一种纸基疏水隔离图案的制备方法及应用与流程

本发明涉及纸基分析和纸基微流控器件领域。更具体地，涉及一种纸基疏水隔离图案的制备方法及应用。

背景技术：

与传统的硅、玻璃、高聚物基分析器件相比，纸基分析器件(纸芯片)具有成本更低、分析系统更易微型化和便携化、后处理简单和无污染等优点(cated.m.analyticalchemistry.2015,87,19-41)，在临床诊断、食品质量控制和环境监测等领域具有很大的应用前景(yamadak.angewandtechemieinternationaledition,2015,54,5294-5310)。由于滤纸本身具有超亲水性，在滤纸的特定区域制造出疏水的隔离图案，便可形成亲-疏水性的通道网络，制得纸芯片。目前文献上主要采用喷蜡打印(luy.analyticalchemistry.2010,82,329-335)、喷墨打印/喷墨溶剂刻蚀(abek.analyticalchemistry.2008,80,6928-6934)、融蜡浸透、绘图、丝网印刷、柔印、紫外光刻(heq.analyticalchemistry.2013,85,1327-1331)及激光处理等技术制作疏水图案(蒋艳，化学进展,2014,26,167-177)。

whitesides研究组(carrilhoe.analyticalchemistry.2009,81,7091-7095.)相继研发了用于纸芯片制作的喷蜡打印技术。该技术利用商用喷蜡打印机在滤纸的特定区域形成固体蜡图案，然后将滤纸放入高温炉加热，使蜡融化并渗透到滤纸中形成疏水图案，制得纸芯片用于检测分析。shen研究组(lix.colloidsandsurfacesb.2010,76,564-570)采用喷墨打印机在滤纸特定区域打印烷基烯酮二聚物溶液，然后通过高温加热使得烷基烯酮二聚物发生缩合反应结合到滤纸纤维素表面以改变滤纸的浸润性，而未喷墨的区域保持原滤纸的亲水性。brennan研究组(wangj.labonachip.2014,14,691-695.)采用喷墨打印机在滤纸上打印甲基三甲氧基硅烷溶胶液形成了疏水隔离带图案，并测试了该疏水隔离带图案在液体约束方面的性能。研究发现该图案不仅能够约束水溶液，而且对部分有机溶剂(丙三醇，二甲基亚砜，甲苯)和表面活性剂(曲拉通x-100，十二烷基磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵)也能起到约束作用，较以往固体蜡和烷基烯酮二聚物材料所形成的疏水隔离带图案具有一定的优势。但是，该疏水隔离带图案对于表面能稍低些的有机溶剂如甲醇或异丙醇等不能起到约束作用。gupta研究组利用了过渡金属离子能够阻止氟聚物聚合的原理，先将铜离子溶液涂覆到滤纸基底上形成特定图案，然后通过引发剂诱导的化学气相沉积方法在滤纸基底上制作了疏水隔离带图案。实验证明，该疏水隔离带图案能够对己烷，乙酸乙酯，丙酮和甲醇起到约束作用。(chenb.acsappliedmaterials&interfaces.2013,5,12701-12707)但是，该方法过程复杂，需要大型化学气相沉积设备，这限制了该方法的广泛使用。

能够耐受有机试剂的纸芯片具有很多优势，例如处理和分析不溶于水的化学物质(有机药物，化学战剂和杀虫剂比如有机磷酸酯)。然而，当前大多数纸芯片上所制作的疏水屏障容易被有机溶剂溶解或溶胀，导致有机溶剂扩散，即不能对有机溶剂起到约束作用。因为难以制作性能优异的疏油性屏障，所以使得纸芯片在涉及有机溶剂的分析检测中的发展受到了限制。

因此，找到一种有效的方法在滤纸基底上实现更加稳健的疏水隔离图案的制备，对于纸芯片在涉及有机溶剂和表面活性剂的分析检测中的应用具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种能够约束有机溶剂和表面活性剂的纸基疏水隔离图案的制备方法。

