 min，使得烷基烯酮二聚體結合于纖維素纖維上，打印區(qū)域呈現(xiàn)好的疏水性，而沒有打印區(qū)域保留親水性，制作了紙基微流通道，并定量檢測了亞硝酸根離子濃度。Yao等［14］提出了3種不同方式制作紙基微流器件，分別采用蠟筆繪圖、打印與蠟筆繪圖結合和石蠟打印方法制作了紙基微流器件。這些紙基微流器件的制作方法都有其優(yōu)點和適用場合，但也有其有待改進之處。

本文提出了一種新的、基于印刷電路技術的紙基微流器件的制作方法。首先采用電路設計軟件設計紙基微通道圖案，并采用熱轉印機將設計圖案轉印到銅片上，然后用FeCl3溶液腐蝕銅片，即可得到所設計微流通道模板。最后，采用熔融石蠟涂覆于銅模板上，并用電烙鐵加熱銅模板的另一面，使熔融石蠟滲透入紙基片，形成紙基微通道。此外，考慮到紙基微流器件往往難以實現(xiàn)樣品前處理操作，而聲表面波器件具有數(shù)字微流體產生、微流體輸運、微粒富集、微流體混合和萃取等強大的樣品前處理操作功能［15－17］。本文探索具有前處理操作功能的聲表面波器件結合紙基微流器件低分析成本的特點，實現(xiàn)兼具前處理操作功能的紙基微流分析器件。本文工作為紙基微流器件提供了一種簡單的制作方法，且制作所用的所有設備都是電路設計所必需的。此外，本文工作也為紙基微流器件解決前處理操作難問題提供了可行的方法，具有一定的學術價值。

1 儀器與試劑

RF信號發(fā)生器(SP1461，EPRE，China)提供實驗所需要的27.5 MHz的正弦波信號。功率放大器用于放大信號發(fā)生器輸出的正弦波信號，其工作頻率范圍為2 MHz～30 MHz，增益為48 dB，最大不飽和輸出功率為30 W。高靈敏度CCD用來攝像數(shù)字微流體運動狀況，并儲存于計算機中。MDVNT軟件(Novel，China)用來圖像處理和控制。功率計(YM2462，Yamei，China)用來測量加到叉指換能器上的RF信號功率。Protel用來設計微通道圖案，打印機用來打印圖案，熱轉印機用來將打印的微通道圖案轉印到銅片上。

實驗所用材料:0.3 mm厚銅片，0.6 mol/L碘化鉀水溶液(Xilong Chemical Co.Ltd，China)，辣根過氧化物酶和葡萄糖氧化酶(Sigma，USA)，pH為1.8的250 mmol/L 磷酸鹽緩沖液(JiaNi，China)，3.3 mmol/L四溴酚藍 (Maikun，China)，95% 乙醇(Gaojin，China)，葡萄糖(Guanghua，China)和牛血清蛋白(Ruibio)。所用水均為純凈水。

2 實驗及結果分析

2.1 實驗裝置

采用聲表面波實現(xiàn)紙基微流分析的實驗裝置如圖1所示。

圖1 聲表面波輔助實現(xiàn)紙基微流分析的實驗裝置

圖1中，壓電基片為1280yx-LiNbO3材料，其上經(jīng)濺射、光刻等微電子工藝制作出一叉指換能器，叉指換能器周期為144 μm，孔徑為4.32 mm，指對數(shù)為35，叉指鋁條厚度為500 nm，在基片表面的聲傳播路徑上涂覆一薄層 Teflon AF 1600(Dupont，USA)。紙基微流器件通過PDMS墊塊貼合于壓電基片上方，為使微流體能可靠輸運到紙基器件上，PDMS墊塊的高度必須小于微流體在壓電基片上的高度，本文實驗中PDMS墊塊為1.0 mm。紙基微流器件的制作工藝簡述如下。

2.2 紙基微流器件制作工藝

紙基微流器件制作工藝分為兩步，首先，在銅片上制作紙基微通道圖案，獲得圖案模板。然后，應用模板制作紙基微流器件。紙基微流器件的制作工藝流程如圖2所示。

圖2 紙基微流器件制作工藝

圖2中，圖2(a)為正視圖，可以完整顯示出所設計的紙基器件。為更清晰闡述紙基器件的制作工藝過程，圖2(b)顯示出了一個微通道的工藝流程剖面圖。首先采用Protel軟件設計微通道圖案(圖2a(a)，圖2b(a))，然后用噴墨打印機將設計的圖案打印在空白紙上(圖2a(b)，圖2b(b))，并用熱轉印機將紙上的微通道圖案轉印到銅片上(圖2a(c)，圖2b(c))，銅片上有圖案部分無石墨層保護，銅片其余部分被石墨層保護。接著，采用FeCl3溶液腐蝕銅片上微通道圖案，得到銅片微通道模板(圖2a(d)，圖2b(d))。在制作的微通道銅模板上，涂覆石蠟，為了使得石蠟均勻涂覆在銅模板上，將涂覆有石蠟的銅模板放在一小槽中，并加熱使得石蠟熔融，冷卻后，石蠟比較均勻覆蓋于銅模板上，有圖案區(qū)域由于沒有銅的存在而未能覆蓋石蠟(圖2b(e))。然后，將一濾紙放到有石蠟的銅模板上(圖2a(e)，圖2b(f))，將其倒置于桌面上，并采用電烙鐵在銅的另一面加熱，使得熔融石蠟滲透入濾紙上，形成紙基微流器件(圖2a(f)，圖2b(g))。

