2024年4月24日发(作者：家清绮)
湿法刻蚀对疏水纸接触角的影响
罗佳婷;吴玫谍;林烁虹;杨帆
【摘 要】本文研究采用十八烷基三甲氧基硅烷的正庚烷溶液做疏水剂制备疏水滤
纸,其原理是通过十八烷基三甲氧基硅烷与滤纸纤维表面羟基进行缩合反应降低其
表面自由能,使滤纸由亲水性变为疏水性.进而用氢氧化钠作刻蚀剂使被腐蚀部分恢
复亲水性.我们研究了不同刻蚀条件对疏水纸接触角的影响.该方法在纸芯片加工上
有广泛的应用前景.在亲水纸质花瓣模型的辅助作用下,通过滴加氢氧化钠于亲水纸
质花瓣上进行选择性区域腐蚀降解,亲水纸质花瓣覆盖区域重新恢复滤纸的亲水性,
而无亲水纸质花瓣覆盖的区域依然保持强的疏水性,因而在滤纸上得到与亲水纸质
花瓣一致的亲水图案.
【期刊名称】《江西化工》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】3页(P31-33)
【关键词】十八烷基三甲氧基硅烷;纸芯片
【作 者】罗佳婷;吴玫谍;林烁虹;杨帆
【作者单位】韩山师范学院化学与环境工程学院,广东潮州521041;韩山师范学院
化学与环境工程学院,广东潮州521041;韩山师范学院化学与环境工程学院,广东潮
州521041;韩山师范学院化学与环境工程学院,广东潮州521041
【正文语种】中 文
纸芯片分析技术[1，2]是最近几年新发展起来的一种微型分析技术。该技术在亲水
性纸质材料上(主要是滤纸)加工出疏水墙(hydrophobic barrier)，在毛细作用力下，
水溶液在亲水通道中流动、混合及反应。所选择的反应体系一般为显色反应，因此
通过目视比色法可进行半定量分析或拍照后提取检测区的灰度值进行定量分析。与
在传统的玻璃、硅、聚合物等材质上加工的微流控芯片分析技术相比，纸芯片分析
技术具有芯片加工简单、快速、使用方便、价格低廉、无需流体驱动装置(如注射
泵等)等明显优点。在临床检验[3，4]、食品分析与环境检测[5]方面具有广泛应用
前景。
纸芯片的加工方法主要分为三类。第一类是通过光刻、激光刻蚀[6]和喷蜡打印方
式在滤纸上加工出能限制水溶液流动区域的疏水坝。但是此类方法需要使用价格高
昂的光刻机、二氧化碳激光机或喷蜡打印机等，由于代价较高且需要训练有素的专
业人员对仪器进行操作与维护，在实际应用中受到较大限制。第二类方法是通过镂
空金属模将疏水材料(如蜡)以物理沉积的方式在亲水滤纸上形成疏水墙，没有沉积
疏水材料的区域维持亲水性能。第三类方法是采用喷墨打印技术将聚二甲基硅氧烷
(polydimethylsiloxane，PDMS)与烷基烯酮二聚物(alkyl ketene dimer，AKD)
等疏水性材料打印在亲水性滤纸上，打印了疏水材料的区域由亲水性转变为疏水性，
没有打印到的区域维持其亲水性能。喷墨打印技术可以进行纸芯片的大规模加工，
在商品化纸芯片的制备上具有无可比拟的优点。但是喷墨打印液一般使用具有强溶
解能力的有机溶剂配制而成，如甲苯、正庚烷等，对打印机和墨盒具有较强的破坏
能力，大大降低打印机和墨盒的使用寿命。
本文利用氢氧化钠对疏水滤纸的腐蚀性，在疏水滤纸上用浸有氢氧化钠的滤纸模选
择性地将覆盖部分修饰成亲水性质，其他部分保持疏水性，制备出纸芯片。研究了
不同刻蚀条件对疏水纸接触角的影响。
2.1 实验试剂及仪器材料
2.1.1 试剂