本发明的第二个目的在于提供一种能够用于涉及有机溶剂和表面活性剂的分析检测的纸芯片。

本发明的第三个目的在于提供一种如上所述的纸芯片在分析检测领域的应用。

本发明针对当前大多数纸基疏水隔离图案不能对有机溶剂或表面活性剂起到约束作用的问题，设计合成了一种新型疏水溶胶液用以制作更加稳健的疏水屏障。本发明以正硅酸乙酯和氟硅烷为原料，通过酸催化法在乙醇和水混合体系中合成了特定溶胶液。然后将该溶胶液定位沉积到滤纸基底上，形成疏水隔离图案。所得到的疏水隔离图案对水、有机溶剂和表面活性剂均表现出良好的约束作用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种纸基疏水隔离图案的制备方法，所述纸基疏水隔离图案是在滤纸基底上通过定位沉积疏水溶胶液所制备得到的。

进一步地，所述疏水溶胶液的制备方法包括以下步骤：

1)将纯水和乙醇以体积比1:20～1:40的比例加入到反应容器中，得到混合溶液；

2)利用酸调节上述混合溶剂的ph为2～4；

3)向反应容器中加入正硅酸乙酯和氟硅烷，所述正硅酸乙酯的加入量与乙醇的体积比为1:3～1:100，所述氟硅烷的加入量与乙醇的体积比为1:3～1:70；

4)将步骤3)得到的溶液在室温下磁力搅拌2～60天，制备得到疏水溶胶液。

优选地，步骤1)中，所述乙醇的纯度为99％以上；所述纯水的电阻率为15～18.2mω·cm。优选乙醇和水的纯度对后续纸芯片的开发研究起着重要作用，因为乙醇或水中的杂质会影响分析灵敏度与准确性。

优选地，步骤2)中，所述酸选自盐酸、硫酸、硝酸和磷酸中的一种。优选酸均为强酸，以保证所调溶液ph的稳定性。

优选地，步骤3)中，所述氟硅烷选自十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷十三氟辛基三乙氧基硅烷、全氟辛基三氯硅烷、全氟癸基三氯硅烷、三氟丙基三甲氧基硅烷、三氟丙基三乙氧基硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、六氟丁基丙基三甲氧基硅烷中的一种。优选氟硅烷均为侧链带有烷基氟的硅烷，以保证疏水隔离图案的优异性能。

本发明中所述定位沉积指通过书写、喷涂、丝印、印章或喷墨打印的方式将疏水溶胶液沉积到滤纸基底上形成疏水隔离图案。

本发明还公开了一种纸芯片，包含如上所述的制备方法制备得到的纸基疏水隔离图案，所述纸芯片上的纸基疏水隔离图案对水、有机溶剂和含有表面活性剂的溶液起到约束作用。

优选地，所述有机溶剂为乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二甲基亚砜、甲苯、己烷、乙醚、丙酮、吡啶、甲醇和乙醇中的一种或多种。优选有机溶剂的表面张力均大于22.3dyne/cm。所述纸基隔离图案对表面张力低于该数值的有机溶剂不能起到约束作用。

优选地，所述表面活性剂为曲拉通x-100、十二烷基磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。优选表面活性剂分别为非离子型表面活性剂，阳离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂，证明所述纸基疏水隔离图案对这三种类型的表面活性剂都能起到约束作用。

本发明还公开了如上所述的纸芯片在涉及有机溶剂和表面活性剂的分析检测中的应用。所述纸芯片能够进行纯水相传感分析，而且能够进行涉及有机溶剂和表面活性剂的传感分析。

优选地，所述有机溶剂为乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二甲基亚砜、甲苯、己烷、乙醚、丙酮、吡啶、甲醇和乙醇中的一种或多种。

