基于硅氧烷喷墨打印加工纸芯片的研究

蔡龙飞，林 俊，侯淑如，王婉露，薛燕娜

（韩山师范学院 化学与环境工程学院，广东 潮州 521041）

纸芯片分析技术是最近几年新发展起来的一种微型分析技术.该技术在亲水性纸质材料上（主要是滤纸）加工出疏水墙（hydrophobic barrier），在毛细作用力下，水溶液在亲水通道中流动、混合及反应.所选择的反应体系一般为显色反应，因此通过目视比色法可进行半定量分析或拍照后提取检测区的灰度值进行定量分析.与在传统的玻璃、硅、聚合物等材质上加工的微流控芯片分析技术相比，纸芯片分析技术具有芯片加工简单、快速、使用方便、价格低廉、无需流体驱动装置（如注射泵等）等明显优点.在临床检验[1]、食品分析[2]与环境检测[3]方面具有广泛应用前景.

纸芯片的加工方法主要分为3类.第1类是通过光刻[4,5]、激光刻蚀[6]和喷蜡打印[7]方式在滤纸上加工出能限制水溶液流动区域的疏水坝.但是此类方法需要使用价格高昂的光刻机、二氧化碳激光机或喷蜡打印机等，由于代价较高且需要训练有素的专业人员对仪器进行操作与维护，在实际应用中受到较大限制.第2类方法是通过镂空金属模将疏水材料（如蜡）以物理沉积的方式在亲水滤纸上形成疏水墙，没有沉积疏水材料的区域维持亲水性能[8-10].该类加工方法简单、廉价，但是商品化的金属模的加工需要使用价格昂贵的金属切割机等，因此该方法亦存在一定的局限性.最近，我们采用镂空的滤纸模将硅氧烷修饰在亲水性滤纸上形成疏水墙.镂空滤纸模加工简单，用普通小刀或剪刀即可自行加工而成，解决了金属模的加工问题[11].但是，使用镂空模（金属模或滤纸模）加工纸芯片的主要缺点在于无法进行纸芯片的大规模加工.第3类方法是采用喷墨打印技术将疏水性材料打印在亲水性滤纸上，打印了疏水材料的区域由亲水性转变为疏水性，没有打印到的区域维持其亲水性能[12,13].喷墨打印技术可以进行纸芯片的大规模加工，在商品化纸芯片的制备上具有无可比拟的优点.已报道的用作喷墨打印的材料包括聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）与烷基烯酮二聚物（alkyl ketene dimer,AKD）等.

硅氧烷作为一类性能优良的疏水试剂，已被广泛用于玻璃、硅等材料的疏水化修饰.本文采用喷墨打印技术将十八烷基三甲氧基硅烷打印至滤纸上，经加热反应后，十八烷基三甲氧基硅烷与滤纸上的羟基发生化学反应，使疏水的基团结合在滤纸上.因此打印有硅氧烷的区域呈疏水性，而其它区域维持其亲水性能.我们将该方法加工的芯片用于尿样中蛋白质的检测，初步证明其在临床医学检测中的应用前景.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

十八烷基三甲氧基硅烷液体购自阿拉丁试剂（上海）有限公司；2.0%（v/v）的十八烷基三甲氧基硅烷的正庚烷溶液（含5.0%乙酸乙酯）用作打印液.人工尿样依据文献[5]配制，配制好的人工尿样含1.1 mM乳酸、2.0 mM柠檬酸、25 mM碳酸氢钠、170 mM脲、10 mM氯化钙、90 mM氯化钠、2.0 mM 硫酸镁、10 mM 硫酸钠、7.0 mM 磷酸氢二钾、7.0 mM 磷酸二氢钾及25 mM 氯化铵.pH 值用1.0 mol L-1的盐酸溶液调节至6.0.牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）储备液（200 μM）：准确称取0.675 0 g牛血清白蛋白（国药集团化学试剂有限公司，上海），用人工尿样溶解并稀释至50mL.BSA工作液由储备液用人工尿样稀释而得.6.6 mM溴酚蓝水溶液：准确称取溴酚蓝0.221 0 g（天津市大茂化学试剂厂，天津），用少量水溶解后稀释至50 mL.2.2 mM 溴酚蓝工作液由6.6 mM 溴酚蓝水溶液、5.0 g-1聚乙烯醇溶液（含8%乙醇）以及250 mM柠檬酸缓冲液（pH1.8）以体积比为1∶1∶1混合而成.

iP2780 佳能打印机；数显调温微电脑加热板（YH-946B 型）；佳能ixus95is 数码照相机或带拍照功能的手机；静水滴接触角测试仪（JC2000C1，上海中晨数字技术设备有限公司）.

1.2 接触角测定

使用静水滴接触角测试仪对接触角进行测量，使用针管直径0.3 mm，每次可控制水滴大小6 μL，每个样品取不同地方测3次，取平均值.

