基于多版图案化丝网联合印刷技术的三维纸芯片制备方法

摘要

本发明提供了基于多版图案化丝网联合印刷技术的三维纸芯片制备方法，具体制备过程如下：用刮板将疏水性印刷液通过图案化印墨丝网印刷在纸上，渗透入纸张，形成疏水区，没有印刷的部分为亲水区，获得纸芯片的通道层和检测层；用刮板将预处理药剂通过图案化药印丝网印刷在所述通道层和所述检测层上的预处理区域；用刮板将检测药剂通过图案化印药丝网印刷在所述检测层上的检测区域；用刮板将胶液通过图案化印胶丝网印刷在所述通道层上；将所述通道层和所述检测层粘结组装，获得三维纸芯片。本方法工艺简单，容易实现图案化，制作图案的精度高，仪器设备简单，容易实现产业化，显著降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及三维纸芯片制备领域，具体涉及一种基于多版图案化丝网联合印刷技术的三维纸芯片制备方法。

背景技术

微流控纸芯片又称纸上微型实验室，是一种通过在纸基底上构建流体通道网络以实现分析检测的新型微流控分析器件。它将传统微流控芯片微型化、便携化等特点与滤纸廉价易得、加工便利、生物相容性好等优势相结合，已成为一个全新的分析技术平台，在临床医疗诊断、食品安全检测和环境质量监控等领域均表现出较好的应用前景。

(1)2D纸芯片加工技术

目前，文献报道的2D纸芯片加工技术有紫外光刻、蜡印、等离子体处理、喷墨打印、喷墨刻独、绘图、丝网印刷、融蜡浸透、融蜡印章、柔印、激光处理等技术。通过这些技术在滤纸的特定区域制造出疏水的隔离带(或隔离视)，形成亲疏水性微通道网络，制得2D微流控纸芯片。根据亲疏水图案化方式不同，2D纸芯片的制作方法可分为两大类：一是两步法，即先采用物理沉积、物理堵塞或化学键合等途径使疏水性材料均匀涂敷或修饰整片纸张，然后通过一定的技术使局部区域亲水化；二是一步法，即直接在纸张的特定区域一步疏水化(原亲水性纸片)或亲水化(原疏水性纸片)处理。属于前者的有紫外光刻、等离子体处理、喷墨刻烛等技术；属于后者的有蜡印、喷墨打印、绘图、丝网印刷、柔印、激光刻蚀、融蜡浸透和融蜡印章等技术。第一类制作方法优点在于制作的芯片图案分辨率高，但是所用仪器与试剂价格昂贵，制作过程复杂、繁琐。第二类方法中的蜡印、喷墨打印和激光刻蚀优点与第一类方法一样，但是所用仪器与试剂价格也比较昂贵，而融蜡浸透和融蜡印章法虽然试剂与仪器成本低，但是图案分辨率较低，同时模具制作困难。绘图、丝网印刷、柔印的成本最低，但是图案分辨率也较低，并且绘图法不适合批量生产。

(2)三维纸芯片加工(芯片封接)技术

三维纸芯片具有立体通道网络结构，该结构特点使三维纸芯片具有某些优于2D纸芯片的性能：1)流体的快速输送，因为Z轴方向的路径比x，y-平面内的通道路径要短很多；2)单片装置内高通量检测，如在2cm×2cm×1.2mm的装置内同时进行16个试验；3)易设计功能部件，如将上层纸片用于过滤。目前，文献报道的三维纸芯片加工技术主要有2D纸芯片粘结法和折纸法。2011年，Crooks组报道了用中国传统的手工折纸技术制作三维纸芯片的新方法。具体制作过程是首先用简单的SU8-紫外光刻技术在一层纸芯片上pattern好通道、储液池和折痕等分析元件；接着按折痕和一定的折法将该层纸芯片折成多层三维装置；最后减去四个角放进销制夹板之间等待进样分析。折纸法的缺点在于纸层之间较难对准，并且总是存在缝隙，影响流体垂直流动，还需要配置额外的销制夹板。Whitesides组利用打有孔眼并在孔眼内填充了纤维素粉的不透水双面胶将两层或多层经SU8-紫外光刻制得的二维纸芯片枯合叠加在一起，首次制得三维纸芯片。这种方法虽然纸层之间能够紧密结合，但是制作过程过于困难和繁琐。2012年，Phillips组报道了一种蜡打印法结合喷胶技术快速、批量制作三维纸芯片的新方法。喷胶法的优点在于纸层结合紧密，操作简单，但相对喷胶量难以控制、较难实现图案化，胶液在滤纸中的渗透会影响通道的亲水性能。

