印刷式紙質微流體芯片及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種印刷式紙質微流體芯片及制作方法,其芯片包括:紙質基底、由導電金屬墨水形成的電極、加熱器、溫敏傳感器、光敏傳感器、磁敏傳感器、壓電傳感器、濕敏傳感器、電化學傳感器或電極陣列電潤濕泵中的一個或它們的集成元件,以及接入閉合回路的電子電路。本發(fā)明的印刷式紙質微流體芯片及制作方法,由于引入了低熔點液態(tài)金屬墨水,使得整個芯片上的傳感器件均可以印刷的方式直接制作出來,達到所見即所得,制備過程在常溫及常規(guī)條件下即可完成,且由于采用了隨處可見的可降解性紙作為基底,對環(huán)境要求不高,因而可顯著降低微流體芯片制備工藝的復雜性,大幅度提高其制作效率并降低成本。
【專利說明】印刷式紙質微流體芯片及制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微流體芯片【技術領域】,特別涉及一種印刷式紙質微流體芯片及制作方法。
【背景技術】
[0002]微/納米流體器件是微機電系統(tǒng)的一個重要分支。由于它具有尺寸微小,無效體積小,功耗低,控制精度高,響應速度快等特點,且易于批量加工及實現(xiàn)微泵、微閥、微流量傳感器等流體器件與控制電路的集成,因而在許多領域有著日益廣泛的應用。在過去數(shù)十年間,隨著微流體系統(tǒng)在疾病檢測、生化分析、DNA測序、藥物篩選和輸運、體內環(huán)境檢測以及其他生物技術中的廣泛應用,樣品分析與檢測過程的微型化已成為微系統(tǒng)技術中最為重要的研究領域之一。
[0003]在微流體器件的發(fā)展過程中,出于對使用方便性、低價性的追求,學術界和工業(yè)界正著力朝著用完即棄型微/納流體芯片技術的方向發(fā)展。然而,微流體器件一般采用半導體或集成電路加工模式實現(xiàn),過程繁瑣,工藝復雜,迄今成本仍遠不能達到用完即棄的目標。為此,一些新的微流體器件逐漸浮出水面,其中紙質微流體技術是朝此方向邁進的重要舉措之一。這類流體器件由于采用隨處可得的紙張作為流體器件的基底,因而相較于以往的硅基、玻璃基乃至聚合物如PDMS基微流體器件相比,成本得以大幅度降低,且由于紙張自身優(yōu)良的可降解特性,其用完即棄后對環(huán)境的影響較小。但紙質微流體器件技術所面臨的巨大困難仍在于要在其表面制作出各種傳感器,即使像電極這樣的器件一般也只能通過高溫蒸鍍、電化學反應等復雜工藝實現(xiàn),對基底材料影響很大甚至無法加工,制作過程中耗能大、污染處理費用高。所以,迄今尚未發(fā)展出可直接在紙質一步成形印刷出電學傳感器的微流體芯片。也因如此,關于紙質微流體器件當前還主要處于研究早期。
【發(fā)明內容】
[0004](一)要解決的技術問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是,針對現(xiàn)有技術的不足,提供一種印刷式紙質微流體芯片及制作方法,可確保相應器件的快速制造乃至技術使用上的靈活性。
[0006](二)技術方案
