噴墨打印表面活性劑加工紙基微流控芯片

蔡龍飛，吳玫諜，羅佳婷，林爍虹

（韓山師范學院化學與環境工程學院，廣東潮州521041）

噴墨打印表面活性劑加工紙基微流控芯片

蔡龍飛，吳玫諜，羅佳婷，林爍虹

（韓山師范學院化學與環境工程學院，廣東潮州521041）

發展了一種基于噴墨打印技術加工紙芯片的方法．濾紙先經十八烷基三甲氧基硅烷處理后呈疏水性，以表面活性劑Triton X-100溶液為打印液，用廉價噴墨打印機將其打印至疏水紙上．打印區呈親水性，非打印區維持其疏水性．該方法可用于紙芯片的大批量加工，具有成本低廉、制備快速等特點．

紙芯片；加工；表面活性劑

紙芯片（又稱紙基芯片，紙基微流控芯片）概念于2007年由Whitesides研究組首次提出[1]．與傳統的在玻璃、硅、PDMS等材料上加工的微流控分析芯片相比，紙芯片具有加工簡單、使用方便、價格低廉、后處理簡單等優點，有望在臨床診斷、環境監測、食品安全控制、化學教學等方面得到廣泛應用．

紙芯片的加工方法已有較多報道，加工的關鍵是要在濾紙上制備部分親水部分疏水的單元．為了加工部分親水部分疏水單元，可以使用多種試劑或材料．何巧紅課題組使用十八烷基三氯硅烷處理親水濾紙結合紫外光刻的方法加工紙芯片，加工的親水通道分辨率為（233±30）μm[2]．Whitesides研究組使用PDMS為打印墨水，使用噴墨打印機將其打印至親水濾紙上，打印區呈疏水，非打印區為親水[3]．林炳承課題組使用固體蠟為材料，通過噴蠟打印機將其打印至濾紙上加工出分辨率較高的紙芯片通道[4]．2014年，筆者所在的課題組提出了使用十八烷基三甲氧基硅烷作疏水材料在親水濾紙上加工紙芯片的方法，十八烷基三甲氧基硅烷通過自制的濾紙模轉移至親水濾紙上，濾紙模覆蓋區經加熱處理后呈疏水性，非覆蓋區維持親水性[5]．后來本課題組又分別使用紙模和噴墨打印機將氫氧化鈉刻蝕液沉積到疏水濾紙上，加工出紙基芯片[6-7]．2015年，我們首次提出以表面活性劑Triton X-100為處理試劑，用自制紙模將其轉移至疏水濾紙上，成功制備出用于尿液中蛋白質分析的紙芯片[8]．但是由于紙模加工采用剪刀或小刀手工加工而成，難以加工復雜的芯片構型，加工分辨率亦受限，加工效率低，一次僅能加工一種芯片構型的紙芯片．

我們發展了一種噴墨打印機將Triton X-100溶液打印至疏水濾紙上加工紙芯片的方法．親水濾紙先用十八烷基三甲氧基硅烷處理成疏水濾紙，然后以Triton X-100溶液為打印液，使用噴墨打印機將其打印至疏水濾紙上．表面活性劑是雙親性試劑，疏水端可進入濾紙纖維的疏水層而親水端背離疏水層，相當于在濾紙上修飾一層親水層，可以允許水相溶液在打印區流動．因此打印區呈親水性，而非打印區保留疏水性．

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

十八烷基三甲氧基硅烷液體（trimethoxyoctadecylsilane，TMOS）購自阿拉丁試劑（上海）有限公司；TMOS的正庚烷溶液：0.3%（含5%的乙酸乙酯）；Triton X-100溶液：3.0%（含15%乙醇）．數顯調溫微電腦加熱板（YH-946B型）；數碼照相機（佳能ixus95is）；靜水滴接觸角測試儀（JC2000C1上海中晨數字技術設備有限公司）；噴墨打印機（佳能ip2780）．

1.2 紙芯片加工

（1）制備疏水紙：將預先剪好的A5規格濾紙（210 mm×148 mm）浸泡于0.3%TMOS溶液，5 min后取出室內自然風干．將其置于100℃加熱板上1 h后，于室內放置兩天．疏水紙備用．

（2）墨盒改裝：取出噴墨打印機的原裝墨盒，用美工刀將蓋子撬出，取出海綿，仔細刮凈墨盒槽邊緣，清洗墨盒至黑色墨水不再出現為止，期間注意不要觸碰墨盒的出墨口，以免造成堵塞．也可以直接使用此種型號的二手墨盒．

