蓋印法加工紙基微流控芯片及其應(yīng)用

丁宗慶，陳 楠，邱 陽，吳曉慧

(漢江師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 十堰 442000)

紙基微流控芯片(Paper-based microfluidic)簡稱紙芯片，是以紙為基底材料和分析平臺的一種微流控芯片，由哈佛大學(xué)Whitesides課題組首次提出[1]，與傳統(tǒng)的硅片、玻璃、石英、PDMS等材料為基底的微流控芯片相比，紙芯片具有材料易得、成本低、生物相容性好、無需外力驅(qū)動等優(yōu)點，已在食品安全[2-3]、生物醫(yī)藥[4-5]、環(huán)境監(jiān)測[6-7]等領(lǐng)域成功應(yīng)用。紙芯片制作的關(guān)鍵是在紙基底上加工出疏水壩和親水的液體流動通道，常用的加工方法有光刻[8-10]、噴蠟打印[11]、噴墨打印[12]、繪圖[13]、絲網(wǎng)印刷[14]、等離子體處理[15]等。上述方法各有利弊[16]，如紫外光刻法分辨率高，但成本較高；蠟印法和噴墨打印法加工方便，但需購置專用的噴蠟打印機或?qū)ζ胀ù蛴C進行改造；繪圖法較為靈活但分辨率低；絲網(wǎng)印刷法需專用絲網(wǎng)印模，精度不高；等離子體處理法適應(yīng)性廣，但需昂貴的真空等離子反應(yīng)器，不易普及。

本研究提出了一種蓋印法加工紙芯片的新方法，用光敏印章將阻斷試劑蓋印在經(jīng)烷基烯酮二聚體(AKD)溶液浸泡過的濾紙上，阻斷AKD和濾紙纖維的疏水化反應(yīng)，使蓋印區(qū)域形成親水通道，成功制備出具有親/疏水通道結(jié)構(gòu)的紙芯片。該方法可批量重復(fù)制備，成本低廉，為研制廉價易普及的紙芯片提供了新思路，在食品、環(huán)境和醫(yī)藥等快速檢測領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

PY-3000型光敏印章機(蓬博激光設(shè)備有限公司)，電熱恒溫干燥箱DHG-9075AD型(上海齊欣科學(xué)儀器公司)，700D型數(shù)碼相機(佳能公司)，微量進樣器(上海安亭微量進樣器廠)。

Whatman 1號濾紙；光敏印章墊；烷基烯酮二聚體(酷爾化學(xué)科技有限公司)；正己烷；阻斷試劑：三乙醇胺-無水乙醇(體積比0.5∶1)；對氨基苯磺酸溶液(4.0 g/L)：將0.40 g對氨基苯磺酸溶于100 mL 36%的乙酸中；鹽酸萘乙二胺溶液(2.0 g/L)。所有試劑均為分析純，未標(biāo)注的均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司，實驗用水為超純水。

1.2 紙芯片加工

1.2.1 濾紙疏水化將Whatman 1號濾紙裁剪成適當(dāng)大小，于1.0 g/L AKD的正己烷溶液中浸泡5 min，取出待溶劑自然揮干，備用。

圖1 蓋印法制備紙芯片示意圖Fig.1 Schematic diagram of paper-based microfluidics prepared by imprinted methodA:filter paper;B:soaked in the hexane solution of the AKD;C:photosensitive stamp mark;D:exposure;E:dip in reagent;F:imprinting;G:paper-based microfluidic

1.2.2 制備印章用繪圖軟件繪制出芯片上液體通道圖案，親水通道為純黑，外圍疏水區(qū)為白色，將該圖案用激光打印機打印在半透明的硫酸紙上。裁剪下上述圖案，覆蓋于光敏印章墊上，置于光敏印章機內(nèi)曝光，制備出芯片印章。將芯片印章浸泡于阻斷試劑中10 min，待其充分吸收試劑后取出，擦凈表面殘留液體。

1.2.3 蓋印制備紙芯片用印章將芯片圖案蓋印在AKD疏水化濾紙上，放置5 min。然后置于105 ℃烘箱中加熱10 min，即可得到帶有親水通道的紙芯片，紙芯片制備示意圖見圖1。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾紙親/疏水轉(zhuǎn)換及蓋印機理

AKD分子內(nèi)含一個具有反應(yīng)活性的四元內(nèi)酯環(huán)和兩條長烴鏈(C16～C20)，在加熱條件下內(nèi)酯環(huán)打開并與纖維素中的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，從而固定在纖維表面，兩條烴鏈則賦予纖維表面疏水性[15]。若加熱前在濾紙上蓋印能阻止酯化反應(yīng)發(fā)生的試劑，則能在印跡上留下親水通道。

光敏印章墊是一種超微泡聚合物材料，其表面和內(nèi)部有大量微孔，具有儲液、滲液及光閃熔特性。受到瞬間強光照射后，表面迅速熔化，形成一定強度的薄膜，可隔絕液體的滲透。利用該特性，可將芯片圖案打印在具有透光特性的硫酸紙上，將其覆蓋在光敏墊上后曝光，芯片圖案覆蓋的區(qū)域因沒有受到光照可以滲透液體，其他部分則曝光形成薄膜隔離液體。由于激光打印機的分辨率在1 200 dpi以上，加之光敏墊本身的超微孔結(jié)構(gòu)，因此，該方法可制作出精細(xì)的芯片圖案。與傳統(tǒng)加工方法相比，該方法不需要苛刻條件，不需要絕對平整的表面，且印章可反復(fù)使用，操作靈活方便。

