盖印法加工纸基微流控芯片及其应用

丁宗庆，陈 楠，邱 阳，吴晓慧

(汉江师范学院 化学与环境工程学院，湖北 十堰 442000)

纸基微流控芯片(Paper-based microfluidic)简称纸芯片，是以纸为基底材料和分析平台的一种微流控芯片，由哈佛大学Whitesides课题组首次提出[1]，与传统的硅片、玻璃、石英、PDMS等材料为基底的微流控芯片相比，纸芯片具有材料易得、成本低、生物相容性好、无需外力驱动等优点，已在食品安全[2-3]、生物医药[4-5]、环境监测[6-7]等领域成功应用。纸芯片制作的关键是在纸基底上加工出疏水坝和亲水的液体流动通道，常用的加工方法有光刻[8-10]、喷蜡打印[11]、喷墨打印[12]、绘图[13]、丝网印刷[14]、等离子体处理[15]等。上述方法各有利弊[16]，如紫外光刻法分辨率高，但成本较高；蜡印法和喷墨打印法加工方便，但需购置专用的喷蜡打印机或对普通打印机进行改造；绘图法较为灵活但分辨率低；丝网印刷法需专用丝网印模，精度不高；等离子体处理法适应性广，但需昂贵的真空等离子反应器，不易普及。

本研究提出了一种盖印法加工纸芯片的新方法，用光敏印章将阻断试剂盖印在经烷基烯酮二聚体(AKD)溶液浸泡过的滤纸上，阻断AKD和滤纸纤维的疏水化反应，使盖印区域形成亲水通道，成功制备出具有亲/疏水通道结构的纸芯片。该方法可批量重复制备，成本低廉，为研制廉价易普及的纸芯片提供了新思路，在食品、环境和医药等快速检测领域具有一定的应用前景。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

PY-3000型光敏印章机(蓬博激光设备有限公司)，电热恒温干燥箱DHG-9075AD型(上海齐欣科学仪器公司)，700D型数码相机(佳能公司)，微量进样器(上海安亭微量进样器厂)。

Whatman 1号滤纸；光敏印章垫；烷基烯酮二聚体(酷尔化学科技有限公司)；正己烷；阻断试剂：三乙醇胺-无水乙醇(体积比0.5∶1)；对氨基苯磺酸溶液(4.0 g/L)：将0.40 g对氨基苯磺酸溶于100 mL 36%的乙酸中；盐酸萘乙二胺溶液(2.0 g/L)。所有试剂均为分析纯，未标注的均购于国药集团化学试剂有限公司，实验用水为超纯水。

1.2 纸芯片加工

1.2.1 滤纸疏水化将Whatman 1号滤纸裁剪成适当大小，于1.0 g/L AKD的正己烷溶液中浸泡5 min，取出待溶剂自然挥干，备用。

图1 盖印法制备纸芯片示意图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 制备印章用绘图软件绘制出芯片上液体通道图案，亲水通道为纯黑，外围疏水区为白色，将该图案用激光打印机打印在半透明的硫酸纸上。裁剪下上述图案，覆盖于光敏印章垫上，置于光敏印章机内曝光，制备出芯片印章。将芯片印章浸泡于阻断试剂中10 min，待其充分吸收试剂后取出，擦净表面残留液体。

1.2.3 盖印制备纸芯片用印章将芯片图案盖印在AKD疏水化滤纸上，放置5 min。然后置于105 ℃烘箱中加热10 min，即可得到带有亲水通道的纸芯片，纸芯片制备示意图见图1。

2 结果与讨论

2.1 滤纸亲/疏水转换及盖印机理

AKD分子内含一个具有反应活性的四元内酯环和两条长烃链(C16～C20)，在加热条件下内酯环打开并与纤维素中的羟基发生酯化反应，从而固定在纤维表面，两条烃链则赋予纤维表面疏水性[15]。若加热前在滤纸上盖印能阻止酯化反应发生的试剂，则能在印迹上留下亲水通道。