(3)纸芯片上固定药剂分子

在纸芯片上固定药剂分子，在流体流经固定分子的区域，达到预处理或检测的目的，常用的方法主要有物理固定法、化学固定法、生物化学结合法和载体颗粒法。物理固定法可以直接应用到纸表面，这主要是因为纸纤维的毛细拉力和亲水性可以促进纸的快速吸收；化学固定法主要是通过共价交联进行的；生物化学结合主要是将抗体、酶、菌体或者细胞与纤维素片断相结合，然后它们可以自发地固定到纸纤维上；载体颗粒法是将生物分子共价固定到胶体颗粒上再结合在纸上。上述固定的方法在结合过程中可采用点样或打印的方法来图案化并提高通量，但仪器昂贵，容易堵塞。

现在丝网印刷技术来制作2D纸芯片是先制作丝网印刷模具，然后印刷固体蜡，加热后固体蜡融化进入纸基底微孔内，形成疏水琐，制得具有亲疏水图案的纸芯片。这种制作方法步骤复杂，图案分辨率较低；2D纸芯片在封接成三维芯片时，目前的封接方法主要包括折纸法和粘结法，存在以下缺点：纸层之间存在缝隙，影响流体垂直流动，需要配置额外的销制夹板；制作过程过于困难、繁琐，喷胶量难以控制、较难实现图案化，胶液在滤纸中的渗透会影响通道的亲水性能；纸芯片上固定药剂分子过程中可采用点样或打印的方法来图案化并提高通量，但仪器昂贵，容易堵塞。

发明内容

为此，本发明针对上述问题的不足，提供一种基于多版图案化丝网联合印刷技术的三维纸芯片制备方法，以解决现有技术存在的精度低、成本高、制作过程复杂、困难等问题。

本发明提供的基于多版图案化丝网联合印刷技术的三维纸芯片制备方法，具体制备过程如下：

用刮板将疏水性印刷液通过图案化印墨丝网印刷在纸上，渗透入纸张，形成疏水区，没有印刷的部分为亲水区，获得纸芯片的通道层和检测层；

用刮板将预处理药剂通过图案化药印丝网印刷在所述通道层和所述检测层上的预处理区域；

用刮板将检测药剂通过图案化印药丝网印刷在所述检测层上的检测区域；

用刮板将胶液通过图案化印胶丝网印刷在所述通道层上；

将所述通道层和所述检测层粘结组装，获得三维纸芯片。

优选地，所述印墨丝网和印药丝网均采用尼龙网，所述印胶丝网采用钢网。

优选地，所述印墨丝网采用200-400目，所述印胶丝网采用50-180目，所述印药丝网采用200-400目。

更优选地，所述印墨丝网采用300目；所述印胶丝网采用140-160目；所述印药丝网采用300-400目。

优选地，所述印墨丝网、所述印药丝网、所述印胶丝网的张力均为15-18N/cm。

优选地，印刷时，所述印墨丝网、所述印药丝网、所述印胶丝网与纸之间网距均是1-4mm。

更优选地，所述印墨丝网、所述印药丝网、所述印胶丝网与纸之间网距均是1-1.8mm。

优选地，所述刮板在印刷时与丝网接触时角度是40-50°，印刷速度为0.2-0.6m/s。

优选地，所述疏水性印刷液包括疏水性物质和溶剂；其中，所述疏水性物质为网印油墨、石蜡、聚二甲基硅氧烷、丙烯颜料中的一种；所述溶剂是乙酸乙酯、正庚烷、甲苯、乙醇中的一种；

当所述印刷液由网印油墨和乙酸乙酯组成时，所述网印油墨和所述乙酸乙酯的体积比为5-3∶1；当所述印刷液由石蜡和正庚烷组成时，所述石蜡和所述正庚烷的质量比为1∶150-200；当所述印刷液由丙烯颜料和乙醇组成时，所述丙烯颜料和所述乙醇的体积比为1∶1-1.5；