十八烷基三甲氧基硅烷液体(trimethoxyoctadecylsilane)(购自阿拉丁试剂有限公
司)；乙酸乙酯(分析纯)；正庚烷(分析纯)；蒸馏水；浓盐酸(分析纯)；无水乙酸钠
(AR)；丙三醇(AR)；曲拉通X-100(AR)；C6H12O6·H2O(AR)。
2.1.2 仪器材料
滤纸(杭州新华纸业有限公司)；YH-946B数显调温微电脑加热板(嘉慧电子工具公
司)；FA2004N型电子天平；0.5-10μL、10-100μL、100-1000μL移液枪(上海康
敏检验设备有限公司)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)
2.2 纸芯片的加工
疏水纸的制备：预先将滤纸裁剪成5×5规格放入2.0%的十八烷基三甲氧基硅烷的
正庚烷溶液内(含5%的乙酸乙酯)内，待滤纸完全湿透后马上取出，平铺放置在干
净的表面皿上，室内自然风干，5min后将其放到微电脑电热板上100℃加热2h，
并置于室内放置24h。
纸模的加工：用Coreldraw软件设计芯片图案，将其打印在A4纸大小的滤纸上，
用剪刀将图案剪下用作纸模。
纸芯片的加工：纸模浸入0.1mol/L的氢氧化钠溶液(含30%甘油)中约10S使其被
氢氧化钠浸透，然后将纸模置于疏水纸上，用玻璃片压紧后置于60℃加热板上加
热5分钟后使疏水纸被氢氧化钠溶液刻蚀浸透，因此被覆盖纸模部分被选择性地
修饰成亲水性质，而未被覆盖区域仍保持疏水性。将处理后的疏水纸分别用
0.01mol/L的HCl和蒸馏水清洗后，烘干备用。
3.1 疏水滤纸形成机理
滤纸的疏水状态与表面形貌和表面自由能有很大的关系，滤纸是纤维素交织在一起
组成的一种膜，这种膜已经具有了微米级的孔状结构，只需要在其表面修饰上纳米
级的微粒，并降低其表面自由能即可达到超疏水状态。纸张表面是纤维素，含有丰
富的—OH，与本文研究的疏水剂十八烷基三甲氧基硅烷发生脱水缩合，可以与纤
维等材料表面的羟基更强地结合，并且具有很好的生理化学惰性、无毒害、不污染
生态环境，使其具有有机硅材料的特性。根据相关文献介绍，有机硅氧烷反应脱水
缩合，其反应可写成如下过程：
(1)水解反应(快)：
R—Si(OCH3)2OH+HOCH3
(彻底水解将得到 R—Si(OH)3，R 代表十八烷基)；
(2)缩聚反应(慢)：
R—Si(OH)2—O—R′+H2O
(其中包含与材料表面的缩合和自身的缩合两种反应以及两种反
应的相互交合，R′代表材料表面或者水解后的疏水剂的烷基部分)。
由以上的两个反应可知，由于在水解反应同时存在着缩聚反应，而缩聚反应速率小
于水解反应，故乙酸乙酯的存在可以促提高缩聚反应速率。经缩聚反应，在滤纸表
面修饰上了一层十八烷基甲氧基硅烷(R-Si-O-材料表面)，减低了表面自由能，从
而达到了疏水结构的要求。
3.2 十八烷基三甲氧基硅烷浓度对疏水纸亲疏水性的影响
研究了用不同浓度十八烷基三甲氧基硅烷(0.1%-4.0%)处理亲水滤纸对制备的疏水
纸亲疏水性的影响。实验结果表明，当疏水剂浓度为0.1%时，处理的滤纸仍然具
有强亲水性，将水滴加到处理后的纸上时，水迅速渗透进入纸张。当疏水剂浓度增
加至0.25%时，处理后的滤纸具有较强的疏水性，接触角为110.5°。十八烷基三
甲氧基硅烷浓度在0.25%-4.0%范围内，疏水纸接触角随浓度的增加而增大，表明
