紙基微流控芯片的構(gòu)建及在亞硝酸鹽檢測中的應(yīng)用

陳港 張夢麗 魏淵 蔣晨穎 李方

(華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

微流控芯片又稱為芯片實驗室，是指在一塊僅幾平方厘米的芯片上實現(xiàn)生物、化學(xué)實驗室分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等操作功能[1]。因其具有微型化、集成化以及便攜化等特性，所以在食品安全、疾病篩查和環(huán)境保護等方面展現(xiàn)出許多顯著優(yōu)勢[1- 2]。與傳統(tǒng)的硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等基體材料相比，紙張本身優(yōu)異的吸水性及內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)，使其成為微流控芯片制造領(lǐng)域極具吸引力和應(yīng)用前景的基體材料[3- 4]。紙基微流控通道的構(gòu)建一般是利用化學(xué)物質(zhì)在親水性紙張表面進行疏水改性，從而劃分出親疏水區(qū)域[5]。常見的構(gòu)建方法包括光刻法[6]、刻蝕法[7- 8]、蠟印法[9- 10]、繪圖法[11]、等離子體處理法[12- 13]、柔性版印刷法[14]、絲網(wǎng)印刷法[15]、噴墨打印法[16]等。其中，噴墨打印法因具有高分辨率、低成本及高效批量生產(chǎn)等優(yōu)點，而成為紙基芯片制造中最前沿的技術(shù)之一[3]。

針對上述問題，本研究首先從造紙工藝出發(fā)，優(yōu)化了紙基微流道的制備工藝過程，開發(fā)出一種先利用AKD表面施膠工藝對紙張表面進行疏水化改性，再采用噴墨打印技術(shù)在紙基上選擇性構(gòu)建親水性微流控通道的簡單方法；然后，進一步考察了表面施膠劑配比(m表面施膠淀粉/mAKD)、壓光處理等因素對流體在通道內(nèi)流動效果的影響，并優(yōu)化了工藝條件；最后，通過表面施膠及噴墨打印技術(shù)構(gòu)建紙基微流控芯片，并成功將其應(yīng)用于亞硝酸鹽的檢測。

1 原料與方法

1.1 實驗原料與設(shè)備

AKD蠟乳液、聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂(PAE)，理文造紙有限公司提供；漂白桉木硫酸鹽漿(水分含量10.55% ，纖維長度748 μm ，纖維寬度15.8 μm)、木薯表面施膠淀粉，珠海紅塔仁恒紙業(yè)有限公司提供；二異辛基琥珀酸酯磺酸鈉鹽購于廣東某樹脂有限公司；甲基橙(純度>95%)購于上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司；無水乙醇(分析純)購于天津市富宇精細(xì)化工有限公司;α-萘胺、對氨基苯磺酸、冰醋酸、亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液(質(zhì)量濃度為165 μg/mL)均購于上海麥克林生化科技有限公司；去離子水，電導(dǎo)率<5 μS/cm，采用實驗室BioSafer T系列超純水儀自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 紙基微流控芯片的設(shè)計制造

紙基微流控芯片的設(shè)計、制造過程大致包括纖維素原紙的制備、纖維素原紙表面疏水化改性、疏水纖維紙表面親水性微流控通道構(gòu)建等幾個步驟，具體的工藝流程圖如圖1所示。

(1) 纖維素原紙的制備

將漂白桉木硫酸鹽漿板疏解后，稱取適量(以絕干量計)漿料，根據(jù)ISO 5269-1:2005[21]標(biāo)準(zhǔn)在自動紙頁成型器(RK3AKWT，奧地利PTI公司)上抄造預(yù)設(shè)定量為80 g/m2的纖維素原紙，如圖1(a)；同時，在抄造過程中添加0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的PAE濕強劑，以防止原紙在表面施膠過程中出現(xiàn)褶皺、破損等情況；然后，將原紙在溫度(23±1)℃和相對濕度(50±2)%的環(huán)境下平衡水分24 h，備用。

圖1 紙基微流控芯片設(shè)計、制造工藝流程圖Fig.1 Flow chart of preparation of paper-based microfluidic chip

(2) 纖維素原紙表面疏水化改性

配制不同的表面施膠劑(m表面施膠淀粉/mAKD=8∶2，7∶3，6∶4;總固含量約為10.4%)，在實驗室涂布機(ZAA2300，瑞士Zehntner公司)上對纖維素原紙進行表面涂布處理，涂布速度為2 m/min(圖1(b))，隨后將樣品放入105 ℃的熱風(fēng)干燥箱(DHG 9030A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)中干燥5 min。最后，將紙張在輥速為3.5 m/min、壓強為2 MPa條件下進行壓光處理[22](圖1(c))，制備得到疏水改性纖維素原紙，備用。

