陳港 張夢(mèng)麗 魏淵 蔣晨穎 李方

(華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

微流控芯片又稱為芯片實(shí)驗(yàn)室，是指在一塊僅幾平方厘米的芯片上實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等操作功能[1]。因其具有微型化、集成化以及便攜化等特性，所以在食品安全、疾病篩查和環(huán)境保護(hù)等方面展現(xiàn)出許多顯著優(yōu)勢(shì)[1- 2]。與傳統(tǒng)的硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等基體材料相比，紙張本身優(yōu)異的吸水性及內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)，使其成為微流控芯片制造領(lǐng)域極具吸引力和應(yīng)用前景的基體材料[3- 4]。紙基微流控通道的構(gòu)建一般是利用化學(xué)物質(zhì)在親水性紙張表面進(jìn)行疏水改性，從而劃分出親疏水區(qū)域[5]。常見的構(gòu)建方法包括光刻法[6]、刻蝕法[7- 8]、蠟印法[9- 10]、繪圖法[11]、等離子體處理法[12- 13]、柔性版印刷法[14]、絲網(wǎng)印刷法[15]、噴墨打印法[16]等。其中，噴墨打印法因具有高分辨率、低成本及高效批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而成為紙基芯片制造中最前沿的技術(shù)之一[3]。

針對(duì)上述問題，本研究首先從造紙工藝出發(fā)，優(yōu)化了紙基微流道的制備工藝過程，開發(fā)出一種先利用AKD表面施膠工藝對(duì)紙張表面進(jìn)行疏水化改性，再采用噴墨打印技術(shù)在紙基上選擇性構(gòu)建親水性微流控通道的簡單方法；然后，進(jìn)一步考察了表面施膠劑配比(m表面施膠淀粉/mAKD)、壓光處理等因素對(duì)流體在通道內(nèi)流動(dòng)效果的影響，并優(yōu)化了工藝條件；最后，通過表面施膠及噴墨打印技術(shù)構(gòu)建紙基微流控芯片，并成功將其應(yīng)用于亞硝酸鹽的檢測(cè)。

1 原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

AKD蠟乳液、聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂(PAE)，理文造紙有限公司提供；漂白桉木硫酸鹽漿(水分含量10.55% ，纖維長度748 μm ，纖維寬度15.8 μm)、木薯表面施膠淀粉，珠海紅塔仁恒紙業(yè)有限公司提供；二異辛基琥珀酸酯磺酸鈉鹽購于廣東某樹脂有限公司；甲基橙(純度>95%)購于上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司；無水乙醇(分析純)購于天津市富宇精細(xì)化工有限公司;α-萘胺、對(duì)氨基苯磺酸、冰醋酸、亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液(質(zhì)量濃度為165 μg/mL)均購于上海麥克林生化科技有限公司；去離子水，電導(dǎo)率<5 μS/cm，采用實(shí)驗(yàn)室BioSafer T系列超純水儀自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紙基微流控芯片的設(shè)計(jì)制造

紙基微流控芯片的設(shè)計(jì)、制造過程大致包括纖維素原紙的制備、纖維素原紙表面疏水化改性、疏水纖維紙表面親水性微流控通道構(gòu)建等幾個(gè)步驟，具體的工藝流程圖如圖1所示。

(1) 纖維素原紙的制備

將漂白桉木硫酸鹽漿板疏解后，稱取適量(以絕干量計(jì))漿料，根據(jù)ISO 5269-1:2005[21]標(biāo)準(zhǔn)在自動(dòng)紙頁成型器(RK3AKWT，奧地利PTI公司)上抄造預(yù)設(shè)定量為80 g/m2的纖維素原紙，如圖1(a)；同時(shí)，在抄造過程中添加0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的PAE濕強(qiáng)劑，以防止原紙?jiān)诒砻媸┠z過程中出現(xiàn)褶皺、破損等情況；然后，將原紙?jiān)跍囟?23±1)℃和相對(duì)濕度(50±2)%的環(huán)境下平衡水分24 h，備用。

