本文設(shè)計(jì)了一種多層紙基微流控芯片，將檢測(cè)區(qū)域所在的檢測(cè)層設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)層，芯片可以由沖洗步驟所需的溶液通道連通狀態(tài)變換為反應(yīng)步驟所用的溶液停留狀態(tài)。

本文設(shè)計(jì)的紙基微流控芯片如圖 1 所示。芯片結(jié)構(gòu)包括 5 個(gè)檢測(cè)單元、微通道網(wǎng)絡(luò)、分離層、可旋轉(zhuǎn)的檢測(cè)層、吸收層、固定的旋轉(zhuǎn)軸和 PVC 背板。

圖 1

其中分離層和檢測(cè)層所用的基底材料為 Whatman 1 號(hào)濾紙，需要通過(guò)噴蠟打印、加熱和切割等方式制作出親水微通道和疏水屏障，吸收層使用 Whatman 3MM 層析紙，只通過(guò)切割的方式加工其特定的親水通道。

圖 2

芯片多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是在芯片上實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)檢測(cè)，可以通過(guò)調(diào)整圓形的可旋轉(zhuǎn)檢測(cè)層使上層與下層的微通道連接或斷開，實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)式的操作。

如圖 2 該芯片設(shè)有 5 條微通道網(wǎng)絡(luò)和 5 個(gè)檢測(cè)單元，分離層位于最上層，其每條親水微通道與下面吸收層的微通道在一條直線上，可旋轉(zhuǎn)的檢測(cè)層位于分離層和吸收層之間，檢測(cè)層上的圓形親水區(qū)域作為連接樞紐，可以控制分離層與吸收層通道之間的連接狀態(tài)。

在上下通道呈連接狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)層親水區(qū)的上表面與分離層的微通道接觸，下表面與吸收層的微通道接觸，此時(shí)溶液可以從分離層的中心區(qū)域，依次通過(guò)分離層的微通道、檢測(cè)層的圓形親水區(qū)域、吸收層的微通道，最終到達(dá)吸收層。

當(dāng)檢測(cè)層旋轉(zhuǎn)約 36°（即分離層微通道之間夾角的二分之一）之后，上下通道將呈斷開狀態(tài)，此時(shí)分離層與吸收層的微通道均只接觸到檢測(cè)層的疏水區(qū)域，溶液流動(dòng)通道被隔離開，檢測(cè)層的圓形親水區(qū)域則單獨(dú)裸露出來(lái)，進(jìn)行免疫反應(yīng)與檢測(cè)，確保檢測(cè)層的親水區(qū)域上的溶液不會(huì)流失。

對(duì)紙基微流控芯片進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，僅有檢測(cè)層可以旋轉(zhuǎn)，其他層均固定不動(dòng)。需要在檢測(cè)層的親水區(qū)域上進(jìn)行反應(yīng)或單獨(dú)添加試劑時(shí)，紙芯片的通道為斷開狀態(tài)；而同時(shí)在親水區(qū)域上添加樣品或者同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行沖洗時(shí)，紙芯片通道需要切換至連接狀態(tài)。只需要旋轉(zhuǎn)檢測(cè)層就可以實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

1 分離層

分離層的功能為將滴加在芯片中心的樣品和試劑沿著芯片徑向均勻地向外流動(dòng)到五個(gè)通道中。這種由一到多的分散式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將溶液等量分配，使芯片同時(shí)對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行操作和檢測(cè)。

圖3

分離層選取的材料為 Whatman 1 號(hào)濾紙，親水區(qū)域不經(jīng)處理呈白色，疏水區(qū)域?yàn)楹谏?/p>

使用分離層的目的是使得溶液可以同時(shí)添加到五個(gè)檢測(cè)區(qū)域中，以消除因不同反應(yīng)時(shí)間或沖洗時(shí)間所引起的實(shí)驗(yàn)誤差。

圖 4

2 檢測(cè)層

檢測(cè)層也即反應(yīng)層，是紙基微流控芯片的核心反應(yīng)部分，所有的免疫反應(yīng)與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化都在檢測(cè)層的五個(gè)親水區(qū)域中進(jìn)行。

通過(guò)對(duì)五個(gè)親水微區(qū)域進(jìn)行功能化修飾，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的雙抗夾心法檢測(cè)。檢測(cè)層選取的材料為 Whatman 1 號(hào)濾紙，親水區(qū)域不經(jīng)處理呈白色，疏水區(qū)域?yàn)楹谏?/p>

圖 5

檢測(cè)層中間圓形區(qū)域?yàn)榭锥矗睆綖?8 mm，固定的旋轉(zhuǎn)軸將穿過(guò)該孔，使檢測(cè)層繞該軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此檢測(cè)層沿著疏水區(qū)域被切割為一個(gè)紙環(huán)。