（3）用corelDRAW軟件設計紙芯片通道構型．表面活性劑打印液經0.45 μm濾膜過濾后灌裝于墨盒，將設計的通道構型打印至疏水濾紙上．

（4）加熱：將打印好的紙芯片放在70℃加熱板上，輕輕蓋上玻璃片加熱．10 min后取出濾紙備用．圖1為在加工好的紙芯片上噴水后得到的芯片圖案實物圖．

圖1 加工好的紙芯片噴水后顯示親水區域圖案的實物圖

2 結果與討論

2.1 濾紙親疏水轉換

親水濾紙經TMOS處理后呈現疏水性（圖2A），修飾機理已有相關文獻報道[9-10]．在疏水紙上打印TritonX-100后，打印區恢復親水性（圖2B）．

2.2 乙醇濃度的影響

Triton X-100用一定濃度的乙醇溶液作溶劑配制而成．固定打印次數為2次，Triton X-100濃度為3.0%，研究乙醇濃度在5-100%范圍內對紙芯片圖案和接觸角的影響．實驗結果表明，隨著乙醇濃度的增加，水滴在打印區的接觸角降低．當乙醇濃度為15%時，水滴接觸角降為0°，表明打印區已呈現較強親水性（圖3A）．乙醇濃度增加時接觸角降低，可能是因為乙醇濃度增加使打印液的粘度下降，導致打印時有更多的Triton X-100沉積在疏水紙上，因而呈現更強的親水性．但乙醇濃度大于15%時，易使紙芯片通道變形．可能是因為粘度的下降導致更多的表面活性劑沉積在通道中，水相流體流經通道時，將沒有與疏水濾紙結合的表面活性劑溶解后流至未打印區使通道變形．如圖3B-D所示，當乙醇溶液濃度為20%時，噴水后的紙芯片通道呈現出明顯的親疏水界面，10 min后可觀察到通道有變形，20 min后通道變形更趨嚴重．因此，本實驗選用15%乙醇作為溶劑配制Triton X-100打印液.

圖2 親水、疏水濾紙上的接觸角測定

圖3 打印液中乙醇濃度對紙芯片加工的影響

2.3 打印次數的影響

固定Triton X-100濃度為3%，乙醇濃度為15%，考查了打印次數對紙基芯片加工的影響．水滴在經TMOS處理后的疏水紙上的接觸角為123°，在該疏水紙上打印1次時，接觸角降低至53°，打印次數增加至2次時，接觸角降為0°，表明此時已呈現較強親水性．但是打印次數大于3次時，水相流體易使通道構型變形．因為打印次數越多，在疏水紙上沉積的表面活性劑越多，導致在通道上有未與疏水纖維結合的表面活性劑剩余．當水相流體流經通道時，水相流體溶解未與疏水纖維結合的表面活性劑并流至未打印區，導致通道變形．因此，最佳打印次數為2次．

2.4 打印分辨率

用corelDRAW軟件設計10條通道，通道寬度范圍為0.2～2.0 mm．固定打印液中Triton X-100濃度為3%，乙醇濃度為15%，打印次數為2次，設計寬度為1.0 mm以上的通道可以成功加工出來，但是設計寬度小于1.0 mm的通道加工不成功，通道的部分區域不能被水滲透．增加打印次數至5次時，設計寬度0.2 mm的通道能在疏水紙上成功加工．如圖4所示，將制備好的紙芯片浸入羅丹明B溶液后取出，晾干，設計寬度為0.2 mm的通道可以被羅丹明B水相溶液浸透，呈現親水性．

3 結論

圖4 表面活性劑噴墨打印加工紙芯片通道分辨率

本文提出了一種噴墨打印表面活性劑加工紙芯片的方法，以表面活性劑溶液為打印試劑，用廉價噴墨打印機將其打印至預先準備好的疏水濾紙上，沉積于濾紙上的雙親表面活性劑的疏水端與疏水纖維結合，而親水端則背朝疏水纖維，從而在疏水濾紙上修飾了一層親水層.該方法具有加工簡單、快速、分辨率高等特點．在濾紙上沉積的表面活性劑一方面可以在疏水紙上修飾出親水層，允許水相溶液在打印區流動、反應及檢測．另一方面，由于表面活性劑廣泛應用于分析化學中用于提高比色分析和熒光分析的靈敏度，因此沉積于通道中的表面活性劑可以進一步用于提高紙芯片分析的靈敏度．

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[6]CAI L F,XU C X,LIN S H,et al.A simple paper-based sensor fabricated by selective wet etching of silanized filterpaper us?ing a paper mask[J].Biomicrofluidics,2014,8(5):056504.

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Inkjet Printing of Surfactant Solutions to Prototype Microchannels on Microfluidic Paper-Based Analytical Devices

CAI Long-fei,WU Mei-die,LUO Jia-ting,LIN Shuo-hong
（College of Chemistry and Environmental Engineering，Hanshan Normal University，Chaozhou，Guangdong,521041）

Surfactant solutions were used to prototype microfluidic paper-based analytical devices(μ PADs)by a low-cost inkjet printing strategy.The native hydrophilic filter paper became hydrophobic by using trimethoxyoctadecylsilane-heptane solution to modify the cellulose.Triton X-100 solution was printed onto the hydrophobic filter paper to generate the hydrophilic-hydrophobic contrast.Theprintedareasbecamehydrophilic while the unprinted areas maintained hydrophobic.This method could be used to fabricateμPADs with simplicity,low cost and high speed.

microfluidic paper-based analytical devices；fabrication；surfactant

O 657

A

1007-6883（2017）03-0031-04

責任編輯朱本華周春娟

2016-12-13

韓山師范學院博士啟動基金項目（項目編號：QD20120521）．

蔡龍飛（1976-），男，江西宜豐人，韓山師范學院化學與環境工程學院副教授，博士．