基于纸基微流控芯片的工作原理

纸基微流控芯片是一种纸质基底芯片，具有性能优良、价格低廉的优势，然而其制备技术多依赖专业昂贵的设备，限制了纸基微流控芯片的发展。

据麦姆斯咨询报道，为了解决这一问题，来自北京信息科技大学的研究人员采用成本低廉的家用写字机器人，制备了具有水凝胶阀门的纸基微流控芯片。以Ca²⁺为模型靶标，该纸基微流控芯片能实现不同浓度（0.1~50mmol/L）Ca²⁺溶液的裸眼定量检测，并具有很好的易用性和重现性。相关研究成果于近日发表在《分析测试学报》期刊上。

水凝胶阀门纸基微流控芯片的制作

制备过程示意图如图1A所示，首先将针筒固定在微流泵上以实现溶液的匀速流出，并将点胶针头固定在鲁尔公接头上，然后用四氟毛细管将鲁尔公接头同2mL的针筒连接在一起，将点胶针头固定在写字机器人的悬臂上（图1B）。接着，将层析纸放置在磁吸底板上用磁铁进行固定后，通过计算机软件控制写字机器人机械悬臂，将点胶针头和层析纸的距离控制在1mm左右，确保其结构的重现性和一致性。写字机器人的精度（表示位置准确和笔画仿真的精确程度）为0.05mm，该精度表明，在制备过程中悬臂的移动具有很好的稳定性以及绘制的水凝胶阀门具有较高的分辨率。同时其悬臂的移动距离足够长，能够达到30cm，因此可以在同一批水凝胶阀门制备完成后一次性产生多条纸基微流控芯片。同时，实验优化了溶液流速、移动速度、点胶针头尺寸等参数对条带质量的影响，表明批间差异性可得到控制。最后，研究人员采用了一种类似制作身份证的方式，对绘制完成的纸带进行裁剪（图1C）：使用轧辊复合机生产层压纸的方式进行纸基微流控芯片的封装。选取聚脂薄膜作为覆盖膜，且纸带尺寸需小于聚酯薄膜和底膜，使覆盖膜和底膜沾到一起达到密封保护的作用，制备完成后的成品如图1D所示。

图1 （A）写字机器人涂写示意图；（B）写字机器人悬臂实物图；（C）纸基微流控芯片制作工艺示意图；（D）纸基微流控芯片成品。

纸基微流控芯片的工作原理

使用纸基微流控芯片时，需将芯片的前后端剪开，以确保液体顺利通过纸基微流控芯片（图2A）。纸基微流控芯片的检测效果如图2B所示，当溶液中含Ca²⁺时，液体的流速变快，芯片通道中溶液流动的速度增快，这是由于海藻酸钠和Ca²⁺结合形成凝胶小球，降低了溶液黏度所致（图2C）。当溶液不含Ca²⁺时，溶液流速受到水凝胶阀门的阻挡而变慢。因此，在相同时间内，含有Ca²⁺溶液的实验组比对照组流速更快。

图2 （A）纸基微流控芯片示意图；（B）纸基微流控芯片工作原理宏观示意图；（C）纸基微流控芯片工作原理微观示意图。

易用性与重现性分析

为验证纸基微流控芯片的易用性和重现性，招募10名志愿者对10mmol/L Ca²⁺溶液进行10次独立检测，计算得到相对标准偏差（RSD）为3.8%（图3A），说明该纸基微流控芯片操作简单，使用起来较为方便。对同一批次的样品（10mmol/L Ca²⁺溶液）进行10次平行检测，其相对标准偏差为3.1%（图3B），说明该纸基微流控芯片具有较好的重现性。

图3 （A）10名志愿者操作纸基微流控芯片；（B）10个同一批次制备的纸基微流控芯片对10mmol/L Ca²⁺溶液的检测结果。

显示设备的优化

为实现纸基微流控芯片测量结果的自动读取，进行了数字显示部分的设计。如图4A所示，把纸基微流控芯片放置在线性传感器检测平台上，芯片前端浸入待测溶液，根据纸带阴影中不同光强部分的长度可实现对溶液流过距离的检测。首先，感光元件选择ILX506线性传感器，对最小系统PCB进行焊接（图4B）。其次，系统的主要控制单元选择STM32F103CBT6为线性传感器提供外部时钟和中断，以获取实时数据及向上位机发送处理好的数据。为获得控制单元所需的3.3V电压，电源选用LM7805稳压芯片将9V电压转换为5V，然后使用LM1117IMPX-5.0将5V的电压稳压到3.3V。对于显示模块部分，则采用分辨率高、体积小、功耗低的液晶12864模块。

图4 （A）线性传感器检测Ca²⁺浓度示意图；（B）ILX506最小系统PCB与焊接完原器件的PCB。

综上所述，该研究借助写字机器人在纤维素层析纸上成功绘制出纸基微流控芯片的水凝胶阀门，并对其进行切割和封装。研究表明，写字机器人绘制出的海藻酸钠水凝胶阀门可实现不同浓度（0.1~50mmol/L）Ca²⁺溶液的定量检测，同时也验证了该纸基微流控芯片具有很好的易用性和重现性。在此基础上，研究人员采用ILX506CCD传感器完成了数字显示装置的制作，实现了纸基微流控芯片“样本进，结果出”的检测效果，该方法为纸基微流控芯片的普适化制备提供了新的研究思路。

审核编辑：彭静