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2024年6月2日发(作者：玄延)

第38卷第3期

2017年6月

韩山师范学院学报

JournalofHanshanNormalUniversity

Vol.38No.3

Jun.2017

喷墨打印表面活性剂加工纸基微流控芯片

蔡龙飞，吴玫谍，罗佳婷，林烁虹

（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TritonX-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：O657文献标识码：A文章编号：1007-6883（2017）03-0031-04

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TritonX-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TritonX-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TritonX-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．

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．

·31·

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）；TritonX-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）．

1.2纸芯片加工

（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，清洗墨盒至黑色墨水不

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．

图1加工好的纸芯片喷水后显示亲水区域图案的实物图

（4）加热：将打印好的纸芯片放在70℃

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．

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

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TritonX-100后的接触角测定图

疏水纸上打印TritonX-100后，打印区恢复亲

图2亲水、疏水滤纸上的接触角测定

水性（图2B）．

2.2乙醇浓度的影响

TritonX-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，TritonX-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TritonX-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TritonX-100打印液.

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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TritonX-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TritonX-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

区域不能被水渗透．增加打印次数至5次时，设计宽

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

图4表面活性剂喷墨打印加工纸芯片通道分辨率

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

·33·

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色分析和荧

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．

参考文献：

[1]MARTINEZAW,PHILLIPSST,BUTTEMJ,nedpaperasaplatformforinexpensive,low-volume,portablebio⁃

[2]HEQH,MACC,HUXQ,forFabricationofPaper-BasedMicrofluidicDevicesbyAlkylsilaneSelf-Assem⁃

[3]BRUZEWICZDA,RECHESM,-CostPrintingofPoly(dimethylsiloxane)BarriersToDefineMicro⁃

[4]LUY,SHIWW,JIANGL,rototypingofpaper-basedmicrofluidicswithwaxforlow-cost,portablebioassay[J].

[5]CAILF,WANGY,WUYY,ationofamicrofluidicpaper-basedanalyticaldevicebysilanizationoffiltercellu⁃

[6]CAILF,XUCX,LINSH,epaper-basedsensorfabricatedbyselectivewetetchingofsilanizedfilterpaperus⁃

[7]CAILF,ZHONGMH,LIHL,ngmicrochannelsandvalvesonahydrophobicpaperbylow-costinkjetprintingof

[8]CAILF,XUCX,CHENYC,iveModificationofHydrophobicPaperUsingaSurfactantforProteinAssayinUrine

[9]CASTELLANOM,GANDINIA,FABBRIP,cationofcellulosefibreswithorganosilanes:Underwhatconditions

[10]ABDELMOULEHM,BOUFIS,BELGACEMMN,cationofcellulosicfibreswithfunctionalisedsilanes:develop⁃

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doescouplingoccur?[J].dInterfaceSci.,2004,273(2):505-511.

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blingandUV/O3-Patterning[J]..,2013,85(3):1327-1331.

assays[J]..,2007,46(8):1318-1320.

InkjetPrintingofSurfactantSolutionstoPrototypeMicrochannelson

MicrofluidicPaper-BasedAnalyticalDevices

CAILong-fei,WUMei-die,LUOJia-ting,LINShuo-hong

（CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering，HanshanNormalUniversity，Chaozhou，Guangdong,521041）

Abstract：Surfactantsolutionswereusedtoprototypemicrofluidicpaper-basedanalyticaldevices(

PADs)ivehydrophilicfilterpaperbecamehydrophobicbyusing

X-100solutionwasprintedontothe

hydntedareasbecamehydrophilic

thodcouldbeusedtofabricate

PADswithsim-

plicity,lowcostandhighspeed.

Keywords：microfluidicpaper-basedanalyticaldevices；fabrication；surfactant

责任编辑朱本华周春娟

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