[0007]本發(fā)明提供一種印刷式紙質微流體芯片,包括:紙質基底、由導電金屬墨水形成的電極、加熱器、溫敏傳感器、光敏傳感器、磁敏傳感器、壓電傳感器、濕敏傳感器、電化學傳感器或電極陣列電潤濕泵中的一個或它們的集成元件,以及接入閉合回路的電子電路。
[0008]其中,所述紙質基底為印刷涂料紙、防潮紙、防光紙、防水紙、絕緣紙、防蟲紙、感應紙、裝飾紙或研磨紙中的一種;所述加熱器為薄膜加熱器。
[0009]其中,所述紙質基底的表面有石蠟浸潤部分,所述石蠟浸潤部分有微流道結構。
[0010]其中,所述印刷涂料紙為銅版紙、涂布紙或合成纖維紙;所述防潮紙為浙青紙、涂塑紙或涂蠟紙;所述防光紙為膠卷紙;所述防水紙為油紙或樹脂涂布紙;所述絕緣紙為電纜紙或滌綸紙;所述防蟲紙為米蟲紙;所述感應紙為光感試紙、電感試紙、熱敏試紙、力感試紙、磁感試紙、放射性感應試紙、化學感應試紙或生化試紙;所述裝飾紙為蠟光紙或水松紙;所述研磨紙為木工砂紙或水磨砂紙;所述化學感應試紙是PH試紙。
[0011]其中,所述導電金屬墨水含有0.lwt%? 10wt%低熔點液態(tài)金屬的氧化物和0wt%?90wt%導電性納米顆?;虬雽w納米顆粒。
[0012]其中,所述導電金屬墨水含有0.01wt%?80wt%導電性納米顆粒或半導體納米顆粒。
[0013]其中,所述低熔點液態(tài)金屬是鎵、鎵銦合金、鎵錫合金、銦錫合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鋅合金、鎵銦錫鋅秘合金中的至少一種;所述導電性納米顆粒為粒徑Inm?900nm的怕、金、銀、銅、鐵、招、鋪、秘、鋪、錯、鎮(zhèn)、錯、組、鉛、鶴、鍊、康銅、鶴鍊合金或鎮(zhèn)鋪合金、碳納米管或石墨烯;所述半導體納米顆粒為粒徑Inm?900nm的硫化鍺顆粒、硒化鍺顆粒、締化鍺顆粒、鉍化銦顆粒、砷化銦顆粒、銻化銦顆粒、氧化銦顆粒、磷化銦顆粒、砷化鎵顆粒、磷化鎵顆粒、硫化銦顆粒、硒化銦顆粒、氧化銦錫顆粒、碲化銦顆粒、氧化鉛顆粒、硫化鉛顆粒、硒化鉛顆粒、締化鉛顆粒、娃化鎂顆粒、氧化錫顆粒、氯化錫顆粒、硫化錫顆粒、硒化錫顆粒、締化錫顆粒、硫化銀顆粒、硒化銀顆粒、碲化銀顆粒、氧化碲顆粒、氧化鋅顆粒、砷化鋅顆粒、銻化鋅顆粒、磷化鋅顆粒、硫化鋅顆粒、硫化鎘顆粒、氧化硼顆粒、硒化鋅顆粒或締化鋅顆粒。
[0014]本發(fā)明還提供一種印刷式紙質微流體芯片的制作方法,包括以下步驟:
[0015]S1:確定紙質基底;
[0016]S2:借助筆型裝置、印刷設備或刷子將所述導電金屬墨水涂覆于紙質基底表面,形成紙質微流體芯片。
[0017]其中,在SI中,采用石蠟浸潤部分或全部紙質基底,在所述紙質基底的石蠟浸潤部分采用微模版壓出特定圖案微流道;在S2中,將導電金屬墨水涂覆在紙質基底石蠟浸潤部分的微流道中。
[0018]其中,在SI中,采用石蠟浸潤部分或全部紙質基底,在S2中,將導電金屬墨水按各種圖案直接涂覆在紙質基底的石蠟浸潤部分上。
[0019](三)有益效果
[0020]本發(fā)明的印刷式紙質微流體芯片及制作方法,由于引入了低熔點液態(tài)金屬墨水,使得整個芯片上的傳感器件均可以印刷的方式直接制作出來,達到所見即所得,制備過程在常溫及常規(guī)條件下即可完成,且由于采用了隨處可見的可降解性紙作為基底,對環(huán)境要求不高,因而可顯著降低微流體芯片制備工藝的復雜性,大幅度提高其制作效率并降低成本。使用該方法得到的微流體芯片,可廣泛用于各種檢測行業(yè)。本發(fā)明提供的技術具有普遍意義,除用于制作紙上微流體器件外,也適用于其他基底,如塑料、玻璃、木材等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明印刷式紙質微流體芯片制作方法步驟流程圖;