采用電路設計軟件設計的微通道圖案，腐蝕后的銅圖案模板，及制作的紙基微通道如圖3所示。

由圖3可見，腐蝕后的銅片模板上圖案與設計的微通道圖案形狀相同，且銅片上微通道尺寸與設計的微通道尺寸幾乎相等，采用提出的方法制作的紙基微流通道清晰、紙基通道壁也很平整。

圖3 紙基微通道的制作

2.3 實驗結果及討論

為驗證所制作的紙基微流器件的有效性，同時，也驗證其與具有較強前處理操作功能的聲表面波器件的整合性，將所研制的紙基微流器件通過PDMS置放壓電基片上。由于聲表面波可以實現(xiàn)微流體輸運、生物微粒富集、微流混合和翠取等前處理操作，因此，只要實現(xiàn)壓電基片上微流體能輸運到紙基微流器件，完成微流分析。那么，紙基微流器件就具有壓電基片所具有的各種前處理操作功能。

為便于微流體輸運到紙基片，在紙基微通道的入口處剪切掉半圓。同時，為便于觀察，采用紅色染料溶液為實驗對象，進行壓電基片上微流體到紙基微流器件、及其在紙基微通道內的輸運實驗。圖4是34 dBm的RF信號加到叉指換能器上，其激發(fā)的聲表面波驅動壓電基片上微流體，輸運到紙基片，并在紙基微通道內輸運的視頻截圖。

圖4 紅色染料溶液微流體在壓電基片和紙基微通道內輸運視頻截圖

圖4中，圖4(a)為采用微量進樣器將10微升紅色染料溶液微流體進樣到壓電基片上，圖4(b)為增大RF信號功率到34 dBm時，微流體開始在基片上輸運，圖4(c)～(d)為微流體輸運到紙基片，并在紙基微通道中輸運，圖4(e)為另外進樣30微升紅色染料溶液微流體后，微流體已經(jīng)輸運到檢測區(qū)，圖4(f)為微流體在紙基微通道輸運后數(shù)碼照片。

由圖4可知，壓電基片上微流體在聲表面波作用下可輸運到紙基微芯片，并在所制作的紙基微通道內輸運，不會滲透到紙通道外。

為進一步驗證紙基微流器件功能，應用所研制的紙基微流器件進行葡萄糖和蛋白質濃度的并行檢測。

采用微量進樣器在紙基檢測區(qū)上分別滴入兩種待測物的指示劑(進樣葡萄糖指示劑過程如下:先滴入0.3 μL碘化鉀溶液，然后加入辣根過氧化物酶與葡糖糖氧化酶的混合劑;進樣蛋白質的指示劑過程如下:先滴入pH值為1.8的檸檬酸緩沖液0.3 μL，然后加入溶于乙醇的四溴酚藍溶液0.3 μL)。兩檢測區(qū)的指示劑在常溫下晾干。在紙基微通道入口處輸運入50 mmol/L的葡萄糖和7.5 mmol/L蛋白質混合液35 μL。觀察檢測區(qū)顏色變化，圖5是采用所研制的紙基微流器件并行檢測葡萄糖和蛋白質的顯色反應。

圖5 紙基微流器件進行蛋白質和葡萄糖并行檢測

由圖5可知，采用所制作的紙基微流器件可以同時進行不同待測物檢測。在葡萄糖檢測區(qū)和蛋白質檢測區(qū)都顯色的顯色反應，驗證了所提出方法的可行性。

3 結論

本文提出了一種基于印刷電路技術的紙基微流器件的制作方法，并采用葡萄糖與蛋白質混合液為檢測對象，應用所提出的方法進行了葡萄糖和蛋白質并行檢測。同時，為使紙基微流器件具有樣品前處理操作功能，采用具有強大前處理操作功能的聲表面波器件實現(xiàn)微流輸運，使得經(jīng)前處理操作后的微流體能夠在紙基微流器件上進行微流分析。本文工作可得如下結論:(1)采用印刷電路技術可以實現(xiàn)紙基微流器件的制作;(2)本文提出的紙基微流器件制作方法工藝簡單，所用設備成本低廉，且是電路設計所必須，無需增加額外設備;(3)采用所提出方法可實現(xiàn)多種待測物的并行分析。(4)紙基微流器件可以采用具有前處理操作的聲表面波器件來實現(xiàn)前處理操作功能，從而拓展其應用范圍。本文工作為紙基微流器件的研制提供了一種新的、廉價的制作方法，為紙基微流器件的現(xiàn)實應用提供了條件。

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