当所述印刷液由疏水性物质聚二甲基硅氧烷和溶剂甲苯组成时，还包括交联剂正硅酸乙酯，所述聚二甲基硅氧烷、所述正硅酸乙酯和所述甲苯的体积比为10∶1∶2-3。

优选地，所述预处理药剂是化学掩蔽剂、缓冲剂、酶或酶标记的抗体。

优选地，所述检测药剂是化学显色剂、荧光探针、DNA分子、细菌、细胞或底物。

更优选地，所述化学显色剂和荧光探针分别由蒸馏水或相应有机溶剂配制；所述DNA分子、细菌、细胞或底物由纤维素或二氧化硅微球包被。

优选地，所述胶液是主要成分为环氧树脂的纸粘胶；所述纸选自滤纸、醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜或混合纤维素膜中的一种。

本发明提供的基于多版图案化丝网联合印刷技术的三维纸芯片制备方法具有如下有益效果：

1)采用丝网印刷技术，通过改进打印材料，不采用固体蜡，而是采用疏水性材料和对应溶剂一次性渗入纸层的方式，省略加热再渗透，简化制作步骤；从网孔目数、刮板角度、印刷速度、纸张承载力、输水材料和配方等多参数的优化，精确控制疏水材料在纸张的垂直渗透量和水平延展量，增大垂直渗透，降低水平延展，从而提高图案的精度；

2)采用丝网印刷技术，来印刷胶液，从而将三维纸芯片再封接成三维芯片；从网孔目数、刮板角度、印刷速度、纸张承载力，精确控制胶液在纸张的垂直渗透量和水平延展量，增大胶液水平延展，降低垂直渗透，在保证将纸粘结紧密的同时，最大程度避免由于胶液在滤纸中的渗透，而对通道的亲水性能的影响；

3)采用丝网印刷技术，来印刷药剂分子，容易实现图案化，仪器设备简单，容易实现产业化，显著降低生产成本。

附图说明

图1为本发明提供的实施例1制备的三维纸芯片的结构示意图；

图2为本发明提供的实施例2制备的三维纸芯片的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

选取300目的图案化印墨丝网，其材质为尼龙，丝网张力18N/cm，利用该图案化印墨丝网将体积比为3∶1的网印油墨和乙酸乙酯组成的疏水性印刷液，印刷在滤纸上，印刷时所述印墨丝网与滤纸之间网距是1.5mm，刮板与所述印墨丝网接触时角度是45°，印刷速度是0.2m/s，纸张承受压力为12N，获得纸芯片(2D纸芯片)的通道层和检测层。

预处理药剂采用化学掩蔽剂，具体为水溶液质量配比为20％的丙二酸钠和15％的氟化钠。将显色剂二乙基二硫代氨基甲酸钠使用EDTA和HF的混合溶液(EDTA：0.05mol>-1；HF：0.05mol>-1)配置成1.0mg>-1的溶液，使用2％(v/v)的氨水将pH调节成8.5，得到检测药剂。

选取400目的图案化印药丝网，其材质为尼龙，丝网张力18N/cm；利用该图案化印药丝网将上述预处理药剂印刷在图1所示的第二层预处理区域，将上述得到检测药剂印刷在图1所示的第四层检测区域，晾干，其丝网图案分别与第二层和第四层一致，印刷时印药丝网与滤纸之间网距是1.5mm，刮板与印药丝网接触时角度是45°，印刷速度是0.4m/s，纸张承受压力为8N。

选取150目的图案化印药丝网，其材质为钢网，丝网张力15N/cm，利用该图案化印胶丝网将胶液(主要成分是环氧树脂的纸粘胶)印刷在图1所示的第一层的背面，第二层的背面和第四层的正面，其丝网图案分别与第一层、第二层和第四层一致，印刷时印胶丝网与滤纸之间网距是1.5mm，刮板与印胶丝网接触时角度是45°，印刷速度是0.4m/s，纸张承受压力为4N，将第一层滤纸背面与第二层滤纸正面粘结，依次粘结至整个图案化三维纸芯片装配完成。

2D芯片疏水材料透纸率100％，通道分辨率0.25mm，胶液对通道亲水性无影响。按照上述步骤制备的三维纸芯片其结构示意图如图1所示。通过该芯片，可将单一样品平行分配为16个平行样品，提高检测通量。