圖1 紙基微流控芯片設(shè)計(jì)、制造工藝流程圖Fig.1 Flow chart of preparation of paper-based microfluidic chip

(2) 纖維素原紙表面疏水化改性

配制不同的表面施膠劑(m表面施膠淀粉/mAKD=8∶2，7∶3，6∶4;總固含量約為10.4%)，在實(shí)驗(yàn)室涂布機(jī)(ZAA2300，瑞士Zehntner公司)上對(duì)纖維素原紙進(jìn)行表面涂布處理，涂布速度為2 m/min(圖1(b))，隨后將樣品放入105 ℃的熱風(fēng)干燥箱(DHG 9030A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)中干燥5 min。最后，將紙張?jiān)谳佀贋?.5 m/min、壓強(qiáng)為2 MPa條件下進(jìn)行壓光處理[22](圖1(c))，制備得到疏水改性纖維素原紙，備用。

(3)疏水纖維紙表面親水性微流控通道構(gòu)建

首先，將自制墨水(二異辛基琥珀酸酯磺酸鈉乙醇溶液與品紅色染料型墨水混合液)裝入愛普生打印機(jī)(R330，精工愛普生株式會(huì)社)的墨盒中，然后在上述疏水纖維紙表面打印設(shè)計(jì)好的花形圖案(半徑長35 mm，通道寬2 mm)或點(diǎn)陣圖案(直徑4.5 mm的圓形)，從而構(gòu)建出親水性微流控通道，如圖1(d)所示。

1.2.2 液體在紙基微流控通道內(nèi)的擴(kuò)散性測(cè)試

為方便觀察，增強(qiáng)液體與紙樣表面微流道內(nèi)顏色的對(duì)比度，實(shí)驗(yàn)中將配制的甲基橙溶液作為待測(cè)液滴入紙基微流道中并記錄通道內(nèi)的液體擴(kuò)散行為。待通道內(nèi)液體吸收干燥后，使用佳能掃描儀(LIDE210，佳能中國有限公司)掃描讀取圖案區(qū)域。

1.2.3 表面水接觸角測(cè)定

實(shí)驗(yàn)中將表面施膠后的紙張裁剪為2.0 cm×1.5 cm大小的長方形紙樣，并粘貼于載玻片表面，設(shè)置表面接觸角測(cè)量儀(OCA40 Micro，德國Dataphysics公司)的滴液量和進(jìn)液速度分別為4 μL和4 μL/s，測(cè)試3個(gè)不同的區(qū)域并計(jì)算平均值。

1.2.4 亞硝酸鹽的檢測(cè)

先將2.5 μL Griess試劑分別滴加到紙基微流控芯片各檢測(cè)區(qū)域，干燥后，再將等量的質(zhì)量濃度為1.25、2.5、5.0、10.0、20.0、40.0 mg/L的亞硝酸鹽溶液添加至檢測(cè)區(qū)，反應(yīng)5 min后，立即用愛色麗分光光度計(jì)(手持式色差儀，X-Rite 530，美國X-Rite公司)進(jìn)行色差值測(cè)定。

1.2.5 色差值測(cè)量

首先，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)照明光源為D65模式，視場(chǎng)為10°。將手持式色差儀進(jìn)行白板校正后，測(cè)量樣品紙空白部分的L*a*b*值，并將其設(shè)置為相對(duì)顏色測(cè)量模式中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，再切換至樣品測(cè)量模式測(cè)量目標(biāo)顏色，讀取顏色色差值，即為相對(duì)背景色與目標(biāo)顏色的色差值。

1.2.6 色差的評(píng)價(jià)