(3)疏水纖維紙表面親水性微流控通道構(gòu)建

首先，將自制墨水(二異辛基琥珀酸酯磺酸鈉乙醇溶液與品紅色染料型墨水混合液)裝入愛普生打印機(R330，精工愛普生株式會社)的墨盒中，然后在上述疏水纖維紙表面打印設(shè)計好的花形圖案(半徑長35 mm，通道寬2 mm)或點陣圖案(直徑4.5 mm的圓形)，從而構(gòu)建出親水性微流控通道，如圖1(d)所示。

1.2.2 液體在紙基微流控通道內(nèi)的擴散性測試

為方便觀察，增強液體與紙樣表面微流道內(nèi)顏色的對比度，實驗中將配制的甲基橙溶液作為待測液滴入紙基微流道中并記錄通道內(nèi)的液體擴散行為。待通道內(nèi)液體吸收干燥后，使用佳能掃描儀(LIDE210，佳能中國有限公司)掃描讀取圖案區(qū)域。

1.2.3 表面水接觸角測定

實驗中將表面施膠后的紙張裁剪為2.0 cm×1.5 cm大小的長方形紙樣，并粘貼于載玻片表面，設(shè)置表面接觸角測量儀(OCA40 Micro，德國Dataphysics公司)的滴液量和進液速度分別為4 μL和4 μL/s，測試3個不同的區(qū)域并計算平均值。

1.2.4 亞硝酸鹽的檢測

先將2.5 μL Griess試劑分別滴加到紙基微流控芯片各檢測區(qū)域，干燥后，再將等量的質(zhì)量濃度為1.25、2.5、5.0、10.0、20.0、40.0 mg/L的亞硝酸鹽溶液添加至檢測區(qū)，反應(yīng)5 min后，立即用愛色麗分光光度計(手持式色差儀，X-Rite 530，美國X-Rite公司)進行色差值測定。

1.2.5 色差值測量

首先，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)照明光源為D65模式，視場為10°。將手持式色差儀進行白板校正后，測量樣品紙空白部分的L*a*b*值，并將其設(shè)置為相對顏色測量模式中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，再切換至樣品測量模式測量目標(biāo)顏色，讀取顏色色差值，即為相對背景色與目標(biāo)顏色的色差值。

1.2.6 色差的評價

據(jù)國際照明學(xué)會(CIE)推薦的色差與顏色差別感覺的對應(yīng)關(guān)系，對樣品的色差進行評價[23]。色差在數(shù)值上代表色樣之間在空間坐標(biāo)系中的距離，它可以帶給人不同的色彩感覺。然而，人的視覺感知能力具有一定的局限性，在小色差范圍內(nèi)感知能力會下降，無法區(qū)分出顏色差異，所以在色差的評價中，將色差值在0～0.5、0.5～1.5、1.5～3、3～6以及大于6的范圍分別定義為微小色差、小色差、較小色差、較大色差和大色差，同時在視覺感受上也分別對應(yīng)為極微、輕微、明顯、很明顯和強烈。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙基微流控通道的構(gòu)建

本研究中，采用自制的纖維素紙作為紙基微流控芯片的基體，通過集成表面施膠和噴墨打印技術(shù)，開發(fā)了一種簡單、高效的紙基微流控芯片制造方法。其中，表面施膠和噴墨打印技術(shù)在纖維素原紙表面的作用機理，如圖2所示。

圖2 表面施膠和噴墨打印技術(shù)在纖維素原紙表面的作用機理Fig.2 Mechanism of surface sizing and inkjet printing on the surface of cellulose base paper