檢測(cè)層上的 5 個(gè)圓形親水區(qū)域在環(huán)上均勻分布，位于檢測(cè)層上面分離層的微通道能夠接觸到這些區(qū)域。

圖 6

3 吸收層

吸收層的作用是吸收沖洗后的多余沖洗液，該層是溶液在無(wú)驅(qū)動(dòng)紙基微流控芯片上流動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ?，吸收層的吸水性越?qiáng)，毛細(xì)虹吸作用越好，溶液在紙基芯片上的流動(dòng)性就越強(qiáng)。

本文吸收層采用的材料為 Whatman 3MM 層析紙。相比分離層與檢測(cè)層所用的 Whatman 1 號(hào)濾紙，Whatman 3MM 層析紙厚度更大，硬度更強(qiáng)，具備更出色的吸水性能，遇水濕潤(rùn)后不易變形。

吸收層可以根據(jù)不同吸水量的要求，設(shè)置為不同的大小和形狀，而且還可根據(jù)需求不限次數(shù)地一層層進(jìn)行疊加。

圖 7

吸收層中間切割一個(gè)直徑為 25 mm 的孔，在切割時(shí)留出 5 個(gè)均勻徑向分布的微通道向孔中心延伸。中間孔的直徑與檢測(cè)層的直徑均為 25 mm，目的是使檢測(cè)層能正好放置在吸收層的中心，檢測(cè)層的 5 個(gè)親水區(qū)域能夠分別與吸收層的微通道接觸。

圖 8

4PVC 基板與旋轉(zhuǎn)軸

為固定整個(gè)芯片，使之便于旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)等操作，本文采用單側(cè)具有粘性的 PVC 基板用于將吸收層與旋轉(zhuǎn)軸粘貼在 PVC 板上進(jìn)行固定。

5 紙基微流控芯片的制備與組裝

紙基微流控芯片的分離層與檢測(cè)層所用的材料均為 Whatman 1 號(hào)濾紙，該材料孔徑為 11 μm，相比普通濾紙的溶液流速更快，負(fù)載力更強(qiáng)，層析效果良好，被廣泛應(yīng)用在化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)中，是良好的免疫反應(yīng)載體材料。

紙基微流控芯片的吸收層為 Whatman 3MM 層析紙，該材料厚度中等，約 0.34 mm，硬度高，潤(rùn)濕后強(qiáng)度高，具有出色的吸水性能，在本文中用作吸水材料。

本文采用蠟打印并加熱的方法來(lái)批量制備芯片的每一層。在軟件中完成分離層與檢測(cè)層的疏水區(qū)域與親水通道以及每一層的形狀尺寸后，采用噴蠟打印機(jī)將黑色蠟按照預(yù)期圖案打印到 20×20 mm 的Whatman 1 號(hào)濾紙上。

如圖 2 所示，在 Whatman 1 號(hào)濾紙上表面形成了特定圖案的黑色蠟層，每張紙可分別加工 72（9×8）個(gè)分離層和 36（6×6）個(gè)檢測(cè)層。

圖9

待蠟圖案冷卻成形后，將紙張平放到加熱板上，以 120 °C 恒溫加熱 90 s，其目的是將濾紙表面的固體蠟熔化，使黑色蠟液充分滲透到紙張內(nèi)部形成特定圖案的疏水屏障，這樣就加工出了分離層和檢測(cè)層的親水通道和親水區(qū)域。

對(duì)于吸收層采用激光切割機(jī)將每張 Whatman 3MM 層析紙按設(shè)計(jì)圖案進(jìn)行切割即可。

6 分離層所需樣本量的確定

為了準(zhǔn)確地將相同體積的試劑添加到五個(gè)檢測(cè)區(qū)域，首先確定需要額外添加到分離層上溶液的體積。

如圖 10 所示，分別將 5 μL，10 μL 和 15 μL 的藍(lán)色墨水滴加到紙基微流控芯片分離層的中心位置。

圖 10

當(dāng)體積為 5 μL 時(shí)，溶液無(wú)法填充滿整個(gè)分離層，未能流動(dòng)到下層的檢測(cè)區(qū)域；

當(dāng)體積為 15 μL 時(shí)，溶液填充滿了分離層的所有通道，但此時(shí)已經(jīng)有大量的溶液流動(dòng)到了檢測(cè)層，說(shuō)明分離層的溶液體積過(guò)量；

當(dāng)體積為 10 μL 時(shí)，溶液填充滿了分離層的所有微通道，并且有趨勢(shì)向著下層的檢測(cè)區(qū)域滲透，說(shuō)明此時(shí)的溶液體積正好是填滿分離層所需的溶液的量。

因此選取 10 μL 作為上樣量中所需的額外的溶液體積。

假設(shè)需要在每個(gè)檢測(cè)區(qū)域分別添加 x μL 的溶液，則實(shí)際需要添加在分離層的溶液的體積 V = 5x + 10 (μL)。

審核編輯：劉清