據(jù)國際照明學(xué)會(huì)(CIE)推薦的色差與顏色差別感覺的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)樣品的色差進(jìn)行評(píng)價(jià)[23]。色差在數(shù)值上代表色樣之間在空間坐標(biāo)系中的距離，它可以帶給人不同的色彩感覺。然而，人的視覺感知能力具有一定的局限性，在小色差范圍內(nèi)感知能力會(huì)下降，無法區(qū)分出顏色差異，所以在色差的評(píng)價(jià)中，將色差值在0～0.5、0.5～1.5、1.5～3、3～6以及大于6的范圍分別定義為微小色差、小色差、較小色差、較大色差和大色差，同時(shí)在視覺感受上也分別對(duì)應(yīng)為極微、輕微、明顯、很明顯和強(qiáng)烈。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙基微流控通道的構(gòu)建

本研究中，采用自制的纖維素紙作為紙基微流控芯片的基體，通過集成表面施膠和噴墨打印技術(shù)，開發(fā)了一種簡單、高效的紙基微流控芯片制造方法。其中，表面施膠和噴墨打印技術(shù)在纖維素原紙表面的作用機(jī)理，如圖2所示。

圖2 表面施膠和噴墨打印技術(shù)在纖維素原紙表面的作用機(jī)理Fig.2 Mechanism of surface sizing and inkjet printing on the surface of cellulose base paper

表面施膠過程中，涂覆在纖維素原紙表面的AKD顆粒，在加熱條件下發(fā)生融化并在紙張纖維表面擴(kuò)展，AKD分子中的內(nèi)酯環(huán)受熱開環(huán)與纖維上的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成β-酮酯(圖2(a))，實(shí)現(xiàn)在紙張表面的接枝改性，同時(shí)AKD分子的憎水端暴露在外側(cè)，從而賦予紙張一定的疏水性[24]。但值得注意的是，AKD單獨(dú)作為表面施膠劑使用時(shí)，其在紙張表面的成膜性有限，容易造成紙張表面涂覆不均勻的情況。鑒于此，為更好地在紙張表面構(gòu)建均勻的疏水結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮AKD的作用，本研究同時(shí)使用了在紙張表面成膜性能更為優(yōu)異的表面施膠淀粉作為AKD的載體，兩者復(fù)配優(yōu)化發(fā)揮協(xié)同作用[25]，在紙張表面均勻地形成疏水涂層。紙張表面經(jīng)過疏水改性后，再通過噴墨打印技術(shù)，將含有表面活性劑(二異辛基琥珀酸酯磺酸鈉鹽)溶液的品紅色自制墨水(圖2(b))，按照設(shè)計(jì)圖案選擇性沉積在疏水紙表面，最終構(gòu)建出親水性微流控通道。其中，二異辛基琥珀酸酯磺酸鈉鹽作為一種快速滲透劑，其本身兼具親水性基團(tuán)和疏水性長鏈結(jié)構(gòu)，當(dāng)含有表面活性劑成分的墨水與紙張表面的β-酮酯接觸時(shí)，分子間的疏水基團(tuán)(烷基長鏈)“相似相溶”、相互結(jié)合。這時(shí)，親水性磺酸基團(tuán)重新暴露在外側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了打印通道區(qū)域從疏水向親水性的轉(zhuǎn)變，最終形成可視化紙基微流道，如圖2(c)所示。