优选地，所述表面活性剂为曲拉通x-100、十二烷基磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。

所述的包含有纸基疏水隔离图案的纸芯片能够用于检测重金属ni(ii)，在一个具体的实施例中，包括如下步骤：

1)在疏水隔离图案内滴加10μl丁二酮肟溶液；

2)在疏水隔离图案内滴加10μlnaf和na2s2o3混合水溶液以屏蔽干扰离子；

3)在疏水隔离图案内滴加20μl待检测的液体样品以进行显色反应。

优选的，所述的纸基疏水隔离图案为圆环形，圆环内径为2～10mm，圆环线宽为1～5mm。

优选地，步骤1)中，丁二酮肟溶液的浓度为80mm，溶剂选自乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二甲基亚砜、甲苯、己烷、丙酮、甲醇和乙醇中的一种。优选的，步骤2)中，naf和na2s2o3混合水溶液中两种化合物的浓度分别为20mg/ml和80mg/ml。步骤3)中，优选的待检测液体样品应为无色样品，显色反应时间为1h。

所述的包含有纸基疏水隔离图案的纸芯片能够用于检测细菌，在一个具体的实施例中，包括如下步骤：

1)向1ml待检测样品中加入150μl氯仿和150μl1％表面活性剂的水溶液；

2)向疏水隔离图案内滴加1μl半乳糖苷氯酚红溶液；

3)向疏水隔离图案内滴加20μl待检测的液体样品以进行显色反应。

优选的，所述的纸基疏水隔离图案为圆环形，圆环内径为2～10mm，圆环线宽为1～5mm。所述细菌选自大肠杆菌或枯草芽孢杆菌中的一种。

优选地，步骤1)中，表面活性剂选自曲拉通x-100、十二烷基磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中的一种。步骤2)中，半乳糖苷氯酚红溶液的浓度为30mm，溶剂为水。步骤3)中，优选的待检测液体样品应为无色样品，显色反应时间为1h。

本发明利用酸催化氟硅烷制备出疏水溶胶液，然后将该溶胶液定位沉积到滤纸基底上，制得疏水隔离图案。所制备的疏水隔离图案不仅能够约束水，而且能够约束有机溶剂和含有表面活性剂的溶液。所制备的疏水隔离图案能够进行涉及有机溶剂和表面活性剂的检测分析，在纸基分析器件和纸基微流控器件开发领域具有广阔应用前景。

另外注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种简便的纸基疏水隔离图案的制作方法。所述的疏水隔离图案不仅能够约束水，而且能够约束有机溶剂和含有表面活性剂的溶液。本发明将该疏水隔离图案成功应用于涉及有机溶剂和表面活性剂的分析检测中，制作了纸芯片。所述的疏水隔离图案在纸基微流控器件和纸芯片开发领域具有广阔应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明全部实施例中使用的滤纸基底及纸基疏水隔离图案的扫描电子显微镜图像。其中，a为本征滤纸基底的扫描电镜图，b为沉积有氟硅烷的纸基疏水隔离图案的扫描电镜图，c为采用蜡笔书写的蜡制疏水隔离图案的扫描电镜图。

图2示出本发明实施例6中所述疏水隔离图案对水(a)，十二烷基磺酸钠(b)，曲拉通x-100(c)和十六烷基三甲基溴化铵(d)的约束结果数码照片。

图3示出本发明实施例7中所述疏水隔离图案对乙二醇(a)，n,n-二甲基甲酰胺(b)，三氯甲烷(c)，甲醇(d)和乙醇(e)的约束结果数码照片。

图4示出本发明实施例9(a)和对比例4(b)中所述疏水隔离图案用于检测重金属ni(ii)的数码照片。

图5示出本发明实施例10中所述疏水隔离图案用于定量分析重金属ni(ii)的数码照片(a)及重金属ni(ii)的浓度与颜色强度之间的关系曲线图(b)。

图6示出本发明实施例12(a)和对比例5(b)中所述疏水隔离图案用于检测细菌的数码照片。

图7示出本发明对比例1中所述蜡制疏水隔离图案对水(a)，十二烷基磺酸钠(b)，曲拉通x-100(c)和十六烷基三甲基溴化铵(d)的约束结果数码照片。

图8示出本发明对比例2中所述蜡制疏水隔离图案对乙二醇(a)，n,n-二甲基甲酰胺(b)，三氯甲烷(c)，甲醇(d)和乙醇(e)的约束结果数码照片。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

