本發(fā)明屬于紙基微流控，更具體地，涉及可編程紙芯片及其制備方法、微流控分析芯片。

背景技術(shù)：

1、目前，微流控技術(shù)已成為在生化分析中有極大應(yīng)用前景的替代方案，具有快速傳質(zhì)和傳熱、高通量檢測(cè)能力、降低樣品消耗、高自動(dòng)化和強(qiáng)大的集成能力等優(yōu)勢(shì)。目前，基于pdms的軟光刻技術(shù)微流控芯片是主流選擇，其具有加工精度高、光學(xué)透明度良好和生物相容性等特點(diǎn)。然而，其復(fù)雜的制造工藝、高昂的成本和對(duì)潔凈室的要求限制了它們?cè)诩磿r(shí)檢測(cè)(poct)中的應(yīng)用。

2、近十幾年來，紙基微流控設(shè)備提供了一種使用廉價(jià)便攜的設(shè)備實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢測(cè)(poct)的技術(shù)。紙張作為一種常見的材料，具有易獲取，成本低，易大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)。早在20世紀(jì)30年代到40年代，研究人員就開始探索使用紙張來構(gòu)建多孔分析板和用于化學(xué)分析的流體系統(tǒng)。第一個(gè)基于紙張的尿液中葡萄糖半定量檢測(cè)診斷裝置在20世紀(jì)50年代被證實(shí)，這項(xiàng)成果進(jìn)一步發(fā)展成為免疫紙測(cè)試裝置并商業(yè)化；基于紙張的連續(xù)流微流控(p-cmf)裝置于1949年由muller和clegg首次發(fā)明；2007年whitesides小組發(fā)表了研究報(bào)告，紙基微流控分析裝置(μpads)用于即時(shí)檢測(cè)(poct)的概念開始出現(xiàn)，紙基微流控設(shè)備逐漸成為眾多學(xué)者的研究焦點(diǎn)并開始快速發(fā)展，目前先進(jìn)的紙基微流控設(shè)備最本質(zhì)的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)將流體樣本運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)位置的編程，可編程的紙基微流控設(shè)備可以按照順序自動(dòng)傳輸流體來完成整個(gè)檢測(cè)流程，因此，它們可以用于廣泛的分析應(yīng)用，尤其是多步驟檢測(cè)流程。綜上所述，紙基微流控技術(shù)在居家、醫(yī)療、資源匱乏以及極端條件下檢測(cè)等多個(gè)方面都有很大的應(yīng)用潛力。

3、紙基微流控技術(shù)的主要研究方向是紙基微流控裝置的制備，其中包括兩個(gè)方面，一是構(gòu)建流體通道，目前大部分研究通過使用各種疏水材料已經(jīng)可以成熟地構(gòu)建紙基材料上的流體通道，其中，較為流行的疏水材料有光刻膠、蠟、聚二甲基硅氧烷等，通過噴墨印刷/蝕刻、等離子體/激光處理或者沖壓等方法便可在紙基材料上構(gòu)建通道。另一方面，如何實(shí)現(xiàn)紙基材料上的流體控制是提高紙基材料在分析裝置中的實(shí)用性的主要瓶頸，紙基微流控裝置中的閥門對(duì)于控制流體流動(dòng)和促進(jìn)多步驟分析過程至關(guān)重要。

4、紙基微流控裝置中的閥門可以分為主動(dòng)閥和被動(dòng)閥兩種，使用主動(dòng)閥，用戶可以通過折疊、滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)等實(shí)際操作來調(diào)節(jié)流體流量和操縱試劑釋放。被動(dòng)閥則包括可溶解物質(zhì)控制閥、吸收膨脹控制閥和電子控制閥等，無需用戶干預(yù)即可完成流體控制。然而，上述的流體控制方法可能受到多種限制，比如可溶解物質(zhì)控制閥往往會(huì)引入體系外物質(zhì)，吸收膨脹控制閥涉及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，電子控制閥需要外部的設(shè)備等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了可編程紙芯片及其制備方法、微流控分析芯片，其目的在于，使得紙基微流控裝置可以在不引入體系外物質(zhì)也不依賴外在大型設(shè)備下，準(zhǔn)確、快速、低成本地實(shí)現(xiàn)流體控制。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種可編程紙芯片，其為層壓結(jié)構(gòu)，且從下至上依次包括下膜層、紙層和上膜層；下膜層和上膜層與紙層之間均存在黏附力；

3、紙層包括：由紙基材料制成的紙片；紙片上設(shè)置有由油性墨水繪制而成的流道邊界，流道邊界內(nèi)的區(qū)域?yàn)榱黧w通道；流體通道被計(jì)時(shí)閥隔斷，計(jì)時(shí)閥為浸染了水性墨水的區(qū)域；