2.2 表面施膠劑配比對(duì)流體在通道內(nèi)擴(kuò)散效果的影響

為了充分發(fā)揮AKD和淀粉表面施膠劑的協(xié)同作用，本研究對(duì)AKD與表面施膠淀粉的配比進(jìn)行了工藝優(yōu)化。將糊化的表面施膠淀粉與AKD均勻混合分別配制質(zhì)量比為8∶2、7∶3和6∶4的混合液(其總固含量約為10.4%)，使用涂布機(jī)在纖維素紙表面沉積一層薄液，測(cè)得涂布量分別為15.54、15.87、15.89 g/m2。經(jīng)不同的表面施膠劑處理后，紙張表面疏水性變化以及液體在親水性通道內(nèi)的擴(kuò)散效果，如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同配比的表面施膠劑對(duì)紙張表面進(jìn)行改性后，均表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性能(水接觸角均大于118°)，而隨著AKD絕干占比的提高，打印區(qū)域親水性略有降低，但其接觸角仍小于9.2°，并未影響到流體在通道內(nèi)的均勻擴(kuò)散(圖3(b))。當(dāng)表面施膠劑配比為m表面施膠淀粉/mAKD=7∶3時(shí)，液體在親水通道內(nèi)的擴(kuò)散效果最佳。疏水屏障將液體很好地限制在通道內(nèi)，且界限分明，測(cè)得通道的實(shí)際寬度為(2.04±0.04)mm(圖3(a)，3(c))。同時(shí)，在紙張背面也未有液體滲透的痕跡，從而也有效解決了液體在親水通道內(nèi)的z向擴(kuò)散問題(圖3(a))。從機(jī)理上對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行分析，是因?yàn)楫?dāng)AKD含量較高(表面施膠劑配比為m表面施膠淀粉/mAKD=6∶4)時(shí)，在纖維表面會(huì)有更多的長碳基團(tuán)暴露在外面，表面能更高，憎液(疏水)性能更加突出(接觸角相對(duì)變大)，纖維界面不易被潤濕，液體在通道內(nèi)的流動(dòng)受阻，沒有形成完整的擴(kuò)散效果；而當(dāng)AKD含量較低(表面施膠劑配比為m表面施膠淀粉/mAKD=8∶2)時(shí)，過高的表面施膠淀粉使用量賦予了涂布表面相對(duì)更好的親水性能(接觸角相對(duì)變小)，導(dǎo)致疏水屏障效果變差，更易發(fā)生表面潤濕，所以液體在通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)發(fā)生了一定程度的邊緣外滲，產(chǎn)生不規(guī)整的擴(kuò)散結(jié)果，影響測(cè)試準(zhǔn)確度。在優(yōu)化的表面施膠劑配比(m表面施膠淀粉/mAKD=7∶3)條件下，則很好地平衡了涂布紙張表面的疏水和親水性能，發(fā)揮了表面施膠淀粉和AKD的協(xié)同作用，可以在紙張表面均勻地構(gòu)建流體擴(kuò)散通道。

圖3 表面施膠劑配比對(duì)紙張表面潤濕性及通道內(nèi)液體擴(kuò)散性的影響Fig.3 Effect of surface sizing agent ratio on paper surface wettability and liquid diffusion in channels

2.3 壓光處理對(duì)流體在通道內(nèi)擴(kuò)散效果的影響

壓光是工業(yè)應(yīng)用中的一項(xiàng)成熟技術(shù)，對(duì)紙張進(jìn)行壓光處理，可提高紙張的緊度和平滑性，使紙張的印刷適應(yīng)性得到改善[26]，進(jìn)而提升紙張經(jīng)噴墨打印時(shí)的精度。為研究壓光處理對(duì)流體在通道內(nèi)擴(kuò)散效果的影響，文中選取經(jīng)表面施膠處理的紙張(表面施膠劑配比m表面施膠淀粉/mAKD=7∶3)，分別對(duì)其進(jìn)行不壓光和壓光處理，并對(duì)液體在相應(yīng)微流道內(nèi)的擴(kuò)散行為進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 壓光處理對(duì)微流道內(nèi)液體擴(kuò)散的影響Fig.4 Effect of calendering on liquid diffusion in the channel

由圖4可見，未經(jīng)壓光處理的紙張的微流控通道雖整體輪廓較清晰，但邊緣出現(xiàn)少量的液體外滲，在實(shí)際的生化檢測(cè)中容易導(dǎo)致交叉污染；而經(jīng)壓光處理后，紙張的微流控通道表現(xiàn)出良好的限液性能，并且紙張表面的打印精度也得到顯著提高。同時(shí)，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，未壓光紙張的緊度為0.48 g/cm3，而壓光處理后紙張的緊度提高至0.53 g/cm3，表面粗糙度則由7.40 μm降低至5.67 μm，紙張表面變得更加平滑。綜上可知，對(duì)紙張進(jìn)行壓光處理，不僅提高了紙張的緊度及平滑度，也進(jìn)一步提升了微流道的設(shè)計(jì)精度和對(duì)液體的限液能力。

