本文設(shè)計了一種多層紙基微流控芯片，將檢測區(qū)域所在的檢測層設(shè)計為可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)檢測層，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)計的紙基微流控芯片如圖 1 所示。芯片結(jié)構(gòu)包括 5 個檢測單元、微通道網(wǎng)絡(luò)、分離層、可旋轉(zhuǎn)的檢測層、吸收層、固定的旋轉(zhuǎn)軸和 PVC 背板。

圖 1

其中分離層和檢測層所用的基底材料為 Whatman 1 號濾紙，需要通過噴蠟打印、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)計的目的是在芯片上實現(xiàn)多通道同時檢測，可以通過調(diào)整圓形的可旋轉(zhuǎn)檢測層使上層與下層的微通道連接或斷開，實現(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 個檢測單元，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)的檢測層位于分離層和吸收層之間，檢測層上的圓形親水區(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，檢測層親水區(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，此時溶液可以從分離層的中心區(qū)域，依次通過分離層的微通道、檢測層的圓形親水區(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)，此時分離層與吸收層的微通道均只接觸到檢測層的疏水區(qū)域，溶液流動通道被隔離開，檢測層的圓形親水區(qū)域則單獨裸露出來，進行免疫反應(yīng)與檢測，確保檢測層的親水區(qū)域上的溶液不會流失。

對紙基微流控芯片進行實際操作時，僅有檢測層可以旋轉(zhuǎn)，其他層均固定不動。需要在檢測層的親水區(qū)域上進行反應(yīng)或單獨添加試劑時，紙芯片的通道為斷開狀態(tài)；而同時在親水區(qū)域上添加樣品或者同時對它們進行沖洗時，紙芯片通道需要切換至連接狀態(tài)。只需要旋轉(zhuǎn)檢測層就可以實現(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到五個通道中。這種由一到多的分散式結(jié)構(gòu)設(shè)計可以將溶液等量分配，使芯片同時對多個區(qū)域進行操作和檢測。

圖3

分離層選取的材料為 Whatman 1 號濾紙，親水區(qū)域不經(jīng)處理呈白色，疏水區(qū)域為黑色。

使用分離層的目的是使得溶液可以同時添加到五個檢測區(qū)域中，以消除因不同反應(yīng)時間或沖洗時間所引起的實驗誤差。

圖 4

2 檢測層

檢測層也即反應(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)與實驗優(yōu)化都在檢測層的五個親水區(qū)域中進行。

通過對五個親水微區(qū)域進行功能化修飾，可以實現(xiàn)對目標(biāo)分析物的雙抗夾心法檢測。檢測層選取的材料為 Whatman 1 號濾紙，親水區(qū)域不經(jīng)處理呈白色，疏水區(qū)域為黑色。

圖 5

檢測層中間圓形區(qū)域為孔洞，直徑為 8 mm，固定的旋轉(zhuǎn)軸將穿過該孔，使檢測層繞該軸進行旋轉(zhuǎn)，因此檢測層沿著疏水區(qū)域被切割為一個紙環(huán)。

檢測層上的 5 個圓形親水區(qū)域在環(huán)上均勻分布，位于檢測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，該層是溶液在無驅(qū)動紙基微流控芯片上流動的主要動力源，吸收層的吸水性越強，毛細(xì)虹吸作用越好，溶液在紙基芯片上的流動性就越強。

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

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)地一層層進行疊加。

圖 7

吸收層中間切割一個直徑為 25 mm 的孔，在切割時留出 5 個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層的直徑均為 25 mm，目的是使檢測層能正好放置在吸收層的中心，檢測層的 5 個親水區(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

為固定整個芯片，使之便于旋轉(zhuǎn)和移動等操作，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層所用的材料均為 Whatman 1 號濾紙，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，層析效果良好，被廣泛應(yīng)用在化學(xué)分析實驗中，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，潤濕后強度高，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批量制備芯片的每一層。在軟件中完成分離層與檢測層的疏水區(qū)域與親水通道以及每一層的形狀尺寸后，采用噴蠟打印機將黑色蠟按照預(yù)期圖案打印到 20×20 mm 的Whatman 1 號濾紙上。

如圖 2 所示，在 Whatman 1 號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）個分離層和 36（6×6）個檢測層。

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層的親水通道和親水區(qū)域。

對于吸收層采用激光切割機將每張 Whatman 3MM 層析紙按設(shè)計圖案進行切割即可。

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檢測區(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，溶液無法填充滿整個分離層，未能流動到下層的檢測區(qū)域；

當(dāng)體積為 15 μL 時，溶液填充滿了分離層的所有通道，但此時已經(jīng)有大量的溶液流動到了檢測層，說明分離層的溶液體積過量；

當(dāng)體積為 10 μL 時，溶液填充滿了分離層的所有微通道，并且有趨勢向著下層的檢測區(qū)域滲透，說明此時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)需要在每個檢測區(qū)域分別添加 x μL 的溶液，則實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