基于紙基微流控芯片的工作原理

紙基微流控芯片是一種紙質(zhì)基底芯片，具有性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，然而其制備技術(shù)多依賴專業(yè)昂貴的設(shè)備，限制了紙基微流控芯片的發(fā)展。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決這一問題，來(lái)自北京信息科技大學(xué)的研究人員采用成本低廉的家用寫字機(jī)器人，制備了具有水凝膠閥門的紙基微流控芯片。以Ca2?為模型靶標(biāo)，該紙基微流控芯片能實(shí)現(xiàn)不同濃度（0.1~50mmol/L）Ca2?溶液的裸眼定量檢測(cè)，并具有很好的易用性和重現(xiàn)性。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在《分析測(cè)試學(xué)報(bào)》期刊上。

水凝膠閥門紙基微流控芯片的制作

制備過(guò)程示意圖如圖1A所示，首先將針筒固定在微流泵上以實(shí)現(xiàn)溶液的勻速流出，并將點(diǎn)膠針頭固定在魯爾公接頭上，然后用四氟毛細(xì)管將魯爾公接頭同2mL的針筒連接在一起，將點(diǎn)膠針頭固定在寫字機(jī)器人的懸臂上（圖1B）。接著，將層析紙放置在磁吸底板上用磁鐵進(jìn)行固定后，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制寫字機(jī)器人機(jī)械懸臂，將點(diǎn)膠針頭和層析紙的距離控制在1mm左右，確保其結(jié)構(gòu)的重現(xiàn)性和一致性。寫字機(jī)器人的精度（表示位置準(zhǔn)確和筆畫仿真的精確程度）為0.05mm，該精度表明，在制備過(guò)程中懸臂的移動(dòng)具有很好的穩(wěn)定性以及繪制的水凝膠閥門具有較高的分辨率。同時(shí)其懸臂的移動(dòng)距離足夠長(zhǎng)，能夠達(dá)到30cm，因此可以在同一批水凝膠閥門制備完成后一次性產(chǎn)生多條紙基微流控芯片。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了溶液流速、移動(dòng)速度、點(diǎn)膠針頭尺寸等參數(shù)對(duì)條帶質(zhì)量的影響，表明批間差異性可得到控制。最后，研究人員采用了一種類似制作身份證的方式，對(duì)繪制完成的紙帶進(jìn)行裁剪（圖1C）：使用軋輥復(fù)合機(jī)生產(chǎn)層壓紙的方式進(jìn)行紙基微流控芯片的封裝。選取聚脂薄膜作為覆蓋膜，且紙帶尺寸需小于聚酯薄膜和底膜，使覆蓋膜和底膜沾到一起達(dá)到密封保護(hù)的作用，制備完成后的成品如圖1D所示。

圖1 （A）寫字機(jī)器人涂寫示意圖；（B）寫字機(jī)器人懸臂實(shí)物圖；（C）紙基微流控芯片制作工藝示意圖；（D）紙基微流控芯片成品。

紙基微流控芯片的工作原理

使用紙基微流控芯片時(shí)，需將芯片的前后端剪開，以確保液體順利通過(guò)紙基微流控芯片（圖2A）。紙基微流控芯片的檢測(cè)效果如圖2B所示，當(dāng)溶液中含Ca2?時(shí)，液體的流速變快，芯片通道中溶液流動(dòng)的速度增快，這是由于海藻酸鈉和Ca2?結(jié)合形成凝膠小球，降低了溶液黏度所致（圖2C）。當(dāng)溶液不含Ca2?時(shí)，溶液流速受到水凝膠閥門的阻擋而變慢。因此，在相同時(shí)間內(nèi)，含有Ca2?溶液的實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組流速更快。

圖2 （A）紙基微流控芯片示意圖；（B）紙基微流控芯片工作原理宏觀示意圖；（C）紙基微流控芯片工作原理微觀示意圖。

易用性與重現(xiàn)性分析

為驗(yàn)證紙基微流控芯片的易用性和重現(xiàn)性，招募10名志愿者對(duì)10mmol/L Ca2?溶液進(jìn)行10次獨(dú)立檢測(cè)，計(jì)算得到相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為3.8%（圖3A），說(shuō)明該紙基微流控芯片操作簡(jiǎn)單，使用起來(lái)較為方便。對(duì)同一批次的樣品（10mmol/L Ca2?溶液）進(jìn)行10次平行檢測(cè)，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.1%（圖3B），說(shuō)明該紙基微流控芯片具有較好的重現(xiàn)性。

圖3 （A）10名志愿者操作紙基微流控芯片；（B）10個(gè)同一批次制備的紙基微流控芯片對(duì)10mmol/L Ca2?溶液的檢測(cè)結(jié)果。

顯示設(shè)備的優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)紙基微流控芯片測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)讀取，進(jìn)行了數(shù)字顯示部分的設(shè)計(jì)。如圖4A所示，把紙基微流控芯片放置在線性傳感器檢測(cè)平臺(tái)上，芯片前端浸入待測(cè)溶液，根據(jù)紙帶陰影中不同光強(qiáng)部分的長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液流過(guò)距離的檢測(cè)。首先，感光元件選擇ILX506線性傳感器，對(duì)最小系統(tǒng)PCB進(jìn)行焊接（圖4B）。其次，系統(tǒng)的主要控制單元選擇STM32F103CBT6為線性傳感器提供外部時(shí)鐘和中斷，以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及向上位機(jī)發(fā)送處理好的數(shù)據(jù)。為獲得控制單元所需的3.3V電壓，電源選用LM7805穩(wěn)壓芯片將9V電壓轉(zhuǎn)換為5V，然后使用LM1117IMPX-5.0將5V的電壓穩(wěn)壓到3.3V。對(duì)于顯示模塊部分，則采用分辨率高、體積小、功耗低的液晶12864模塊。

圖4 （A）線性傳感器檢測(cè)Ca2?濃度示意圖；（B）ILX506最小系統(tǒng)PCB與焊接完原器件的PCB。

綜上所述，該研究借助寫字機(jī)器人在纖維素層析紙上成功繪制出紙基微流控芯片的水凝膠閥門，并對(duì)其進(jìn)行切割和封裝。研究表明，寫字機(jī)器人繪制出的海藻酸鈉水凝膠閥門可實(shí)現(xiàn)不同濃度（0.1~50mmol/L）Ca2?溶液的定量檢測(cè)，同時(shí)也驗(yàn)證了該紙基微流控芯片具有很好的易用性和重現(xiàn)性。在此基礎(chǔ)上，研究人員采用ILX506CCD傳感器完成了數(shù)字顯示裝置的制作，實(shí)現(xiàn)了紙基微流控芯片“樣本進(jìn)，結(jié)果出”的檢測(cè)效果，該方法為紙基微流控芯片的普適化制備提供了新的研究思路。