[发明专利]多层纸芯片结构、制造设备和方法以及流体层间流动方法

说明书

本发明公开了多层纸芯片结构，包括至少两层纸基材，纸基材层与层之间是树脂层与之形成的至少一个流体空间；所述流体空间包括进样区，进样区连接流体通道，流体通道连接至少一个检测区；纸基材的进样区在垂直于纸基材的同一条直线上。本发明还提出了多层纸芯片的制造设备、制造方法和控制流体层间流动的方法。本发明的有益效果是，该多层纸芯片的多层结构可以实现纸上复杂多步的生物分析；流体通道未填充纤维素，实现层间的隔离，外部施加电场或者气流作用才实现流体的层间流动，使检测过程具有可控性；该制造方法实现了过程自动化，实现了不同层纸间的自动粘合和对齐；该流体层间流动方法使用了电场或者气流来控制，使得控制过程程序化和自动化。

技术领域

本发明涉及纸芯片的结构、制造和使用方法领域，尤其是涉及多层纸芯片结构、制造设备和方法以及流体层间流动方法。

背景技术

纸芯片微流体设备是由美国哈佛大学Whitesides研究组于2007年首次提出，具体是以纸代替玻璃、硅、高聚物等传统的微流控基底，在纸的表面加工出流动路径，借助纸固有的毛细管力实现液体的运输和转移，具有轻便、成本低、易获得、生物兼容性好等优点。根据流动方向，纸芯片微流体可分为二维纸芯片和三维纸芯片，二维纸芯片的制备方法包括蜡印、喷墨打印、光刻、等离子刻蚀等等。相比与二维纸芯片，三维纸芯片在检测容量，设备的复杂性和功能性方面有显著的改善。Santhiago等提出用双面胶粘合折叠了的纸来制备三维的纸芯片电化学检测设备，虽然设备比较简单，但是制备过程中仍然需要准确的手动对齐。Whitesides等用双面胶粘贴多层印有不同图案的纸，在双面胶指定位置上打孔然后填上纤维素以允许溶液从上一层穿透到下一层；制作过程复杂且精准度要求高，并且填装的纤维素会对分子有吸附作用。后来，Crooks等提出折纸法，折纸法涉及到纸折叠的镜像问题，折叠精准度要求高，同时还需要辅助装置以使上下相邻两层紧密接触。Lewis等提出用蜡印技术结合喷胶制备多层纸芯片，此方法虽然高效，但对实验人员操作要求较高并且喷蜡打印机十分昂贵。目前还没有研究报道能一体化和自动化制备多层纸芯片微流体设备的方法。

纸芯片上液体流动的控制方法主要分为三类。最直接的方法是设置长度或者宽度不同的流动路径，流动时间随着路径长度或者宽度的增加而延长，这种方法对液体流动的调控能力有限，若想使延迟效果明显，其设备的体积也会相应增大。其次用化学试剂改变纸张表面的湿润性是控制液体流动的第二类方法，其包括糖、石蜡、表面活性剂、烷基烯酮二聚体、凝胶等；首先用常规的制备单层纸微流体设备的方法在纸上刻上亲水性通道，然后再用化学试剂对通道进行处理，液体在通道上的流动速度会随着化学试剂浓度的增加而减缓。该方法增加了纸芯片的制备步骤并且经过化学试剂处理的纸芯片可能会对某些化合物的检测有干扰。第三类方法是借助机械的方式来控制液体的流动，例如控制流路开关的电磁铁、加速液体流动的摩擦电效应、转移限量液体的可溶解桥、液体分流的吸水性海绵、连接流路的可移动阀等；上述方法主要是针对单层纸上液体流动的控制，其设备制备过程和液体操纵过程相对复杂。所以，目前在单层纸芯片能实现液体的通断控制，多层纸芯片对液体的通断仅有延时控制，但是多层纸芯片中的液体是无法进行通断控制的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了多层纸芯片结构，提供一种能简单、一体化和自动化制备多层纸芯片的方法；同时提出了该多层纸芯片的制造设备和制造方法，该设备结构简单，多层纸在打印的过程中自动粘合和对齐，避免了粘胶的使用，减少了人为误差。同时还提出了控制微流体在纸芯片层间流动的方法，该方法特别适用于纸上复杂多步的生物分析，比如酶联免疫吸附、信号扩大免疫反应、核酸检测等；利用Arduino软件将电场或者气流的控制程序编好，让上一层的液体按照设定的时间依次往下流，这样多步复杂反应就可以自动化的进行，减少了人为参与，可以提高多步反应的准确度和重复性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：多层纸芯片结构，包括至少两层纸基材，纸基材层与层之间是树脂层与之形成的至少一个流体空间；所述流体空间包括进样区，进样区连接流体通道，流体通道连接至少一个检测区；同一流体空间的进样区在垂直于纸基材的同一条直线上。