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

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決這一問題，來自北京信息科技大學的研究人員采用成本低廉的家用寫字機器人，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，該紙基微流控芯片能實現(xiàn)不同濃度（0.1~50mmol/L）Ca2?溶液的裸眼定量檢測，并具有很好的易用性和重現(xiàn)性。相關研究成果于近日發(fā)表在《分析測試學報》期刊上。

水凝膠閥門紙基微流控芯片的制作

制備過程示意圖如圖1A所示，首先將針筒固定在微流泵上以實現(xiàn)溶液的勻速流出，并將點膠針頭固定在魯爾公接頭上，然后用四氟毛細管將魯爾公接頭同2mL的針筒連接在一起，將點膠針頭固定在寫字機器人的懸臂上（圖1B）。接著，將層析紙放置在磁吸底板上用磁鐵進行固定后，通過計算機軟件控制寫字機器人機械懸臂，將點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。寫字機器人的精度（表示位置準確和筆畫仿真的精確程度）為0.05mm，該精度表明，在制備過程中懸臂的移動具有很好的穩(wěn)定性以及繪制的水凝膠閥門具有較高的分辨率。同時其懸臂的移動距離足夠長，能夠達到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，實驗優(yōu)化了溶液流速、移動速度、點膠針頭尺寸等參數(shù)對條帶質(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，對繪制完成的紙帶進行裁剪（圖1C）：使用軋輥復合機生產(chǎn)層壓紙的方式進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到密封保護的作用，制備完成后的成品如圖1D所示。

圖1 （A）寫字機器人涂寫示意圖；（B）寫字機器人懸臂實物圖；（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，需將芯片的前后端剪開，以確保液體順利通過紙基微流控芯片（圖2A）。紙基微流控芯片的檢測效果如圖2B所示，當溶液中含Ca2?時，液體的流速變快，芯片通道中溶液流動的速度增快，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）。當溶液不含Ca2?時，溶液流速受到水凝膠閥門的阻擋而變慢。因此，在相同時間內(nèi)，含有Ca2?溶液的實驗組比對照組流速更快。

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10mmol/L Ca2?溶液進行10次獨立檢測，計算得到相對標準偏差（RSD）為3.8%（圖3A），說明該紙基微流控芯片操作簡單，使用起來較為方便。對同一批次的樣品（10mmol/L Ca2?溶液）進行10次平行檢測，其相對標準偏差為3.1%（圖3B），說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個同一批次制備的紙基微流控芯片對10mmol/L Ca2?溶液的檢測結(jié)果。

顯示設備的優(yōu)化

為實現(xiàn)紙基微流控芯片測量結(jié)果的自動讀取，進行了數(shù)字顯示部分的設計。如圖4A所示，把紙基微流控芯片放置在線性傳感器檢測平臺上，芯片前端浸入待測溶液，根據(jù)紙帶陰影中不同光強部分的長度可實現(xiàn)對溶液流過距離的檢測。首先，感光元件選擇ILX506線性傳感器，對最小系統(tǒng)PCB進行焊接（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鐘和中斷，以獲取實時數(shù)據(jù)及向上位機發(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，并對其進行切割和封裝。研究表明，寫字機器人繪制出的海藻酸鈉水凝膠閥門可實現(xiàn)不同濃度（0.1~50mmol/L）Ca2?溶液的定量檢測，同時也驗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，實現(xiàn)了紙基微流控芯片“樣本進，結(jié)果出”的檢測效果，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。