2.2 AKD溶液的濃度

配制不同濃度的AKD正己烷溶液，制備紙芯片，蓋印圓形圖案。分別在非蓋印區(qū)域和蓋印區(qū)域滴加5、20 μL羅丹明B溶液(0.1 g/L)，考察非蓋印區(qū)域的疏水性及其對水溶液的限域能力(圖2)。結(jié)果顯示，隨著AKD濃度的升高，濾紙的疏水性逐漸增強，當(dāng)AKD質(zhì)量濃度達到0.8 g/L時水溶液能在其表面保持球體不滲透，表現(xiàn)出了良好的疏水性(圖2A)。但AKD質(zhì)量濃度較低時，濾紙的疏水區(qū)域?qū)λ芤旱南抻蚰芰^低，液體擴散(圖2B)；AKD質(zhì)量濃度為1.0 g/L時限域能力良好，液體被局限于蓋印區(qū)不發(fā)生擴散；AKD質(zhì)量濃度升高至1.2 g/L，蓋印區(qū)仍存在疏水性，液體滲透慢，不能充滿蓋印區(qū)。因此，實驗選擇AKD正己烷溶液的質(zhì)量濃度為1.0 g/L。

圖2 AKD溶液濃度對紙芯片疏水性及對水溶液限域能力的影響Fig.2 Comparison of hydrophobic properties of paper-based microfluidics prepared with AKD solution at different concentrations and their liquid confinementA line:non-imprinting areas;B line:imprinting areas;concentration of AKD solution(1-6):0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2 g/L

2.3 阻斷試劑的選擇

AKD和纖維素反應(yīng)適宜的pH值范圍是7.5～8.5，酸、堿、氧化劑、表面活性劑等均可能阻止該反應(yīng)。為此，實驗考察了HCl、HAc、NaOH、氨水、三乙醇胺、NH4Ac、H2O2、碘溶液、曲拉通X-100(Triton X-100)、十六烷基三甲基溴化胺(CTMAB)等試劑蓋印后的親水效果(圖3)。由圖可見，HCl、三乙醇胺、NH4Ac、Triton X-100蓋印后的區(qū)域均能呈現(xiàn)親水效果；但Triton X-100溶液由于表面活性太強，親水區(qū)的水溶液會強烈擴散至疏水區(qū)；HCl和NH4Ac溶液又由于黏度太低，在蓋印時易擴散，難以蓋出精細(xì)的圖案；三乙醇胺阻斷效果良好，且黏度大適合蓋印，因此選擇三乙醇胺溶液為阻斷試劑。

圖3 不同試劑蓋印后的親水效果Fig.3 Hydrophilic effects of paper-based microfluidics with different reagents imprinted1.HCl,2.HAc,3.NaOH,4.NH3·H2O,5.triethanolamine,6.NH4Ac,7.H2O2,8.I2,9.Triton X-100,10.CTMAB

2.4 阻斷試劑的配比

三乙醇胺原液具有極高的黏度，光敏印章對其吸收緩慢，直接進行原液蓋印時，會在親水通道中大量殘留從而影響后續(xù)分析，必須進行適當(dāng)?shù)南♂?。以無水乙醇作稀釋劑，考察了不同比例的三乙醇胺-無水乙醇的蓋印效果(圖4)。結(jié)果顯示，當(dāng)三乙醇胺比例較低時，蓋印區(qū)親水性不佳；比例達0.3∶1時，蓋印區(qū)親水性良好，但此時溶液黏度仍較低，蓋印時擴散明顯(圖4C)；比例達0.5∶1時，蓋印效果和親水效果均最佳(圖4E)，因此實驗選擇阻斷試劑的配比為三乙醇胺-無水乙醇(體積比)為0.5∶1。

圖4 三乙醇胺濃度的影響Fig.4 Effect of triethanolamine concentrationtriethanolamine-ethanol(by volume) (1-6)∶0.1∶1,0.2∶1,0.3∶1,0.4∶1,0.5∶1,0.6∶1

圖5 蓋印分辨率Fig.5 Imprinted resolution

2.5 蓋印分辨率

設(shè)計寬度分別為0.2～1.5 mm的線條圖案制作印章，按照“1.2”加工方法制作紙芯片，浸水后測定通道寬度，考察蓋印分辨率(圖5)，經(jīng)卡尺測定實際通道最窄為0.5 mm。

圖6 亞硝酸鈉溶液的比色測定Fig.6 Colorimetric analysis of sodium nitrite solution1.designing chip patterns;2.droppring color solution;3.colored

2.6 比色法測定亞硝酸根

3 結(jié) 論

本研究在光敏印章墊上曝光出芯片圖案，用蓋印法在AKD疏水濾紙上加工紙芯片。方法能成功地在濾紙上加工出液體流動通道，實現(xiàn)液體的有序流動，并能在指定區(qū)域附載樣品或試劑，實現(xiàn)了紙芯片的基本功能。將制得的紙芯片用于亞硝酸鈉溶液的比色分析，獲得良好的線性關(guān)系。方法簡便，材料易得，若在印章墊上設(shè)計出微富集、微分離等功能單元，或者注入檢測試劑蓋印等，將可實現(xiàn)更為廣闊的應(yīng)用。