写字机器人绘制纸基微流控芯片便携检测Ca2+

刘 旭，高国伟，胡敬芳，张开宇，李延生*

（1．北京信息科技大学 传感器实验室，北京 100101；2．北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192；3．中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200050）

纸基微流控芯片是一种以纸张为基底材料的微流控芯片，凭借纤维素纸天然多孔的结构和亲水性，样品通过毛细作用输运便可以实现复杂的生物化学分析，具有成本低廉、操作简单、安全便携等优势，受到了广大科研人员的关注［1-5］。常用的纸基微流控芯片制备方法有光刻法、喷墨打印法、喷蜡打印法、等离子体处理法、切割法等［6-10］。Xiong研究团队［11］利用光刻法制备微流通道，通过显色反应实现了对铁（Ⅲ）、镍（Ⅱ）和牛血清白蛋白的检测。光刻技术制备纸基微流控芯片具有分辨率高的优势，但该设备价格高昂，不利于纸基微流控芯片的商品化进程。因此，商业打印设备正逐渐取代专业昂贵的光刻设备用于纸基微流控芯片的制作［12-14］。Shibata等［15］通过喷墨打印技术将离子载体掺杂的离子选择性光电纳米球应用于纸张表面，实现了Ca2+的定量检测。Mentele课题组［16］通过喷蜡打印在纸基微流控芯片上制备控制液体流动的三维疏水屏障，实现对铁、铜和镍的检测。商业打印装置有助于实现纸基微流控芯片的普适化制备，为经费不宽裕的实验室以及欠发达地区提供了研究和生产纸基微流控芯片的可能［17-20］。

写字机器人是一种高科技自动化设备，可实现多种字体的书写以及复杂图案的绘制，具有价格低廉、操作简单、宽幅制备的特点，为纸基微流控芯片的普适化制备提供了相应的设备［21-22］。智能水凝胶是一种比表面积大、生物相容性好、受外界刺激敏感度高的新型敏感材料，在生物医药、生化检测等领域受到了广泛关注［23-25］。本文利用智能水凝胶的特点和优势，以Ca2+为靶标对象，借助写字机器人制备了纸基微流控芯片。以纤维素层析纸作为实验基底，借助写字机器人绘制了海藻酸钠水凝胶的智能阀门结构作为纸基微流控芯片的敏感区域，而后对纸张进行切割、封装，完成纸基微流控芯片的制备。水溶性的海藻酸钠结合Ca2+后变成不溶于水的海藻酸钙，通过检测溶液在纸带上的流速可实现Ca2+的准确测量。该纸基微流控芯片制备成本低廉、操作方便、可一次性制备多条纸带，为纸基微流控芯片的普适化制作提供了一种新的研究思路。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

海藻酸钠（分析纯，上海Sigma-Aldrich公司），CaO（分析纯，昌邑市隆坤建材有限公司），Whatman1级色谱层析纸3001-861（英国Whatman公司）。实验用水为除氧纯净水（自制）。

CZ6890A工程结构写字机器人（淳真旗舰店），TopPette移液枪（北京大龙兴创实验仪器股份公司），FA2204N电子天平（上海科晓科学仪器有限公司），HC-110台式恒温混匀仪（杭州佑宁仪器有限公司），LGJ-10真空冷冻干燥机（北京松源华兴科技发展有限公司），101-4真空干燥箱（绍兴市苏珀仪器有限公司），1/16 peek鲁尔接头（北京仪佳科技有限公司），四氟毛细管（中山市拓鸿橡塑科技有限公司），27 G（0．21 mm）、30 G（0．16 mm）、32 G（0．06 mm）的点胶针头（兰拨万智能点胶科技有限公司），GDQZ330电动切纸刀（北京金典高科科技有限公司），古德092T加热层压机（古德办公旗舰店），ILX506 CCD线性传感器（日本Sony公司）。

1.2 水凝胶阀门纸基微流控芯片的制作

1.2.1 水凝胶阀门的制备将0．8 g海藻酸钠粉末加至39．2 g去氧水中，90℃恒温振荡12 h，制得质量分数为2%的海藻酸钠溶液。将制备的海藻酸钠溶液开盖放置于真空干燥箱，抽真空去氧1 h后获得无氧海藻酸钠溶液（后续实验所用海藻酸钠溶液均为无氧溶液）。将海藻酸钠溶液吸入2 mL的针筒中，通过写字机器人在层析纸上制备海藻酸钠条带。完成一条海藻酸钠区域条带的绘制后，将含有海藻酸钠条带的层析纸放入真空冷冻干燥机中12 h进行冻干，由于单条海藻酸钠阀门阻挡溶液的成功率较低，适量增加阀门数量可提高阻挡效果，以拟合更准确的工作曲线。在距离第一条水凝胶阀门2．5 mm处绘制第二条海藻酸钠区域条带（设置2．5 mm的间隔可有效防止新的水凝胶阀门和第一条水凝胶阀门重合），制备具有双阀门的纸基微流控芯片。绘制完毕后，进行冻干处理，冻干后的产品放在4℃冰箱中密封保存。