疏水剂的浓度越高，所得到的疏水纸的疏水性越强。但是疏水性越强，用刻蚀剂使
疏水纸恢复亲水功能所花费的时间则显著增加。例如采用0.1mol/L的氢氧化钠作
刻蚀剂，需耗时30分钟以上才能使经4.0%疏水剂处理的疏水纸恢复亲水性，而
0.25%疏水剂处理的疏水纸仅需1分钟。综合考虑疏水墙的疏水性与加工速度，本
文选择2.0% 的十八烷基三甲氧基硅烷作疏水剂将亲水性的滤纸修饰成疏水纸。
3.3 刻蚀温度对接触角的影响
如图4-7所示，在30-60℃，接触角随刻蚀温度的升高而降低，在刻蚀温度为60℃
时，纸张的接触角降为0。继续升高温度，接触角仍然为0。因此本实验选择60℃
为刻蚀温度加工纸芯片。
3.4 氢氧化钠浓度对接触角的影响
将测量好接触角的疏水纸(2.5cm×2.5cm)在温度为60℃，控制加热时间为5min
的条件下进行腐蚀，用亲水的滤纸片(1.5cm×1.5cm)分别浸透浓度为0.02、0.04、
0.06、0.10、0.20 mol/L的氢氧化钠溶液后覆盖在疏水纸上。腐蚀后用分别用
0.01mol/L的HCl和蒸馏水清洗，烘干后测量接触角。实验结果表明，氢氧化钠
浓度为0.02-0.10mol/L时，接触角随刻蚀剂浓度的增加而降低至0。因此本实验
选择0.10mol/L的氢氧化钠溶液作刻蚀剂。
3.5 刻蚀时间对接触角的影响
控制刻蚀温度为60℃，氢氧化钠浓度为0.1mol/L，考查刻蚀时间对纸张亲疏水性
能的影响(图8)。将测量好接触角的疏水纸(2.5cm×2.5cm)在温度为60℃和
0.10mol/L的氢氧化钠下进行腐蚀，同样地用亲水的滤纸(1.5cm×1.5cm)浸透氢
氧化钠溶液后覆盖在疏水纸上。加热时间定为0.5min、1.0min、2.0min、3min、
4min、5min、6min、7min；腐蚀后再对腐蚀区域进行接触角的测量，当疏水纸
在纸面完全铺展(接触角=0)即为最佳腐蚀时间。本实验选择5分钟为刻蚀时间。
本文研究了氢氧化钠溶液作为刻蚀剂对疏水纸接触角的影响，从而为加工纸基芯片
提供了一种较简单的方法。刻蚀试剂亦可通过喷墨打印的方式打印到疏水纸上，适
合于纸芯片的大规模加工和制备。该方法制备的纸芯片在临床诊断、食品安全与控
制及环境监测等领域有广泛的应用前景。
【相关文献】
[1]田恬，黄艺顺，林冰倩，魏晓峰.纸芯片微流控技术的发展及应用[J]分析测试学报，2015年03
月，第34卷第3期，247-267.
[2]蒋艳，马翠翠，胡贤巧，何巧红等，微流控纸芯片的加工技术及其应用[J]化学进展，2014，
26(1)：167-177.
[3]王方方，陈锦，何治柯等纸芯片制作及其在化学发光法检测葡萄糖和尿酸中的应用[J]分析科学
学报，2011年4月.第27卷第2期：137-141.
[4]严春芳，余思扬，蒋艳，何巧红，陈恒武.基于等离子体技术制作微流控纸芯片及其在血糖检测
中的应用研究[J]化学学报，2014，72，1099-1104.
[5]杨俊，齐莉，马会民，陈义，基于尼龙微孔薄膜的微流控芯片的制作及对葡萄糖的显色响应[J]
高 等 学 校 化 学 学 报，No.11，2012年11月：2405-2410.
[6]肖良品，刘显明，刘启顺，钟润涛，等.用于亚硝酸盐快速检测的三维纸质微流控芯片的制作[D]
学术论文，2013，Vol.34，No.22，341-345.
