蓋印法加工紙基微流控芯片及其應用

丁宗慶，陳 楠，邱 陽，吳曉慧

(漢江師范學院 化學與環境工程學院，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Whitesides課題組首次提出[1]，與傳統的硅片、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、無需外力驅動等優點，已在食品安全[2-3]、生物醫藥[4-5]、環境監測[6-7]等領域成功應用。紙芯片制作的關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對普通打印機進行改造；繪圖法較為靈活但分辨率低；絲網印刷法需專用絲網印模，精度不高；等離子體處理法適應性廣，但需昂貴的真空等離子反應器，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，使蓋印區域形成親水通道，成功制備出具有親/疏水通道結構的紙芯片。該方法可批量重復制備，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、環境和醫藥等快速檢測領域具有一定的應用前景。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

PY-3000型光敏印章機(蓬博激光設備有限公司)，電熱恒溫干燥箱DHG-9075AD型(上海齊欣科學儀器公司)，700D型數碼相機(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，未標注的均購于國藥集團化學試劑有限公司，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 結果與討論

2.1 濾紙親/疏水轉換及蓋印機理

AKD分子內含一個具有反應活性的四元內酯環和兩條長烴鏈(C16～C20)，在加熱條件下內酯環打開并與纖維素中的羥基發生酯化反應，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發生的試劑，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構，因此，該方法可制作出精細的芯片圖案。與傳統加工方法相比，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。分別在非蓋印區域和蓋印區域滴加5、20 μL羅丹明B溶液(0.1 g/L)，考察非蓋印區域的疏水性及其對水溶液的限域能力(圖2)。結果顯示，隨著AKD濃度的升高，濾紙的疏水性逐漸增強，當AKD質量濃度達到0.8 g/L時水溶液能在其表面保持球體不滲透，表現出了良好的疏水性(圖2A)。但AKD質量濃度較低時，濾紙的疏水區域對水溶液的限域能力較低，液體擴散(圖2B)；AKD質量濃度為1.0 g/L時限域能力良好，液體被局限于蓋印區不發生擴散；AKD質量濃度升高至1.2 g/L，蓋印區仍存在疏水性，液體滲透慢，不能充滿蓋印區。因此，實驗選擇AKD正己烷溶液的質量濃度為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。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蓋印后的區域均能呈現親水效果；但Triton X-100溶液由于表面活性太強，親水區的水溶液會強烈擴散至疏水區；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分析，必須進行適當的稀釋。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)。結果顯示，當三乙醇胺比例較低時，蓋印區親水性不佳；比例達0.3∶1時，蓋印區親水性良好，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 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，實現液體的有序流動，并能在指定區域附載樣品或試劑，實現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，獲得良好的線性關系。方法簡便，材料易得，若在印章墊上設計出微富集、微分離等功能單元，或者注入檢測試劑蓋印等，將可實現更為廣闊的應用。