疏水溶胶液的制备

先将20ml乙醇和1ml纯水加入到反应容器中，再向反应容器中加入盐酸，调节混合溶剂的ph为2，然后向容器中依次加入1～10mmol正硅酸乙酯和1～6mmol十七氟癸基三甲氧基硅烷，最后该反应在室温下磁力搅拌进行2～20天，制备得到所述的疏水溶胶液。

实施例2

疏水溶胶液的制备

先将30ml乙醇和1ml纯水加入到反应容器中，再向反应容器中加入盐酸，调节混合溶剂的ph为3，然后向容器中依次加入10～20mmol正硅酸乙酯和6～13mmol十七氟癸基三甲氧基硅烷，最后该反应在室温下磁力搅拌进行20～40天，制备得到所述的疏水溶胶液。

实施例3

疏水溶胶液的制备

先将40ml乙醇和1ml纯水加入到反应容器中，再向反应容器中加入盐酸，调节混合溶剂的ph为4，然后向容器中依次加入20～30mmol正硅酸乙酯和13～20mmol十七氟癸基三甲氧基硅烷，最后该反应在室温下磁力搅拌进行40～60天，制备得到所述的疏水溶胶液。

实施例4

将实施例1～3中的盐酸换成硫酸、硝酸和磷酸中的任意一种，均能制备得到所述的疏水溶胶液。

实施例5

将实施例1～3中的十七氟癸基三甲氧基硅烷换成十七氟癸基三乙氧基硅烷，十三氟辛基三甲氧基硅烷，十三氟辛基三乙氧基硅烷，全氟辛基三氯硅烷，全氟癸基三氯硅烷，三氟丙基三甲氧基硅烷，三氟丙基三乙氧基硅烷，十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷或六氟丁基丙基三甲氧基硅烷中的任一种，均能制备得到所述的疏水溶胶液。

实施例6

疏水隔离图案的制作及约束性能测试

将实施例1～5中任一所制备的疏水溶胶液定位沉积到滤纸基底(微观形貌如图1中的a所示)上以形成空心圆圈形疏水隔离图案(微观形貌如图1中的b所示)，即得到纸芯片。最后将所得疏水隔离图案在温度为60℃烘箱中热处理4h待用。分别将20μl水、1％曲拉通x-100、1％十二烷基磺酸钠和1％十六烷基三甲基溴化铵水溶液(为了辅助观察，加入了罗丹明b染料)滴加到疏水隔离圈内，1h后观察测试结果并拍照，结果如图2所示，图2示出该实施例中所述疏水隔离图案对水(a)，十二烷基磺酸钠(b)，曲拉通x-100(c)和十六烷基三甲基溴化铵(d)的约束结果数码照片。从照片结果可以发现，该疏水隔离圈图案能够对所测试的4种液体起到约束作用。

实施例7

疏水隔离图案的制作及约束性能测试

将实施例1～5中任一所制备的疏水溶胶液定位沉积到滤纸基底上以形成空心圆圈形疏水隔离图案，即得到纸芯片。最后将所得疏水隔离图案在温度为60℃烘箱中热处理4h待用。分别将20μl乙二醇，n,n-二甲基甲酰胺，三氯甲烷，甲醇和乙醇(为了辅助观察，加入了罗丹明b染料)滴加到疏水隔离圈内，1h后观察测试结果并拍照，结果如图3所示，图3示出该实施例中所述疏水隔离图案对乙二醇(a)，n,n-二甲基甲酰胺(b)，三氯甲烷(c)，甲醇(d)和乙醇(e)的约束结果数码照片。从照片中可以发现，该疏水隔离圈图案能够对所测试的5种液体起到约束作用。