2024年4月24日发(作者：家清绮)
湿法刻蚀对疏水纸接触角的影响
罗佳婷;吴玫谍;林烁虹;杨帆
【摘 要】本文研究采用十八烷基三甲氧基硅烷的正庚烷溶液做疏水剂制备疏水滤
纸,其原理是通过十八烷基三甲氧基硅烷与滤纸纤维表面羟基进行缩合反应降低其
表面自由能,使滤纸由亲水性变为疏水性.进而用氢氧化钠作刻蚀剂使被腐蚀部分恢
复亲水性.我们研究了不同刻蚀条件对疏水纸接触角的影响.该方法在纸芯片加工上
有广泛的应用前景.在亲水纸质花瓣模型的辅助作用下,通过滴加氢氧化钠于亲水纸
质花瓣上进行选择性区域腐蚀降解,亲水纸质花瓣覆盖区域重新恢复滤纸的亲水性,
而无亲水纸质花瓣覆盖的区域依然保持强的疏水性,因而在滤纸上得到与亲水纸质
花瓣一致的亲水图案.
【期刊名称】《江西化工》
【年(卷),期】2016(000)001
【总页数】3页(P31-33)
【关键词】十八烷基三甲氧基硅烷;纸芯片
【作 者】罗佳婷;吴玫谍;林烁虹;杨帆
【作者单位】韩山师范学院化学与环境工程学院,广东潮州521041;韩山师范学院
化学与环境工程学院,广东潮州521041;韩山师范学院化学与环境工程学院,广东潮
州521041;韩山师范学院化学与环境工程学院,广东潮州521041
【正文语种】中 文
纸芯片分析技术[1，2]是最近几年新发展起来的一种微型分析技术。该技术在亲水
性纸质材料上(主要是滤纸)加工出疏水墙(hydrophobic barrier)，在毛细作用力下，
水溶液在亲水通道中流动、混合及反应。所选择的反应体系一般为显色反应，因此
通过目视比色法可进行半定量分析或拍照后提取检测区的灰度值进行定量分析。与
在传统的玻璃、硅、聚合物等材质上加工的微流控芯片分析技术相比，纸芯片分析
技术具有芯片加工简单、快速、使用方便、价格低廉、无需流体驱动装置(如注射
泵等)等明显优点。在临床检验[3，4]、食品分析与环境检测[5]方面具有广泛应用
前景。
纸芯片的加工方法主要分为三类。第一类是通过光刻、激光刻蚀[6]和喷蜡打印方
式在滤纸上加工出能限制水溶液流动区域的疏水坝。但是此类方法需要使用价格高
昂的光刻机、二氧化碳激光机或喷蜡打印机等，由于代价较高且需要训练有素的专
业人员对仪器进行操作与维护，在实际应用中受到较大限制。第二类方法是通过镂
空金属模将疏水材料(如蜡)以物理沉积的方式在亲水滤纸上形成疏水墙，没有沉积
疏水材料的区域维持亲水性能。第三类方法是采用喷墨打印技术将聚二甲基硅氧烷
(polydimethylsiloxane，PDMS)与烷基烯酮二聚物(alkyl ketene dimer，AKD)
等疏水性材料打印在亲水性滤纸上，打印了疏水材料的区域由亲水性转变为疏水性，
没有打印到的区域维持其亲水性能。喷墨打印技术可以进行纸芯片的大规模加工，
在商品化纸芯片的制备上具有无可比拟的优点。但是喷墨打印液一般使用具有强溶
解能力的有机溶剂配制而成，如甲苯、正庚烷等，对打印机和墨盒具有较强的破坏
能力，大大降低打印机和墨盒的使用寿命。
本文利用氢氧化钠对疏水滤纸的腐蚀性，在疏水滤纸上用浸有氢氧化钠的滤纸模选
择性地将覆盖部分修饰成亲水性质，其他部分保持疏水性，制备出纸芯片。研究了
不同刻蚀条件对疏水纸接触角的影响。
2.1 实验试剂及仪器材料
2.1.1 试剂
十八烷基三甲氧基硅烷液体(trimethoxyoctadecylsilane)(购自阿拉丁试剂有限公