4、上膜層上設(shè)置有與計(jì)時(shí)閥一側(cè)的流體通道相連通的加樣孔；

5、其中，油性墨水和水性墨水均為疏水性墨水。

6、按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了上述可編程紙芯片的制備方法，包括：

7、步驟s1：利用油性墨水在紙基材料制成的紙片上表面繪制流道邊界；流道邊界內(nèi)的區(qū)域?yàn)榱黧w通道；

8、步驟s2：利用水性墨水浸染流體通道內(nèi)隔斷流體通道的預(yù)設(shè)區(qū)域，使水性墨水浸染區(qū)域形成的計(jì)時(shí)閥隔斷流體通道；繪制了流道邊界且設(shè)置了計(jì)時(shí)閥的紙片形成紙層；

9、步驟s3：在紙層的下表面和上表面分別覆蓋下膜層和上膜層后，對(duì)下膜層、紙層和上膜層進(jìn)行層壓處理，得到可編程紙芯片；下膜層和上膜層與紙層之間均存在黏附力，且上膜層設(shè)置有與計(jì)時(shí)閥一側(cè)的流體通道相連通的加樣孔；

10、其中，油性墨水和水性墨水均為疏水性墨水。

11、進(jìn)一步地，在步驟s1之前還包括：根據(jù)所期望的延時(shí)時(shí)間確定可編程紙芯片的制備參數(shù)，使流體經(jīng)加樣孔加入并浸染計(jì)時(shí)閥一側(cè)的流體通道后，經(jīng)過所期望的延時(shí)時(shí)間后突破計(jì)時(shí)閥進(jìn)入另一側(cè)的流體通道；制備參數(shù)包括：

12、紙基材料的纖維走向、水性墨水的疏水性強(qiáng)弱、計(jì)時(shí)閥的寬度、計(jì)時(shí)閥的數(shù)量、層壓溫度和層壓壓力。

13、進(jìn)一步地，步驟s2包括：

14、預(yù)切割出預(yù)設(shè)區(qū)域的邊界后，利用水性墨水浸染該區(qū)域，待該區(qū)域內(nèi)的紙基材料吸收水性墨水至飽和狀態(tài)后，形成計(jì)時(shí)閥。

15、按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種微流控分析芯片，包括：m個(gè)流體控制模塊；

16、每個(gè)流體控制模塊包括本發(fā)明提供的上述可編程紙芯片和反應(yīng)區(qū)；反應(yīng)區(qū)與可編程紙芯片中的流體通道相連，并且，反應(yīng)區(qū)與流體通道相連的一側(cè)和加樣孔與流體通道相連的一側(cè)位于計(jì)時(shí)閥的不同側(cè)；

17、其中，m為預(yù)設(shè)正整數(shù)，并且，m>1時(shí)，m個(gè)流體控制模塊的反應(yīng)區(qū)相連，m個(gè)流體控制模塊中可編程紙芯片的計(jì)時(shí)閥具有不同的延時(shí)時(shí)間，用于控制通過加樣孔加入不同流體控制模塊中的可編程紙芯片的試劑向反應(yīng)區(qū)釋放的順序。

18、在一些可選的實(shí)施例中，m>1，并且，每個(gè)流體控制模塊還包括：用于容納可編程紙芯片和反應(yīng)區(qū)的外殼；外殼中，反應(yīng)區(qū)所在部分的上、下表面中，一面凸起，一面凹陷，形成流體控制模塊間的連接部；連接部的中心設(shè)置有引流孔，引流孔中填充有紙基材料；

19、裝配前，各流體控制模塊相對(duì)獨(dú)立；裝配后，相鄰流體控制模塊通過連接部的嵌合實(shí)現(xiàn)安裝，且所有流體控制模塊的引流孔重合，使得各流體控制模塊中的反應(yīng)區(qū)通過引流孔中填充的紙基材料相連。

20、進(jìn)一步地，流體控制模塊中的連接部的上、下表面均為圓形。

21、按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種高通量微流控分析裝置，包括：吸水層和多個(gè)上述微流控分析芯片，各微流控分析芯片圍繞吸水層設(shè)置，且各微流控分析芯片的反應(yīng)區(qū)均與吸水層相連。

22、按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了另一種微流控分析芯片，包括多個(gè)檢測(cè)模塊；檢測(cè)模塊包括本發(fā)明提供的上述可編程紙芯片和反應(yīng)區(qū)；反應(yīng)區(qū)與可編程紙芯片中的流體通道相連，并且，反應(yīng)區(qū)與流體通道相連的一側(cè)和加樣孔與流體通道相連的一側(cè)位于計(jì)時(shí)閥的不同側(cè)；