实施例8

疏水隔离图案的制作及约束性能测试

将实施例1～5中任一所制备的疏水溶胶液定位沉积到滤纸基底上以形成空心圆圈形疏水隔离图案，即得到纸芯片。最后将所得疏水隔离图案在温度为60℃烘箱中热处理4h待用。分别将20μl二甲基亚砜、甲苯、己烷、丙酮、乙醚、吡啶(为了辅助观察，加入了罗丹明b染料)滴加到疏水隔离圈内，1h后观察测试结果，发现该疏水隔离圈图案能够对所测试的6种液体起到约束作用。

实施例9

将实施例6～8中任一所述的纸基疏水隔离图案用于检测重金属ni(ii)

首先将丁二酮肟溶于乙醇配制成浓度为80mm的溶液，将naf和na2s2o3溶于水配制成混合水溶液，使二者浓度分别为20mg/ml和80mg/ml；然后在疏水隔离图案内依次滴加10μl丁二酮肟溶液和10μlnaf和na2s2o3混合水溶液；最后在疏水隔离图案内滴加20μl待检测的液体样品以进行显色反应。待显色反应进行1h以后观察测试结果并拍照。如图4中的a所示，由于本发明中所述的疏水隔离图案不仅能够约束水溶液，而且能够约束溶于有机溶剂的丁二酮肟，致使有色络合产物在疏水图案内不断聚集，得到了理想的可视化显色结果。

实施例10

将实施例6～8中任一所述的纸基疏水隔离图案用于定量分析重金属ni(ii)

首先将丁二酮肟溶于乙醇配制成浓度为80mm的溶液，将naf和na2s2o3溶于水配制成混合水溶液，使二者浓度分别为20mg/ml和80mg/ml；然后在疏水隔离图案内依次滴加10μl丁二酮肟溶液和10μlnaf和na2s2o3混合水溶液；最后在疏水隔离图案内滴加20μl不同浓度的待检测液体样品以进行显色反应。待显色反应进行1h以后观察测试结果并拍照。如图5所示，图5示出该实施例中所述疏水隔离图案用于定量分析重金属ni(ii)的数码照片(a)及重金属ni(ii)的浓度与颜色强度之间的关系曲线图(b)。从图中的数码照片及曲线分析可以看出，随着ni(ii)浓度的增加，显色反应的颜色深度也逐渐增加。

实施例11

将实施例10中丁二酮肟溶液的溶剂乙醇换成乙二醇、n,n-二甲基甲酰胺、三氯甲烷、二甲基亚砜、甲苯、己烷、丙酮、甲醇中的任意一种，均能实现与实施例10相同的实验结果。

实施例12

将实施例6～8中任一所述的纸基疏水隔离图案用于检测细菌

首先向1ml待检测样品中加入150μl氯仿和150μl1％十二烷基磺酸钠水溶液；然后在疏水隔离图案内滴加1μl半乳糖苷氯酚红水溶液(浓度为30mm)；最后在疏水隔离图案内滴加20μl待检测的液体样品以进行显色反应。待显色反应进行1h以后观察测试结果并拍照。如图6中的a所示，由于本发明中所述的疏水隔离图案不仅能够约束水溶液，而且能够约束表面活性剂和有机溶剂，致使有色产物在疏水图案内不断聚集，得到了理想的可视化显色结果。