司)；乙酸乙酯(分析纯)；正庚烷(分析纯)；蒸馏水；浓盐酸(分析纯)；无水乙酸钠
(AR)；丙三醇(AR)；曲拉通X-100(AR)；C6H12O6·H2O(AR)。
2.1.2 仪器材料
滤纸(杭州新华纸业有限公司)；YH-946B数显调温微电脑加热板(嘉慧电子工具公
司)；FA2004N型电子天平；0.5-10μL、10-100μL、100-1000μL移液枪(上海康
敏检验设备有限公司)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)
2.2 纸芯片的加工
疏水纸的制备：预先将滤纸裁剪成5×5规格放入2.0%的十八烷基三甲氧基硅烷的
正庚烷溶液内(含5%的乙酸乙酯)内，待滤纸完全湿透后马上取出，平铺放置在干
净的表面皿上，室内自然风干，5min后将其放到微电脑电热板上100℃加热2h，
并置于室内放置24h。
纸模的加工：用Coreldraw软件设计芯片图案，将其打印在A4纸大小的滤纸上，
用剪刀将图案剪下用作纸模。
纸芯片的加工：纸模浸入0.1mol/L的氢氧化钠溶液(含30%甘油)中约10S使其被
氢氧化钠浸透，然后将纸模置于疏水纸上，用玻璃片压紧后置于60℃加热板上加
热5分钟后使疏水纸被氢氧化钠溶液刻蚀浸透，因此被覆盖纸模部分被选择性地
修饰成亲水性质，而未被覆盖区域仍保持疏水性。将处理后的疏水纸分别用
0.01mol/L的HCl和蒸馏水清洗后，烘干备用。
3.1 疏水滤纸形成机理
滤纸的疏水状态与表面形貌和表面自由能有很大的关系，滤纸是纤维素交织在一起
组成的一种膜，这种膜已经具有了微米级的孔状结构，只需要在其表面修饰上纳米
级的微粒，并降低其表面自由能即可达到超疏水状态。纸张表面是纤维素，含有丰
富的—OH，与本文研究的疏水剂十八烷基三甲氧基硅烷发生脱水缩合，可以与纤
维等材料表面的羟基更强地结合，并且具有很好的生理化学惰性、无毒害、不污染
生态环境，使其具有有机硅材料的特性。根据相关文献介绍，有机硅氧烷反应脱水
缩合，其反应可写成如下过程：
(1)水解反应(快)：
R—Si(OCH3)2OH+HOCH3
(彻底水解将得到 R—Si(OH)3，R 代表十八烷基)；
(2)缩聚反应(慢)：
R—Si(OH)2—O—R′+H2O
(其中包含与材料表面的缩合和自身的缩合两种反应以及两种反
应的相互交合，R′代表材料表面或者水解后的疏水剂的烷基部分)。
由以上的两个反应可知，由于在水解反应同时存在着缩聚反应，而缩聚反应速率小
于水解反应，故乙酸乙酯的存在可以促提高缩聚反应速率。经缩聚反应，在滤纸表
面修饰上了一层十八烷基甲氧基硅烷(R-Si-O-材料表面)，减低了表面自由能，从
而达到了疏水结构的要求。
3.2 十八烷基三甲氧基硅烷浓度对疏水纸亲疏水性的影响
研究了用不同浓度十八烷基三甲氧基硅烷(0.1%-4.0%)处理亲水滤纸对制备的疏水
纸亲疏水性的影响。实验结果表明，当疏水剂浓度为0.1%时，处理的滤纸仍然具
有强亲水性，将水滴加到处理后的纸上时，水迅速渗透进入纸张。当疏水剂浓度增
加至0.25%时，处理后的滤纸具有较强的疏水性，接触角为110.5°。十八烷基三
甲氧基硅烷浓度在0.25%-4.0%范围内，疏水纸接触角随浓度的增加而增大，表明