1.3 纸芯片加工

1.3.1 图案设计

用CorelDRAW 软件设计纸芯片通道构型，将纸芯片通道、检测区域等亲水区图案设置为白色，疏水区域设置为黑色打印区.

1.3.2 墨盒改装

从市场上购买改装好的原装黑白空墨盒（自己改装亦可：撬开墨盒取出海绵，将墨水清除干净，组装连喷墨盒配件，混合AB胶水，迅速把胶水涂抹于墨盒上边缘，把配件和墨盒粘合，等待30 min即可用）.

1.3.3 疏水试剂的配制

打印用疏水试剂为2.0%的十八烷基三甲氧基硅烷的正庚烷溶液（含5%乙酸乙酯）.因为溶液的杂质会造成墨盒堵塞，以致打印断线，或是损害打印机，而且打印机喷头对颗粒大小有严格的要求.所以疏水剂溶液要经孔径为0.45 μM 的滤膜过滤.

1.3.4 打印及反应

用塑料注射器吸取一定量的打印液注入墨盒，将设计好的图案打印在滤纸上.将滤纸置于100 ℃的加热板上加热90 min后，放置2～3 h后即可使用.加工好的芯片如图1所示.

图1 加工好的纸芯片喷水后显示亲水区域图案效果

1.4 尿样中蛋白质分析

准确滴加14 μL 溴酚蓝工作液于纸芯片图案的中间区域，让溶液沿通道自由扩散到6个测定区域，使纸芯片亲水区域均匀润湿，并稍微风干.在6个检测区域分别滴加1.0 μL 不同浓度的BSA溶液和样品溶液，显色后用相机或带拍照功能的手机拍照.比较样品检测区与标准溶液检测区颜色可进行半定量分析.利用ImageJ 软件对图像检测区的灰度进行提取，绘制灰度——浓度标准曲线，通过标准曲线与样品检测点灰度可对样品中蛋白质浓度进行定量分析.

2 结果与讨论

2.1 亲疏水形成机理探讨

滤纸之所以能与硅氧烷反应使滤纸呈疏水性，是因为滤纸纤维上的羟基能与硅氧烷反应.但是研究也证明必须先使硅氧烷水解产生硅羟基，通过硅羟基与滤纸纤维上的羟基缩合反应才能将硅氧烷修饰到滤纸上.打印有十八烷基三甲氧基硅烷的滤纸在加热过程中，由于滤纸本身具有较强的吸水性，因此硅氧烷在受热条件下发生水解产生硅羟基，一个十八烷基三甲氧基硅烷分子理论上可水解产生3个硅羟基.硅氧烷分子上的硅羟基与滤纸纤维上的羟基发生缩合反应，使硅氧烷分子结合到滤纸上.硅氧烷分子上没有与滤纸纤维结合的羟基本身可发生自聚合反应形成网状交联的结构.这样，滤纸上就修饰有交联化的疏水基团，滤纸因此表现出较强的疏水性能.而没有打印硅氧烷的滤纸区域仍维持其亲水性能.

2.2 滤纸疏水区域的疏水性能评价

测定了液滴在纸芯片的疏水区域的接触角（图2），三次测量接触角的平均值为116.700.结果表明十八烷基三甲氧基硅烷已与滤纸纤维结合，成功地修饰在滤纸表面，呈现出良好的疏水效果.

图2 接触角测定示意图

2.3 八通道八检测区花形纸芯片的加工

除了加工出图1所示构型的纸芯片外，用喷墨打印技术加工出了具有一个储液池、八个通道与八个检测区域构型的花状纸芯片，如图3所示.

图3 喷水后的具有八通道、八检测区的纸芯片

2.4 样品分析

按照前述人工尿样中蛋白质分析步骤对尿样中蛋白质进行分析，在检测区域加入的蛋白溶液与溴酚蓝溶液反应呈现出蓝色，纸芯片上反应显色分析结果如图4所示.由图4分析结果可看出样品中的蛋白浓度处于20～40 μM 范围之内.

图4 纸芯片上的尿样中蛋白分析结果

（1、2、3、4、5号蛋白浓度分别为5、10、20、40及75 μM，6号为样品.）

3 结论

本文提出了一种通过喷墨打印技术加工微流控纸芯片的方法.打印在滤纸上的十八烷基三甲氧基硅氧烷溶液与滤纸纤维上的羟基结合后使滤纸呈现较强疏水性，没有打印到硅氧烷溶液的滤纸区域维持亲水性.该方法可用于纸芯片的大规模制作，方法不需要昂贵的仪器、试剂、亦无需训练有素的专业人员，加工方法廉价、简单，适合于发展中国家与资源缺乏地区的纸芯片的加工与应用，有利于纸芯片分析技术的应用普及.另一方面，硅氧烷与滤纸纤维的反应速度较慢且需要在比较高的温度下进行，在反应过程中由于硅氧烷的挥发与扩散，易导致亲水区域收缩，通道与所设计构型通道相比变窄甚至出现通道不连续的情况，因此在加工过程中应严格控制加热温度、反应时间及硅氧烷浓度等加工条件.

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