1.2.2 纸基微流控芯片的制备绘制具有水凝胶阀门的纸带后，使用Golden GD-QZ330电动切纸刀将20 cm×20 cm的Whatman1级色谱层析纸切成2 mm宽的纸带，在纸带正反面和侧面涂抹白蜡并加热1 min后，将覆盖膜、纸带、底膜组装在一起。通过加热层压机（轧制速度设为“1”档，温度为100℃）将聚酯薄膜加热后与纸带粘在一起。

1.3 纸基微流控芯片性能测试

将制备的纸基微流控芯片进行易用性和重现性分析，分别以0．01、0．1、1、10、30、50 mmol/L Ca2+溶液进行检测，每个浓度平行测定5次，结果取均值，以Ca2+浓度的对数为横坐标，溶液流过的时间为纵坐标，拟合工作曲线函数。

2 结果与讨论

2.1 写字机器人制备纸基微流控芯片的工艺

写字机器人是一种智能仿生机器人，具有精度高、操作简单、价格低廉等特点［26］。在使用写字机器人绘制阀门时，其制备过程示意图如图1A所示，将针筒固定在微流泵上以实现溶液的匀速流出，将点胶针头固定在鲁尔公接头上，然后用四氟毛细管将鲁尔公接头与2 mL的针筒连接，将点胶针头固定在写字机器人的悬臂上（图1B）。将层析纸放置在磁吸底板上用磁铁进行固定后，通过计算机软件控制写字机器人机械悬臂，将点胶针头和层析纸的距离控制在1 mm左右，确保其结构的重现性和一致性。写字机器人的精度（表示位置准确和笔画仿真的精确程度）为0．05 mm，该精度表明在制备过程中悬臂的移动具有很好的稳定性以及绘制的水凝胶阀门具有较高的分辨率。同时其悬臂的移动距离足够长，能够达到30 cm，因此可以在同一批水凝胶阀门制备完成后一次性产生多条纸基微流控芯片。实验优化了溶液流速、移动速度、点胶针头尺寸等参数对条带质量的影响，表明批间差异性可得到控制。最后，本文采用了一种类似制作身份证的方式，对绘制完成的纸带进行裁剪（图1C），并使用轧辊复合机生产层压纸的方式进行纸基微流控芯片的封装。选取聚酯薄膜作为覆盖膜，且纸带尺寸需小于聚酯薄膜和底膜，使覆盖膜和底膜粘合达到密封保护的作用，制备完成后的成品如图1D所示。

图1 写字机器人涂写示意图（A），写字机器人悬臂实物图（B），纸基微流控芯片制作工艺示意图（C），及纸基微流控芯片成品（D）Fig．1 Sketch drawings by writing robot（A），physical picture of the cantilever of the writing robot（B），schematic diagram of paper-based microfluidic chip manufacturing process（C），and finished paper-based microfluidic chip（D）

2.2 纸基微流控芯片制备工艺的优化

由于高浓度的海藻酸钠溶液水分少，绘制时间过长会导致已绘制完毕的海藻酸钠区域中的水分自然蒸发，从而破坏纸基微流控芯片结构。为缩短绘制时间，对写字机器人悬臂的移动速度以及微流泵的溶液流速进行优化。以移动速度15．58 mm/min，溶液流速250 μL/min为基础速度，考察了移动速度和流速成倍增加32 G、27 G、30 G三种点胶针头的实验效果。结果显示，当溶液流速为基础速度的5倍时，绘制的水凝胶阀门不会被风干，可以实现冻干操作。因此，在5倍溶液流速下，对比考察了10倍、5倍、4倍移动速度的影响。结果显示32 G点胶针头绘制的海藻酸钠区域不连续（图2A）；27 G点胶针头因出液量太大而无法控制形状（图2B）；30 G点胶针头只有在4倍移动速度下绘制的海藻酸钠区域明显且连续（图2C）。因此，实验选定4倍移动速度和5倍溶液流速的30 G点胶针头绘制阀门。

图2 5倍溶液流速下，32 G点胶针头（A）、27 G点胶针头（B）、30 G点胶针头（C）在不同移动速度下的绘制效果图Fig．2 Renderings of 32 G dispensing needle（A），27 G dispensing needle（B），30 G dispensing needle（C）with 5 times solution flow rate at different moving speeds moving speed（a-c）：10，5，4 times

2.3 纸基微流控芯片的工作原理

使用纸基微流控芯片时，需将芯片的前后端剪开，以确保液体顺利通过纸基微流控芯片（图3A）。纸基微流控芯片的检测效果如图3B所示，当溶液中含Ca2+时，液体的流速变快，芯片通道中溶液流动的速度增快，这是由于海藻酸钠和Ca2+结合形成凝胶小球，降低了溶液黏度所致（图3C）。当溶液不含Ca2+时，溶液流速受到水凝胶阀门的阻挡而变慢。因此，在相同时间内，含有Ca2+溶液的实验组比对照组流速更快。

