韩山师范学院学报Journal of Hanshan Normal University Vol.38No.3Jun.2017
第38卷第3期
蔡龙飞，吴玫谍，罗佳婷，林烁虹
夺刀器
（韩山师范学院化学与环境工程学院，广东潮州521041）
摘要：发展了一种基于喷墨打印技术加工纸芯片的方法．滤纸先经十八烷基三甲氧基硅烷处理后呈
疏水性，以表面活性剂Triton X-100溶液为打印液，用廉价喷墨打印机将其打印至疏水纸上．打印区呈亲水 性，非打印区维持其疏水性．该方法可用于纸芯片的大批量加工，具有成本低廉、制备快速等特点．
关键词：纸芯片；加工；表面活性剂
中图分类号：O 657文献标识码：A 文章编号：1007-6883（2017）03-0031-04
收稿日期：2016-12-13
基金项目：韩山师范学院博士启动基金项目（项目编号：QD20120521）．
作者简介：蔡龙飞（1976-），男，江西宜丰人，韩山师范学院化学与环境工程学院副教授，博士．纸芯片（又称纸基芯片，纸基微流控芯片）概念于2007年由Whitesides 研究组首次提出[1]．与传统的在玻璃、硅、PDMS 等材料上加工的微流控分析芯片相比，纸芯片具有加工简单、使用方便、价格低廉、后处理简单等优点，有望在临床诊断、环境监测、食品安全控制、化学教学等方面得到广泛应用．
纸芯片的加工方法已有较多报道，加工的关键是要在滤纸上制备部分亲水部分疏水的单元．为了加工部分亲水部分疏水单元，可以使用多种试剂或材料．何巧红课题组使用十八烷基三氯硅烷处理亲水滤纸结合紫外光刻的方法加工纸芯片，加工的亲水通道分辨率为（233±30）μm [2]．Whitesides 研究组使用PDMS 为打印墨水，使用喷墨打印机将其打印至亲水滤纸上，打印区呈疏水，非打印区为亲水[3]．林炳承课题组使用固体蜡为材料，通过喷蜡打印机将其打印至滤纸上加工出分辨率较高的纸芯片通道[4]．2014年，笔者所在的课题组提出了使用十八烷基三甲氧基硅烷作疏水材料在亲水滤纸上加工纸芯片的方法，十八烷基三甲氧基硅烷通过自制的滤纸模转移至亲水滤纸上，滤纸模覆盖区经加热处理后呈疏水性，非覆盖区维持亲水性[5]．后来本课题组又分别使用纸模和喷墨打印机将氢氧化钠刻蚀液沉积到疏水滤纸上，加工出纸基芯片[6-7]．2015年，我们首次提出以表面活性剂Triton X-100为处理试剂，用自制纸模将其转移至疏水滤纸上，成功制备出用于尿液中蛋白质分析的纸芯片[8]．但是由 于纸模加工采用剪刀或小刀手工加工而成，难以加工复杂的芯片构型，加工分辨率亦受限，加工效率低，一次仅能加工一种芯片构型的纸芯片．
我们发展了一种喷墨打印机将Triton X-100溶液打印至疏水滤纸上加工纸芯片的方法．亲水滤纸先用十八烷基三甲氧基硅烷处理成疏水滤纸，然后以Triton X-100溶液为打印液，使用喷墨打印机将其打印至疏水滤纸上．表面活性剂是双亲性试剂，疏水端可进入滤纸纤维的疏水层而亲水端背离疏水层，相当于在滤纸上修饰一层亲水层，可以允许水相溶液在打印区流动．因此打印区呈亲水性，而非打印区保留疏水性．
1实验部分
1.1试剂与仪器
十八烷基三甲氧基硅烷液体（trimethoxyoctadecylsilane ，TMOS ）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司；TMOS 的正庚烷溶液：0.3%（含5%的乙酸乙酯）；Triton X-100溶液：3.0%（含15%乙醇）．数显调温微电脑加热板（YH-946B 型）；数码照相机（佳能ixus95is ）；静水滴接触角测试仪（JC2000C1上海中晨数字技术设备有限公司）；喷墨打印机（佳能ip2780）．
尼龙袋1.2纸芯片加工
油页岩灰渣（1）制备疏水纸：将预先剪好的A5规格滤纸（210mm×148mm ）浸泡于0.3%TMOS 溶液，5min 后取出室内自然风干．将其置于100℃加热板上1h 后，于室内放置两天．疏水纸备用．
（2）墨盒改装：取出喷墨打印机的原装
墨盒，用美工刀将盖子撬出，取出海绵，仔
细刮净墨盒槽边缘，清洗墨盒至黑墨水不
再出现为止，期间注意不要触碰墨盒的出墨
口，以免造成堵塞．也可以直接使用此种型
号的二手墨盒．
（3）用corelDRAW 软件设计纸芯片通道
构型．表面活性剂打印液经0.45μm 滤膜过滤
后灌装于墨盒，将设计的通道构型打印至疏
水滤纸上．（4）加热：将打印好的纸芯片放在70℃
打印机共享器
加热板上，轻轻盖上玻璃片加热．10min 后取
出滤纸备用．图1为在加工好的纸芯片上喷水
后得到的芯片图案实物图．
编织管
2结果与讨论
2.1滤纸亲疏水转换
亲水滤纸经TMOS 处理后呈现疏水性
（图2A ），修饰机理已有相关文献报道[9-10]．在疏水纸上打印TritonX-100后，打印区恢复亲
水性（图2B ）．
2.2乙醇浓度的影响Triton X-100用一定浓度的乙醇溶液作溶剂配制而成．固定打印次数为2次，Triton X-100浓度为
3.0%，研究乙醇浓度在5-100%范围内对纸芯片图案和接触角的影响．实验结果表明，随着乙醇浓度的增加，水滴在打印区的接触角降低．当乙醇浓度为15%时，水滴接触角降为0°，表明打印区已呈现较强亲水性（图3A ）．乙醇浓度增加时接触角降低，可能是因为乙醇浓度增加使打印液的粘度下降，导致打印时有更多的Triton X-100沉积在疏水纸上，因而呈现更强的亲水性．但乙醇浓度大于15%时，易使纸芯片通道变形．可能是因为粘度的下降导致更多的表面活性剂沉积在通道中，水相流体流经通道时，将没有与疏水滤纸结合的表面活性剂溶解后流至未打印区使通道变形．如图3B-D 所示，当乙醇溶液浓度为20%时，喷水后的纸芯片通道呈现出明显的亲疏水界面，10min 后可观察到通道有变形，20min 后通道变形更趋严重．因此，本实验选用15%乙醇作为溶剂配制Triton X-100打印液.