2.4 紙基微流控芯片的圖案化設(shè)計(jì)

噴墨打印作為一種數(shù)字印刷技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)按需批量印刷[27]。本研究中，可以通過噴墨打印來設(shè)計(jì)構(gòu)造各種精細(xì)復(fù)雜圖案的紙基微流控芯片，如圖5所示。其中，Y形、花形、陣列型紙基微流控芯片多用于物質(zhì)的檢測(cè)研究中，例如：物質(zhì)的濃度檢測(cè)(如食品中亞硝酸鹽濃度的檢測(cè))、物質(zhì)的成分檢測(cè)(如尿液中葡萄糖和蛋白質(zhì)的檢測(cè))等。因此，紙基微流控芯片的實(shí)際應(yīng)用能夠?yàn)槭称?、醫(yī)療和環(huán)境領(lǐng)域提供簡單、高效的低成本檢測(cè)方式。

圖5 紙基微流控芯片的圖案化設(shè)計(jì)Fig.5 Different drawings built by inkjet printing

2.5 紙基微流控芯片在亞硝酸鹽檢測(cè)中的應(yīng)用

基于以上研究，文中利用表面施膠及噴墨打印技術(shù)成功構(gòu)建了紙基微流控芯片。為評(píng)估該紙基芯片的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，基于比色法，利用Griess試劑與亞硝酸鹽的特異性顏色反應(yīng)構(gòu)建紙基芯片并將其用于亞硝酸鹽的檢測(cè)。為探究不同濃度的亞硝酸鹽溶液在該紙基芯片上產(chǎn)生的顏色變化，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了直徑為4.5 mm的圓形點(diǎn)陣圖，檢測(cè)結(jié)果如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，不同濃度的亞硝酸鹽溶液與Griess試劑反應(yīng)后表現(xiàn)出不同程度的顏色變化，且隨著亞硝酸鹽濃度的增加，顏色逐漸加深。利用手持式色差儀測(cè)得相對(duì)空白區(qū)域的顏色色差，如圖6(b)所示。通過對(duì)亞硝酸鹽溶液濃度與顏色色差值之間的關(guān)系進(jìn)行非線性曲線擬合，得到曲線擬合方程為y=1.799+8.745x0.453(相關(guān)系數(shù)R2=0.993 5)，表明色差值與亞硝酸鹽溶液濃度之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。同時(shí)，所測(cè)樣品的色差值均大于6，根據(jù)CIE對(duì)色差的評(píng)價(jià)，該范圍被定義為大色差范圍，會(huì)給人強(qiáng)烈的視覺感受，有利于區(qū)分不同亞硝酸鹽濃度下產(chǎn)生的顏色變化。綜上可知，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的紙基微流控芯片可滿足實(shí)際檢測(cè)的要求。

圖6 紙基芯片用于亞硝酸鹽的檢測(cè)Fig.6 Paper-based chip for the detection of nitrite

3 結(jié)語

文中提出了一種集成表面施膠和噴墨打印技術(shù)的紙基微流控芯片構(gòu)建方案。紙張通過表面施膠工藝實(shí)現(xiàn)疏水化改性，在表面施膠劑配比(m表面施膠淀粉/mAKD)為7∶3、并通過表面壓光處理后構(gòu)建的微流道展現(xiàn)出優(yōu)異的限液性能，液體可以在親水通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整地定向擴(kuò)散，同時(shí)解決了液體的z向擴(kuò)散問題，也進(jìn)一步提升了微流道的設(shè)計(jì)精度。而且，采用該法構(gòu)建的紙基微流控芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)亞硝酸鹽溶液質(zhì)量濃度的檢測(cè)，亞硝酸鹽溶液質(zhì)量濃度與芯片表面顏色色差值之間的曲線擬合方程為y=1.799+8.745x0.453，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.993 5。

該方案操作流程簡單、原料價(jià)廉，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，對(duì)于臨床診斷、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要意義。