实施例13

将实施例12中十二烷基磺酸钠换成曲拉通x-100和十六烷基三甲基溴化铵中的任意一种，也能实现与实施例12相同的实验结果。

对比例1

蜡制疏水隔离图案的制作及约束性能测试

采用蜡笔书写方式在滤纸基底制作出空心圆圈形疏水隔离图案(微观形貌如图1中的c所示)。将所得疏水隔离图案在温度为120℃烘箱中热处理5min待用。

分别将20μl水、1％十二烷基磺酸钠、1％曲拉通x-100和1％十六烷基三甲基溴化铵水溶液(为了辅助观察，加入了罗丹明b染料)滴加到疏水隔离圈内，1h后观察测试结果并拍照，结果如图7所示，图7示出该对比例所述蜡制疏水隔离图案对水(a)，十二烷基磺酸钠(b)，曲拉通x-100(c)和十六烷基三甲基溴化铵(d)的约束结果数码照片。从照片结果中发现，该疏水隔离圈图案能够对水起到约束作用，而不能对十二烷基磺酸钠、曲拉通x-100和十六烷基三甲基溴化铵水溶液起到约束作用。

对比例2

蜡制疏水隔离图案的制作及约束性能测试

采用蜡笔书写方式在滤纸基底制作出空心圆圈形疏水隔离图案。将所得蜡制疏水隔离图案在温度为120℃烘箱中热处理5min待用。

分别将20μl乙二醇，n,n-二甲基甲酰胺，三氯甲烷，甲醇和乙醇(为了辅助观察，加入了罗丹明b染料)滴加到疏水隔离圈内，1h后观察测试结果并拍照，结果如图8所示，图8示出该对比例中所述蜡制疏水隔离图案对乙二醇(a)，n,n-二甲基甲酰胺(b)，三氯甲烷(c)，甲醇(d)和乙醇(e)的约束结果数码照片。从照片结果可以发现，该疏水隔离圈图案能够对乙二醇，n,n-二甲基甲酰胺起到约束作用，而不能对三氯甲烷，甲醇和乙醇起到约束作用。

对比例3

蜡制疏水隔离图案的制作及约束性能测试

采用蜡笔书写方式在滤纸基底制作出空心圆圈形疏水隔离图案。将所得疏水隔离图案在温度为120℃烘箱中热处理5min待用。

分别将20μl乙醚，丙酮，吡啶(为了辅助观察，加入了罗丹明b染料)滴加到疏水隔离圈内，1h后观察测试结果并拍照，发现该疏水隔离圈图案不能够对乙醚，丙酮，吡啶起到约束作用。

对比例4

将蜡制纸基疏水隔离图案用于检测重金属ni(ii)

采用蜡笔书写方式在滤纸基底制作出空心圆圈形疏水隔离图案。将所得蜡制疏水隔离图案在温度为120℃烘箱中热处理5min待用。

首先将丁二酮肟溶于乙醇配制成浓度为80mm的溶液，将naf和na2s2o3溶于水配制成混合水溶液，使二者浓度分别为20mg/ml和80mg/ml；然后在疏水隔离图案内依次滴加10μl丁二酮肟溶液和10μlnaf和na2s2o3混合水溶液；最后在疏水隔离图案内滴加20μl待检测的液体样品以进行显色反应。待显色反应进行1h以后观察测试结果并拍照。如图4中的b所示，由于蜡制疏水隔离图案不能约束乙醇溶液，导致其扩散，致使显色反应结果不理想。

对比例5

将蜡制纸基疏水隔离图案用于检测细菌

采用蜡笔书写方式在滤纸基底制作出空心圆圈形疏水隔离图案。将所得蜡制疏水隔离图案在温度为120℃烘箱中热处理5min待用。

首先向1ml待检测样品中加入150μl氯仿和150μl1％十二烷基磺酸钠水溶液；然后在疏水隔离图案内滴加1μl半乳糖苷氯酚红水溶液(浓度为30mm)；最后在疏水隔离图案内滴加20μl待检测的液体样品以进行显色反应。待显色反应进行1h以后观察测试结果并拍照。如图6中的b所示，由于蜡制疏水隔离图案不能约束氯仿和十二烷基磺酸钠溶液，导致其扩散，致使显色反应结果不理想。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。