光敏印章垫是一种超微泡聚合物材料，其表面和内部有大量微孔，具有储液、渗液及光闪熔特性。受到瞬间强光照射后，表面迅速熔化，形成一定强度的薄膜，可隔绝液体的渗透。利用该特性，可将芯片图案打印在具有透光特性的硫酸纸上，将其覆盖在光敏垫上后曝光，芯片图案覆盖的区域因没有受到光照可以渗透液体，其他部分则曝光形成薄膜隔离液体。由于激光打印机的分辨率在1 200 dpi以上，加之光敏垫本身的超微孔结构，因此，该方法可制作出精细的芯片图案。与传统加工方法相比，该方法不需要苛刻条件，不需要绝对平整的表面，且印章可反复使用，操作灵活方便。

2.2 AKD溶液的浓度

配制不同浓度的AKD正己烷溶液，制备纸芯片，盖印圆形图案。分别在非盖印区域和盖印区域滴加5、20 μL罗丹明B溶液(0.1 g/L)，考察非盖印区域的疏水性及其对水溶液的限域能力(图2)。结果显示，随着AKD浓度的升高，滤纸的疏水性逐渐增强，当AKD质量浓度达到0.8 g/L时水溶液能在其表面保持球体不渗透，表现出了良好的疏水性(图2A)。但AKD质量浓度较低时，滤纸的疏水区域对水溶液的限域能力较低，液体扩散(图2B)；AKD质量浓度为1.0 g/L时限域能力良好，液体被局限于盖印区不发生扩散；AKD质量浓度升高至1.2 g/L，盖印区仍存在疏水性，液体渗透慢，不能充满盖印区。因此，实验选择AKD正己烷溶液的质量浓度为1.0 g/L。

图2 AKD溶液浓度对纸芯片疏水性及对水溶液限域能力的影响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 阻断试剂的选择

AKD和纤维素反应适宜的pH值范围是7.5～8.5，酸、碱、氧化剂、表面活性剂等均可能阻止该反应。为此，实验考察了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)等试剂盖印后的亲水效果(图3)。由图可见，HCl、三乙醇胺、NH4Ac、Triton X-100盖印后的区域均能呈现亲水效果；但Triton X-100溶液由于表面活性太强，亲水区的水溶液会强烈扩散至疏水区；HCl和NH4Ac溶液又由于黏度太低，在盖印时易扩散，难以盖出精细的图案；三乙醇胺阻断效果良好，且黏度大适合盖印，因此选择三乙醇胺溶液为阻断试剂。

图3 不同试剂盖印后的亲水效果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 阻断试剂的配比

三乙醇胺原液具有极高的黏度，光敏印章对其吸收缓慢，直接进行原液盖印时，会在亲水通道中大量残留从而影响后续分析，必须进行适当的稀释。以无水乙醇作稀释剂，考察了不同比例的三乙醇胺-无水乙醇的盖印效果(图4)。结果显示，当三乙醇胺比例较低时，盖印区亲水性不佳；比例达0.3∶1时，盖印区亲水性良好，但此时溶液黏度仍较低，盖印时扩散明显(图4C)；比例达0.5∶1时，盖印效果和亲水效果均最佳(图4E)，因此实验选择阻断试剂的配比为三乙醇胺-无水乙醇(体积比)为0.5∶1。

图4 三乙醇胺浓度的影响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

图5 盖印分辨率Fig.5 Imprinted resolution

2.5 盖印分辨率

设计宽度分别为0.2～1.5 mm的线条图案制作印章，按照“1.2”加工方法制作纸芯片，浸水后测定通道宽度，考察盖印分辨率(图5)，经卡尺测定实际通道最窄为0.5 mm。

图6 亚硝酸钠溶液的比色测定Fig.6 Colorimetric analysis of sodium nitrite solution1.designing chip patterns;2.droppring color solution;3.colored

2.6 比色法测定亚硝酸根

3 结 论

本研究在光敏印章垫上曝光出芯片图案，用盖印法在AKD疏水滤纸上加工纸芯片。方法能成功地在滤纸上加工出液体流动通道，实现液体的有序流动，并能在指定区域附载样品或试剂，实现了纸芯片的基本功能。将制得的纸芯片用于亚硝酸钠溶液的比色分析，获得良好的线性关系。方法简便，材料易得，若在印章垫上设计出微富集、微分离等功能单元，或者注入检测试剂盖印等，将可实现更为广阔的应用。