实施例2

选取400目的图案化印墨丝网，其材质为尼龙，丝网张力18N/cm，利用该图案化印墨丝网将体积比为1∶1的丙烯颜料和乙醇组成的疏水性印刷液，印刷在滤纸上，印刷时所述印墨丝网与滤纸之间网距是1.5mm，刮板与所述印墨丝网接触时角度是45°，印刷速度是0.2m/s，纸张承受压力为12N，获得纸芯片(2D纸芯片)的通道层和检测层。

预处理药剂采用化学掩蔽剂，具体为Na₂S₂O₃(40ppm)和0.05％(v/v)H₂SO₄的混合溶液。将显色剂丁二酮肟使用50％(v/v)的丙酮水溶液配成2mg>-1的溶液(该溶液同时包含EDTA：0.05mol>-1，Na₂S₂O₃：0.05mol>-1)，得到检测药剂。

选取400目的图案化印药丝网，其材质为尼龙，丝网张力18N/cm，利用该图案化印药丝网将上述预处理药剂印刷在图2所示的第二层或第三层预处理区域，将检测药印刷在图2所示的第四层检测区域，晾干，其丝网图案分别与第二层和第四层一致，印刷时印药丝网与滤纸之间网距是1.5mm，刮板与印药丝网接触时角度是45°，印刷速度是0.4m/s，纸张承受压力为8N。

选取150目的图案化印药丝网，其材质为钢网，丝网张力15N/cm，利用该图案化印胶丝网将胶液(主要成分是环氧树脂的纸粘胶)印刷在图2所示的第一层的背面，第二层的背面和第四层的正面，其丝网图案分别与第一层、第二层和第四层一致，印刷时印胶丝网与滤纸之间网距是1.5mm，刮板与印胶丝网接触时角度是45°，印刷速度是0.4m/s，纸张承受压力为4N，将第一层滤纸背面与第二层滤纸正面粘结，依次粘结至整个图案化三维纸芯片装配完成。

2D芯片疏水材料透纸率100％，通道分辨率0.125mm，胶液对通道层亲水性无影响，按照上述步骤制备的三维纸芯片其结构示意图如图2所示。通过该芯片，可将4种待测样品分别平行分配为4个平行样品，并形成图2中检测阵列的排列方式。

实施例3

选取200目的图案化印墨丝网，其材质为尼龙，丝网张力15N/cm，利用该图案化印墨丝网将质量比为1∶150的石蜡和正庚烷组成的疏水性印刷液，印刷在醋酸纤维素膜上，印刷时所述印墨丝网与醋酸纤维素膜之间网距是1.8mm，刮板与所述印墨丝网接触时角度是40°，印刷速度是0.6m/s，醋酸纤维素膜承受压力为4N，获得纸芯片(2D纸芯片)的通道层和检测层。

预处理药剂采用体积分数为2％的氨水，检测药剂为浓度为2mg/ml的丁二酮肟。

选取300目的图案化印药丝网，其材质为尼龙，丝网张力15N/cm；利用该图案化印药丝网将上述预处理药剂印刷在图1所示的第二层预处理区域，将上述检测药剂印刷在图1所示的第四层检测区域，晾干，其丝网图案分别与第二层和第四层一致，印刷时印药丝网与醋酸纤维素膜之间网距是1.8mm，刮板与印药丝网接触时角度是40°，印刷速度是0.4m/s，醋酸纤维素膜承受压力为8N。

选取160目的图案化印药丝网，其材质为钢网，丝网张力18N/cm，利用该图案化印胶丝网将胶液(主要成分是环氧树脂的纸粘胶)印刷在图1所示的第一层的背面，第二层的背面和第四层的正面，其丝网图案分别与第一层、第二层和第四层一致，印刷时印胶丝网与醋酸纤维素膜之间网距是1.8mm，刮板与印胶丝网接触时角度是40°，印刷速度是0.6m/s，醋酸纤维素膜承受压力为8N，将第一层醋酸纤维素膜背面与第二层醋酸纤维素膜正面粘结，依次粘结至整个图案化三维纸芯片装配完成。

实施例4

选取300目的图案化印墨丝网，其材质为尼龙，丝网张力16N/cm，利用该图案化印墨丝网将体积比为5∶1的网印油墨和乙酸乙酯组成的疏水性印刷液，印刷在硝酸纤维素膜上，印刷时所述印墨丝网与硝酸纤维素膜之间网距是1.0mm，刮板与所述印墨丝网接触时角度是50°，印刷速度是0.2m/s，硝酸纤维素膜承受压力为12N，获得纸芯片(2D纸芯片)的通道层和检测层。