图3 纸基微流控芯片示意图（A），纸基微流控芯片工作原理的宏观示意图（B）及微观示意图（C）Fig．3 Schematic diagram of paper-based microfluidic chip（A），macroscopic schematic diagram（B）and microscopic schematic diagram（C）of the working principle of paper-based microfluidic chip

2.4 水凝胶纸基微流控芯片的性能分析

2.4.1 不同浓度钙离子拟合工作曲线分析为了考察写字机器人制备的纸基微流控芯片的准确性，采用纸基微流控芯片对不同浓度的Ca2+溶液进行检测。如图4所示，接触待测溶液后，液体会按照纸基微流控芯片的通道流动，尽管流动距离相同，但不同浓度Ca2+溶液所需的时间不同。为减少毛细作用对实验结果的影响，需考察最佳的流动距离。本文选取不同浓度的Ca2+溶液，分别对流经1、2、3、4 cm处所需的时间进行统计，取5次平行试验的均值。结果显示，在水凝胶双阀门的阻挡下，溶液流经纸基微流控芯片不同距离所用的时间与Ca2+浓度的对数均呈指数函数关系，其在1、2、3、4 cm处的相关系数分别为0．992 1、0．993 8、0．973 4、0．855 5（见图5）。由于相关系数越接近1，回归模型的拟合效果越好，因此以2 cm处时间和Ca2+溶液浓度对数的指数函数相关性最佳，其拟合函数为：1．977 7，相关系数为0．993 8，利用该纸基微流控芯片可实现不同浓度（0．1~50 mmol/L）Ca2+溶液的定量检测。

图4 50 mmol/L Ca2+溶液在纸基微流控芯片上的流动距离实物图Fig．4 Flow distance of 50 mmol/L Ca2+solution on paper-based microfluidic chip

图5 溶液流经纸基微流控芯片不同距离处所用时间与Ca2+浓度的对数关系Fig．5 Relationship between solution flow time and logarithm of Ca2+concentration at different distances of paper chip distance of paper chip（A-D）：1，2，3，4 cm

2.4.2 易用性与重现性分析为验证纸基微流控芯片的易用性和重现性，招募10名志愿者对10 mmol/L Ca2+溶液进行10次独立检测，得到相对标准偏差（RSD）为3．8%（图6A），说明该纸基微流控芯片操作简单，使用较为方便。对同一批次的样品（10 mmol/L Ca2+溶液）进行10次平行检测，其相对标准偏差为3．1%（图6B），说明该纸基微流控芯片具有较好的重现性。

图6 10名志愿者操作纸基微流控芯片（A），及10个同一批次制备的纸基微流控芯片（B）对10 mmol/L Ca2+溶液的检测结果Fig．6 Test results of 10 mmol/L Ca2+solution with paper-based microfluidic chip operated by 10 laboratory volunteers（A）and 10 paper-based microfluidic chips prepared in the same batch（B）

2.4.3 显示设备的优化为实现纸基微流控芯片测量结果的自动读取，进行了数字显示部分的设计。如图7A所示，将纸基微流控芯片放置于线性传感器检测平台，芯片前端浸入待测溶液，根据纸带阴影中不同光强部分的长度可实现对溶液流过距离的检测。首先，感光元件选择ILX506线性传感器，对最小系统PCB进行焊接（图7B）。其次，系统的主要控制单元选择STM32F103CBT6为线性传感器提供外部时钟和中断，以获取实时数据以及向上位机发送处理好的数据。为获得控制单元所需的3．3 V电压，电源选用LM7805稳压芯片将9 V电压转换为5 V，然后使用LM1117IMPX-5．0将5 V的电压稳压到3．3 V。对于显示模块部分，则采用分辨率高、体积小、功耗低的液晶12864模块。

图7 线性传感器检测Ca2+浓度示意图（A），及ILX506最小系统PCB与焊接完原器件的PCB（B）Fig．7 Schematic diagram of linear sensor for detection of Ca2+concentration（A），and ILX506 minimum system PCB and PCB welded to the original device（B）

系统软件设计部分采用操作便捷、运行速度快、功能强大的C语言编写。在每个循环周期中，传感器经过对光信号的采样，将光信号转变为电压信号，经A/D转换进行信号处理后输入单片机，数据检测结果如图8A所示。最后，设计了用户操作流程以及上位机通讯系统，采用线性CCD调试助手完成通信处理的同时将数据绘制成图像（图8B）。

图8 数字显示结果（A）及上位机窗口显示界面（B）Fig．8 Digital display of results（A）and display interface of the upper machine window（B）

3 结论

本文借助写字机器人在纤维素层析纸上成功绘制出纸基微流控芯片的水凝胶阀门，并对其进行切割和封装。研究表明，写字机器人绘制出的海藻酸钠水凝胶阀门可实现0．1~50 mmol/L Ca2+溶液的定量检测，同时也验证了该纸基微流控芯片具有很好的易用性和重现性。在此基础上，本文采用ILX506 CCD传感器完成了数字显示装置的制作，实现了纸基微流控芯片“样本进、结果出”的检测效果。该方法为纸基微流控芯片的普适化制备提供了新的研究思路。