表面施膠過程中，涂覆在纖維素原紙表面的AKD顆粒，在加熱條件下發(fā)生融化并在紙張纖維表面擴展，AKD分子中的內(nèi)酯環(huán)受熱開環(huán)與纖維上的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成β-酮酯(圖2(a))，實現(xiàn)在紙張表面的接枝改性，同時AKD分子的憎水端暴露在外側(cè)，從而賦予紙張一定的疏水性[24]。但值得注意的是，AKD單獨作為表面施膠劑使用時，其在紙張表面的成膜性有限，容易造成紙張表面涂覆不均勻的情況。鑒于此，為更好地在紙張表面構(gòu)建均勻的疏水結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮AKD的作用，本研究同時使用了在紙張表面成膜性能更為優(yōu)異的表面施膠淀粉作為AKD的載體，兩者復(fù)配優(yōu)化發(fā)揮協(xié)同作用[25]，在紙張表面均勻地形成疏水涂層。紙張表面經(jīng)過疏水改性后，再通過噴墨打印技術(shù)，將含有表面活性劑(二異辛基琥珀酸酯磺酸鈉鹽)溶液的品紅色自制墨水(圖2(b))，按照設(shè)計圖案選擇性沉積在疏水紙表面，最終構(gòu)建出親水性微流控通道。其中，二異辛基琥珀酸酯磺酸鈉鹽作為一種快速滲透劑，其本身兼具親水性基團和疏水性長鏈結(jié)構(gòu)，當(dāng)含有表面活性劑成分的墨水與紙張表面的β-酮酯接觸時，分子間的疏水基團(烷基長鏈)“相似相溶”、相互結(jié)合。這時，親水性磺酸基團重新暴露在外側(cè)，從而實現(xiàn)了打印通道區(qū)域從疏水向親水性的轉(zhuǎn)變，最終形成可視化紙基微流道，如圖2(c)所示。

2.2 表面施膠劑配比對流體在通道內(nèi)擴散效果的影響

為了充分發(fā)揮AKD和淀粉表面施膠劑的協(xié)同作用，本研究對AKD與表面施膠淀粉的配比進行了工藝優(yōu)化。將糊化的表面施膠淀粉與AKD均勻混合分別配制質(zhì)量比為8∶2、7∶3和6∶4的混合液(其總固含量約為10.4%)，使用涂布機在纖維素紙表面沉積一層薄液，測得涂布量分別為15.54、15.87、15.89 g/m2。經(jīng)不同的表面施膠劑處理后，紙張表面疏水性變化以及液體在親水性通道內(nèi)的擴散效果，如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同配比的表面施膠劑對紙張表面進行改性后，均表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性能(水接觸角均大于118°)，而隨著AKD絕干占比的提高，打印區(qū)域親水性略有降低，但其接觸角仍小于9.2°，并未影響到流體在通道內(nèi)的均勻擴散(圖3(b))。當(dāng)表面施膠劑配比為m表面施膠淀粉/mAKD=7∶3時，液體在親水通道內(nèi)的擴散效果最佳。疏水屏障將液體很好地限制在通道內(nèi)，且界限分明，測得通道的實際寬度為(2.04±0.04)mm(圖3(a)，3(c))。同時，在紙張背面也未有液體滲透的痕跡，從而也有效解決了液體在親水通道內(nèi)的z向擴散問題(圖3(a))。從機理上對這一現(xiàn)象進行分析，是因為當(dāng)AKD含量較高(表面施膠劑配比為m表面施膠淀粉/mAKD=6∶4)時，在纖維表面會有更多的長碳基團暴露在外面，表面能更高，憎液(疏水)性能更加突出(接觸角相對變大)，纖維界面不易被潤濕，液體在通道內(nèi)的流動受阻，沒有形成完整的擴散效果；而當(dāng)AKD含量較低(表面施膠劑配比為m表面施膠淀粉/mAKD=8∶2)時，過高的表面施膠淀粉使用量賦予了涂布表面相對更好的親水性能(接觸角相對變小)，導(dǎo)致疏水屏障效果變差，更易發(fā)生表面潤濕，所以液體在通道內(nèi)流動時發(fā)生了一定程度的邊緣外滲，產(chǎn)生不規(guī)整的擴散結(jié)果，影響測試準(zhǔn)確度。在優(yōu)化的表面施膠劑配比(m表面施膠淀粉/mAKD=7∶3)條件下，則很好地平衡了涂布紙張表面的疏水和親水性能，發(fā)揮了表面施膠淀粉和AKD的協(xié)同作用，可以在紙張表面均勻地構(gòu)建流體擴散通道。

圖3 表面施膠劑配比對紙張表面潤濕性及通道內(nèi)液體擴散性的影響Fig.3 Effect of surface sizing agent ratio on paper surface wettability and liquid diffusion in channels

2.3 壓光處理對流體在通道內(nèi)擴散效果的影響

壓光是工業(yè)應(yīng)用中的一項成熟技術(shù)，對紙張進行壓光處理，可提高紙張的緊度和平滑性，使紙張的印刷適應(yīng)性得到改善[26]，進而提升紙張經(jīng)噴墨打印時的精度。為研究壓光處理對流體在通道內(nèi)擴散效果的影響，文中選取經(jīng)表面施膠處理的紙張(表面施膠劑配比m表面施膠淀粉/mAKD=7∶3)，分別對其進行不壓光和壓光處理，并對液體在相應(yīng)微流道內(nèi)的擴散行為進行了對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 壓光處理對微流道內(nèi)液體擴散的影響Fig.4 Effect of calendering on liquid diffusion in the channel