预处理药剂1采用单分散二氧化硅微球(5.0μL，2.5％(w/V))混合金标兔抗HAV抗体1；检测药剂采用单分散二氧化硅微球(5.0μL，2.5％(w/V))混合兔抗HAV抗体2。

选取400目的图案化印药丝网，其材质为尼龙，丝网张力16N/cm；利用该图案化印药丝网将上述预处理药剂印刷在图2所示的第二层预处理区域，将上述检测药剂印刷在图2所示的第四层检测区域，晾干，其丝网图案分别与第二层和第四层一致，印刷时印药丝网与硝酸纤维素膜之间网距是1.0mm，刮板与印药丝网接触时角度是50°，印刷速度是0.6m/s，醋酸纤维素膜承受压力为6N。

选取140目的图案化印药丝网，其材质为钢网，丝网张力16N/cm，利用该图案化印胶丝网将胶液(主要成分是环氧树脂的纸粘胶)印刷在图2所示的第一层的背面，第二层的背面和第四层的正面，其丝网图案分别与第一层、第二层和第四层一致，印刷时印胶丝网与硝酸纤维素膜之间网距是1.0mm，刮板与印胶丝网接触时角度是50°，印刷速度是0.6m/s，硝酸纤维素膜承受压力为8N，将第一层硝酸纤维素膜背面与第二层硝酸纤维素膜正面粘结，依次粘结至整个图案化三维纸芯片装配完成。

实施例5

对实施例1所制得的图案化三维纸芯片进行显色检测，具体为：

使用去离子水，将固体CuSO₄·5H₂O配置成浓度为100ppm的Cu²⁺标准溶液。再将浓度为100ppm的Cu²⁺溶液分别稀释至50ppm、20ppm、10ppm、5ppm、2ppm、1ppm。将浓度为1-100ppm的一系列Cu²⁺溶液50μL，滴加至实施例1所制得的图案化三维纸芯片上层的样品滴加入口。将三维纸芯片静置3分钟后，观察检测区域的颜色变化。Cu²⁺经显色后，阵列区域变成黄褐色，整体颜色依照Cu²⁺浓度的由高到低的变化呈由深到浅的渐变效果。

实施例6

对实施例2所制得的图案化三维纸芯片进行显色检测，具体为：

使用去离子水，将固体NiSO₄·6H₂O配置成浓度为100ppm的Ni²⁺标准溶液。再将浓度为100ppm的Ni²⁺溶液分别稀释至50ppm、20ppm、10ppm、5ppm、2ppm、1ppm。将浓度为1-100ppm的一系列Ni²⁺溶液50μL，滴加至实施例2所制得的图案化多层阵列纸芯片上层的样品滴加入口。将三维纸芯片静置3分钟后，观察检测区域的颜色变化。Ni²⁺经显色后，阵列区域变成紫红色，整体颜色依照Ni2+浓度的由高到低的变化呈由深到浅的渐变效果。

实施例7

对实施例3所制得的图案化三维纸芯片进行显色检测，具体为：

使用去离子水，将固体NiSO₄·6H₂O配置成浓度为100ppm的Ni²⁺标准溶液。将浓度为100ppm的Ni²⁺溶液分别稀释至50ppm、20ppm、10ppm、5ppm、2ppm、1ppm。将浓度为1-100ppm的一系列Ni²⁺溶液50μL，滴加至实施例3所制得的图案化多层阵列纸芯片上层的样品滴加入口。将三维纸芯片静置3分钟后，观察检测区域的颜色变化。Ni²⁺经显色后，检测区域变成紫红色，整体颜色依照Ni²⁺浓度的由高到低的变化呈由深到浅的渐变效果。

实施例8

对实施例4所制得的图案化三维纸芯片进行显色检测，具体为：

使用患者血清样本，滴加至实施例4所制得的图案化多层阵列纸芯片上层的样品滴加入口。将三维纸芯片静置3分钟后，观察检测区的颜色变化。HAV经显色后，检测区域变成红色，整体颜色依照HAV浓度的由高到低的变化呈由深到浅的渐变效果。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。