基于喷墨打印的低成本、抗渗透纸基微流控芯片的制备与应用

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微流控芯片因其微型化、集成化以及便携化的特性在食品安全、疾病筛查和环境保护方面有许多显著优势。与其他合成基底材料(例如塑料,硅板,玻璃等)相比,纸张因其天然的毛细管作用力、柔软性、可持续性、成熟的可加工性和表面化学反应性,被认为是制造无泵微流体器件的极具吸引力的基底材料。迄今为止,已经成功报道了一系列用于构建纸基微流控的方法如光刻法、蜡印法、蚀刻法、喷墨印刷法等,并在医疗、食品和环境等领域得到应用。本文针对现有方法中待测液在管道运输过程中滞留量大导致样品输送效率低,以及一些疏水物质难以形成足够的疏水屏障等科学问题,从造纸工艺出发,提出了一种集成表面处理技术和喷墨印刷技术的简单高效的纸基微流控芯片制造方法,以实现纸基芯片低成本化,并防止待测液对纸基的过度渗透,提高微流控芯片精度的同时还能进一步减少测试样品的用量。主要研究成果如下:自制纤维素纸作为纸基微流控芯片的载体,基于浆内施胶和表面施胶两种可进行纸张疏水性能调控的方法,以通道内液体的渗透性能以及扩散性能为评价标准,确定了纸基芯片的理想制备工艺条件:漂白硫酸盐桉木浆制备纤维素纸(预设定量为80 g/m2),烷基烯酮二聚体(AKD)与改性木薯淀粉以绝干比为3:7制备表面施胶胶料。纸张通过表面施胶法获得疏水性(WCA=128±2°),105℃下干燥后,再给予纸张表面2 MPa,3.5 m/min的压光处理。将二异辛基琥珀酸酯磺酸钠溶液以1:1的比例溶于50%(v/v)的乙醇溶液作为打印墨水,喷墨打印亲水通道(WCA=7±2°),实现纸基微流控芯片的基本功能。利用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱分析仪以及激光扫描共聚焦显微镜分别对纸基微流控芯片纸张的表面形貌、化学结构和液体在通道内的渗透性能进行表征。其通道打印精度的线性拟合度达0.9987,具有高平滑的图案边缘;液体传输速率随通道宽度的增加而增加,1200μm宽的通道内,液体平均流动速率可达到1.43 mm/s,而通过此方法构造的可供液体流通最小通道宽度可达500μm。该芯片形成的疏水屏障对表面张力大于40 m N/m的溶液具有较好的限液性,可将水性待测液很好地限制在通道的上表层(深度大于93.66±3.11μm)。保证较好的流动效果的同时,使下表层具有一定的抗渗透性(吸水性Cobb60背=19.1 g/m2),防止待测液的完全渗透,有利于减少待测液的使用量。基于成本较低的表面处理和喷墨印刷工艺制得的纸基微流控芯片在成本,生产效率,分辨率,抗扩散性和降解性等方面,展现出卓越的综合优势。为验证该芯片在亚硝酸盐检测应用中的可行性。在直径4.5 mm的圆形检测区域中Griess试剂与待测液的反应量均为2.5μL,其颜色显示效果最佳。通过颜色密度与色度评价确定检测结果与各亚硝酸盐浓度(0.027~0.87 m M)具有较好的相关性,其密度和色差拟合度分别为R2=0.9985和R2=0.994,根据拟合方程可以进行半定量分析。从拟合曲线的趋势来看,芯片对亚硝酸盐的检测限(LOD)低于0.027 m M,在现有工作中具有较好检测精度的同时反应快速。而装载了Griess试剂的芯片在有效使用期内,为保证反应结果的有效性,密闭保存在冷藏室(3℃左右)为较佳储存条件。
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