疏水剂的浓度越高，所得到的疏水纸的疏水性越强。但是疏水性越强，用刻蚀剂使
疏水纸恢复亲水功能所花费的时间则显著增加。例如采用0.1mol/L的氢氧化钠作
刻蚀剂，需耗时30分钟以上才能使经4.0%疏水剂处理的疏水纸恢复亲水性，而
0.25%疏水剂处理的疏水纸仅需1分钟。综合考虑疏水墙的疏水性与加工速度，本
文选择2.0% 的十八烷基三甲氧基硅烷作疏水剂将亲水性的滤纸修饰成疏水纸。
3.3 刻蚀温度对接触角的影响
如图4-7所示，在30-60℃，接触角随刻蚀温度的升高而降低，在刻蚀温度为60℃
时，纸张的接触角降为0。继续升高温度，接触角仍然为0。因此本实验选择60℃
为刻蚀温度加工纸芯片。
3.4 氢氧化钠浓度对接触角的影响
将测量好接触角的疏水纸(2.5cm×2.5cm)在温度为60℃，控制加热时间为5min
的条件下进行腐蚀，用亲水的滤纸片(1.5cm×1.5cm)分别浸透浓度为0.02、0.04、
0.06、0.10、0.20 mol/L的氢氧化钠溶液后覆盖在疏水纸上。腐蚀后用分别用
0.01mol/L的HCl和蒸馏水清洗，烘干后测量接触角。实验结果表明，氢氧化钠
浓度为0.02-0.10mol/L时，接触角随刻蚀剂浓度的增加而降低至0。因此本实验
选择0.10mol/L的氢氧化钠溶液作刻蚀剂。
3.5 刻蚀时间对接触角的影响
控制刻蚀温度为60℃，氢氧化钠浓度为0.1mol/L，考查刻蚀时间对纸张亲疏水性
能的影响(图8)。将测量好接触角的疏水纸(2.5cm×2.5cm)在温度为60℃和
0.10mol/L的氢氧化钠下进行腐蚀，同样地用亲水的滤纸(1.5cm×1.5cm)浸透氢
氧化钠溶液后覆盖在疏水纸上。加热时间定为0.5min、1.0min、2.0min、3min、
4min、5min、6min、7min；腐蚀后再对腐蚀区域进行接触角的测量，当疏水纸
在纸面完全铺展(接触角=0)即为最佳腐蚀时间。本实验选择5分钟为刻蚀时间。
本文研究了氢氧化钠溶液作为刻蚀剂对疏水纸接触角的影响，从而为加工纸基芯片
提供了一种较简单的方法。刻蚀试剂亦可通过喷墨打印的方式打印到疏水纸上，适
合于纸芯片的大规模加工和制备。该方法制备的纸芯片在临床诊断、食品安全与控
制及环境监测等领域有广泛的应用前景。
【相关文献】
[1]田恬，黄艺顺，林冰倩，魏晓峰.纸芯片微流控技术的发展及应用[J]分析测试学报，2015年03
月，第34卷第3期，247-267.
[2]蒋艳，马翠翠，胡贤巧，何巧红等，微流控纸芯片的加工技术及其应用[J]化学进展，2014，
26(1)：167-177.
[3]王方方，陈锦，何治柯等纸芯片制作及其在化学发光法检测葡萄糖和尿酸中的应用[J]分析科学
学报，2011年4月.第27卷第2期：137-141.
[4]严春芳，余思扬，蒋艳，何巧红，陈恒武.基于等离子体技术制作微流控纸芯片及其在血糖检测
中的应用研究[J]化学学报，2014，72，1099-1104.
[5]杨俊，齐莉，马会民，陈义，基于尼龙微孔薄膜的微流控芯片的制作及对葡萄糖的显色响应[J]
高 等 学 校 化 学 学 报，No.11，2012年11月：2405-2410.
[6]肖良品，刘显明，刘启顺，钟润涛，等.用于亚硝酸盐快速检测的三维纸质微流控芯片的制作[D]
学术论文，2013，Vol.34，No.22，341-345.