23、各檢測(cè)模塊中，加樣孔及加樣孔所連接的一側(cè)流體通道形成檢測(cè)模塊的加樣區(qū)，且各檢測(cè)模塊的加樣區(qū)重合。

24、在一些可選的實(shí)施例中，本發(fā)明所提供的微流控分析芯片，用于農(nóng)藥殘留檢測(cè)，其包括兩個(gè)檢測(cè)模塊；兩個(gè)檢測(cè)模塊中的可編程紙基芯片的計(jì)時(shí)閥具有相同的延時(shí)時(shí)間，并且，其中一個(gè)檢測(cè)模塊的反應(yīng)區(qū)設(shè)置了基于dtnb反應(yīng)體系的農(nóng)藥殘留檢測(cè)試紙，另一個(gè)檢測(cè)模塊的反應(yīng)區(qū)設(shè)置了基于mno2反應(yīng)體系的農(nóng)藥殘留檢測(cè)試紙。

25、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，能夠取得以下有益效果：

26、(1)本發(fā)明提供的可編程紙芯片，利用油性墨水繪制流道邊界，并利用水性墨水繪制計(jì)時(shí)閥，由于油性墨水疏水性較強(qiáng)，在流體的浸潤下不易與上、下膜層分離，與上、下膜層間的結(jié)合力較強(qiáng)，可形成穩(wěn)定的流道邊界；由于水性墨水疏水性較弱，在流體的浸潤下經(jīng)過一定時(shí)間后易與上、下膜層分離，從而流體經(jīng)過相應(yīng)時(shí)間后通過分離形成的間隙繼續(xù)向前流動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，整個(gè)可編程紙芯片所需材料僅包括上、下膜層材料、紙張、墨水，制作簡(jiǎn)單、快速且成本低，同時(shí)，借助于水性墨水與上、下膜層之間的結(jié)合力準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，無需借助外部設(shè)備，也不會(huì)產(chǎn)生體系外物質(zhì)。

27、(2)本發(fā)明全面探究了影響計(jì)時(shí)閥的延時(shí)時(shí)間的相關(guān)因素，并將其作為關(guān)鍵參數(shù)，在制作可編程芯片之前即確定好這些關(guān)鍵參數(shù)，保證了計(jì)時(shí)閥延時(shí)時(shí)間的精確可控。

28、(3)本發(fā)明提供的可編程紙芯片的制備方法，在其優(yōu)選方案中，采用預(yù)切割和局部浸染的方式制作計(jì)時(shí)閥，即預(yù)切割出計(jì)時(shí)閥所在區(qū)域的邊界后，利用水性墨水浸染該區(qū)域，待該區(qū)域內(nèi)的紙基材料吸收水性墨水至飽和狀態(tài)后，形成計(jì)時(shí)閥，通過這種方式制作的計(jì)時(shí)閥，具有更加光滑的邊界，且計(jì)時(shí)閥的參數(shù)和功能穩(wěn)定性得到了顯著的提高，此外，該制作方法可在多層紙張上同步進(jìn)行而實(shí)現(xiàn)批量化處理，提高可編程紙芯片的制作效率。

29、(4)本發(fā)明提供的微流控分析芯片，依據(jù)具體的分析反應(yīng)，可包括一個(gè)或多個(gè)流體控制模塊，每一個(gè)流體控制模塊中均包括本發(fā)明提供的可編程的計(jì)時(shí)閥，可準(zhǔn)確控制流體進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的微流控分析。

30、(5)本發(fā)明提供的微流控分析芯片，在其優(yōu)選方案中，包括多個(gè)流體控制模塊時(shí)，為各流體控制模塊設(shè)計(jì)了外殼，外殼中反應(yīng)區(qū)所在部分設(shè)計(jì)有一面凸起、一面凹陷的連接部，從而多個(gè)流體控制模塊通過連接部進(jìn)行三維堆疊實(shí)現(xiàn)裝配，裝配后整個(gè)微流控分析芯片成折扇狀，模塊化的設(shè)計(jì)使得微流控分析芯片結(jié)構(gòu)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)，且易于制備和裝配。在其進(jìn)一步優(yōu)選的方案中，連接部的上、下表面均為圓形，使得裝配后，流體控制模塊可以旋轉(zhuǎn)部為軸旋轉(zhuǎn)，從而可依據(jù)流體控制模塊的數(shù)量調(diào)整相鄰流體控制模塊間的角度，提高空間利用率。

31、(6)本發(fā)明提供的高通量微流控分析裝置，利用吸水層將多個(gè)微流控個(gè)分析芯片聚合在一起，從而可同時(shí)進(jìn)行多種分析反應(yīng)，提高分析通量，同時(shí)，利用吸水層的吸水作用，可促進(jìn)各微流控分析芯片中流體的流動(dòng)，加速分析反應(yīng)。

32、(7)本發(fā)明提供的另一種微流控分析芯片中，包括多個(gè)檢測(cè)模塊，每個(gè)檢測(cè)模塊都包含本發(fā)明提供的可編程計(jì)時(shí)閥，且各檢測(cè)模塊的加樣區(qū)重合，基于這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可同時(shí)針對(duì)相同的樣本進(jìn)行不同的檢測(cè)反應(yīng)。