图1
加工好的纸芯片喷水后显示亲水区域图案的实物图注：1．A 亲水滤纸经TMOS 处理后的接触角测定图片；2．B 疏水纸上打印Triton X-100后的接触角测定图图2亲水、疏水滤纸上的接触角测定
A
注：1．（A）乙醇浓度对打印区接触角的影响
2．（B-D）以20%的乙醇溶液配制打印液加工的纸芯片喷水后通道形状随时间变化图
3．B、C、D分别为喷水0、10、20min后的通道形状图
图3打印液中乙醇浓度对纸芯片加工的影响
2.3打印次数的影响
固定Triton X-100浓度为3%，乙醇浓度为15%，考查了打印次数对纸基芯片加工的影响．水滴
在经TMOS处理后的疏水纸上的接触角为123°，在该疏水纸上打印1次时，接触角降低至53°，打印
次数增加至2次时，接触角降为0°，表明此时已呈现较强亲水性．但是打印次数大于3次时，水相流
体易使通道构型变形．因为打印次数越多，在疏水纸上沉积的表面活性剂越多，导致在通道上有未与
疏水纤维结合的表面活性剂剩余．当水相流体流经通道时，水相流体溶解未与疏水纤维结合的表面活
性剂并流至未打印区，导致通道变形．因此，最佳打印次数为2次．
2.4打印分辨率
用corelDRAW软件设计10条通道，通道宽度范围为0.2~2.0mm．固定打印液中Triton X-100浓度
为3%，乙醇浓度为15%，打印次数为2次，设计宽度为1.0mm以上的通道可以成功加工出来，但是
设计宽度小于1.0mm的通道加工不成功，通道的部分
度0.2mm的通道能在疏水纸上成功加工．如图4所
示，将制备好的纸芯片浸入罗丹明B溶液后取出，晾
干，设计宽度为0.2mm的通道可以被罗丹明B水相溶
液浸透，呈现亲水性．
3结论
本文提出了一种喷墨打印表面活性剂加工纸芯片
的方法，以表面活性剂溶液为打印试剂，用廉价喷墨图4表面活性剂喷墨打印加工纸芯片通道分辨率
打印机将其打印至预先准备好的疏水滤纸上，沉积于滤纸上的双亲表面活性剂的疏水端与疏水纤维结合，而亲水端则背朝疏水纤维，从而在疏水滤纸上修饰了一层亲水层.该方法具有加工简单、快速、分辨率高等特点．在滤纸上沉积的表面活性剂一方面可以在疏水纸上修饰出亲水层，允许水相溶液在打印区流动、反应及检测．另一方面，由于表面活性剂广泛应用于分析化学中用于提高比分析和荧光分析的灵敏度，因此沉积于通道中的表面活性剂可以进一步用于提高纸芯片分析的灵敏度．
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中轴旋转门
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Inkjet Printing of Surfactant Solutions to Prototype Microchannels on
Microfluidic Paper-Based Analytical Devices
CAI Long-fei,WU Mei-die,LUO Jia-ting,LIN Shuo-hong （College of Chemistry and Environmental Engineering，Hanshan Normal University，Chaozhou，Guangdong,521041）Abstract：Surfactant solutions were used to prototype microfluidic paper-based analytical devices(μPADs)by a low-cost inkjet printing strategy.The native hydrophilic filter paper became hydrophobic by using trimethoxyoctadecylsilane-heptane solution to modify the cellulose.Triton X-100solution was printed onto the hydrophobic filter paper to generate the hydrophilic-hydrophobic contrast.The printed areas became hydrophilic while the unprinted areas maintained hydrophobic.This method could be used to fabricateμPADs with sim-plicity,low cost and high speed.
Key words：microfluidic paper-based analytical devices；fabrication；surfactant
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