由圖4可見，未經(jīng)壓光處理的紙張的微流控通道雖整體輪廓較清晰，但邊緣出現(xiàn)少量的液體外滲，在實際的生化檢測中容易導(dǎo)致交叉污染；而經(jīng)壓光處理后，紙張的微流控通道表現(xiàn)出良好的限液性能，并且紙張表面的打印精度也得到顯著提高。同時，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，未壓光紙張的緊度為0.48 g/cm3，而壓光處理后紙張的緊度提高至0.53 g/cm3，表面粗糙度則由7.40 μm降低至5.67 μm，紙張表面變得更加平滑。綜上可知，對紙張進行壓光處理，不僅提高了紙張的緊度及平滑度，也進一步提升了微流道的設(shè)計精度和對液體的限液能力。

2.4 紙基微流控芯片的圖案化設(shè)計

噴墨打印作為一種數(shù)字印刷技術(shù)，可實現(xiàn)按需批量印刷[27]。本研究中，可以通過噴墨打印來設(shè)計構(gòu)造各種精細(xì)復(fù)雜圖案的紙基微流控芯片，如圖5所示。其中，Y形、花形、陣列型紙基微流控芯片多用于物質(zhì)的檢測研究中，例如：物質(zhì)的濃度檢測(如食品中亞硝酸鹽濃度的檢測)、物質(zhì)的成分檢測(如尿液中葡萄糖和蛋白質(zhì)的檢測)等。因此，紙基微流控芯片的實際應(yīng)用能夠為食品、醫(yī)療和環(huán)境領(lǐng)域提供簡單、高效的低成本檢測方式。

圖5 紙基微流控芯片的圖案化設(shè)計Fig.5 Different drawings built by inkjet printing

2.5 紙基微流控芯片在亞硝酸鹽檢測中的應(yīng)用

基于以上研究，文中利用表面施膠及噴墨打印技術(shù)成功構(gòu)建了紙基微流控芯片。為評估該紙基芯片的實際應(yīng)用價值，基于比色法，利用Griess試劑與亞硝酸鹽的特異性顏色反應(yīng)構(gòu)建紙基芯片并將其用于亞硝酸鹽的檢測。為探究不同濃度的亞硝酸鹽溶液在該紙基芯片上產(chǎn)生的顏色變化，實驗中設(shè)計了直徑為4.5 mm的圓形點陣圖，檢測結(jié)果如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，不同濃度的亞硝酸鹽溶液與Griess試劑反應(yīng)后表現(xiàn)出不同程度的顏色變化，且隨著亞硝酸鹽濃度的增加，顏色逐漸加深。利用手持式色差儀測得相對空白區(qū)域的顏色色差，如圖6(b)所示。通過對亞硝酸鹽溶液濃度與顏色色差值之間的關(guān)系進行非線性曲線擬合，得到曲線擬合方程為y=1.799+8.745x0.453(相關(guān)系數(shù)R2=0.993 5)，表明色差值與亞硝酸鹽溶液濃度之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。同時，所測樣品的色差值均大于6，根據(jù)CIE對色差的評價，該范圍被定義為大色差范圍，會給人強烈的視覺感受，有利于區(qū)分不同亞硝酸鹽濃度下產(chǎn)生的顏色變化。綜上可知，本實驗構(gòu)建的紙基微流控芯片可滿足實際檢測的要求。

圖6 紙基芯片用于亞硝酸鹽的檢測Fig.6 Paper-based chip for the detection of nitrite

3 結(jié)語

文中提出了一種集成表面施膠和噴墨打印技術(shù)的紙基微流控芯片構(gòu)建方案。紙張通過表面施膠工藝實現(xiàn)疏水化改性，在表面施膠劑配比(m表面施膠淀粉/mAKD)為7∶3、并通過表面壓光處理后構(gòu)建的微流道展現(xiàn)出優(yōu)異的限液性能，液體可以在親水通道內(nèi)實現(xiàn)完整地定向擴散，同時解決了液體的z向擴散問題，也進一步提升了微流道的設(shè)計精度。而且，采用該法構(gòu)建的紙基微流控芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對亞硝酸鹽溶液質(zhì)量濃度的檢測，亞硝酸鹽溶液質(zhì)量濃度與芯片表面顏色色差值之間的曲線擬合方程為y=1.799+8.745x0.453，相關(guān)系數(shù)R2達0.993 5。

該方案操作流程簡單、原料價廉，有望進一步實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，對于臨床診斷、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要意義。