[0022]圖2為本發(fā)明實施例1印刷式紙質微流體芯片結構示意圖;
[0023]圖3a為本發(fā)明實施例2印刷式紙質微流體芯片結構示意圖;
[0024]圖3b為圖3a的A-A剖視圖;
[0025]圖4為本發(fā)明實施例3印刷式紙質微流體芯片結構示意圖?!揪唧w實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例,對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明,但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0027]本發(fā)明提供一種印刷式紙質微流體芯片,包括:紙質基底、由導電金屬墨水形成的電極、加熱器、溫敏傳感器、光敏傳感器、磁敏傳感器、壓電傳感器、濕敏傳感器、電化學傳感器或電極陣列電潤濕泵中的一個或它們的集成元件,以及接入閉合回路的電子電路。
[0028]所述紙質基底為印刷涂料紙、防潮紙、防光紙、防水紙、絕緣紙、防蟲紙、感應紙、裝飾紙或研磨紙中的一種;所述加熱器為薄膜加熱器。所述紙質基底的表面有石蠟浸潤部分,所述石蠟浸潤部分有微流道結構。所述印刷涂料紙為銅版紙、涂布紙或合成纖維紙;所述防潮紙為浙青紙、涂塑紙或涂蠟紙;所述防光紙為膠卷紙;所述防水紙為油紙或樹脂涂布紙;所述絕緣紙為電纜紙或滌綸紙;所述防蟲紙為米蟲紙;所述感應紙為光感試紙、電感試紙、熱敏試紙、力感試紙、磁感試紙、放射性感應試紙、化學感應試紙或生化試紙;所述裝飾紙為蠟光紙或水松紙;所述研磨紙為木工砂紙或水磨砂紙;所述化學感應試紙是PH試紙。
[0029]所述導電金屬墨水含有0.lwt%?10wt%低熔點液態(tài)金屬的氧化物和0wt%?90wt%導電性納米顆?;虬雽w納米顆粒。所述導電金屬墨水含有0.01wt%?80wt%導電性納米顆?;虬雽w納米顆粒。所述低熔點液態(tài)金屬是鎵、鎵銦合金、鎵錫合金、銦錫合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鋅合金、鎵銦錫鋅鉍合金中的至少一種;所述導電性納米顆粒為粒徑Inm?900nm的怕、金、銀、銅、鐵、招、鋪、秘、鋪、錯、鎮(zhèn)、錯、組、鉛、鶴、鍊、康銅、鶴鍊合金或鎳鎘合金、碳納米管或石墨烯;所述半導體納米顆粒為粒徑Inm?900nm的硫化鍺顆粒、硒化鍺顆粒、碲化鍺顆粒、鉍化銦顆粒、砷化銦顆粒、銻化銦顆粒、氧化銦顆粒、磷化銦顆粒、砷化鎵顆粒、磷化鎵顆粒、硫化銦顆粒、硒化銦顆粒、氧化銦錫顆粒、碲化銦顆粒、氧化鉛顆粒、硫化鉛顆粒、硒化鉛顆粒、締化鉛顆粒、娃化鎂顆粒、氧化錫顆粒、氯化錫顆粒、硫化錫顆粒、硒化錫顆粒、碲化錫顆粒、硫化銀顆粒、硒化銀顆粒、碲化銀顆粒、氧化碲顆粒、氧化鋅顆粒、砷化鋅顆粒、鋪化鋅顆粒、磷化鋅顆粒、硫化鋅顆粒、硫化鎘顆粒、氧化硼顆粒、硒化鋅顆?;蚓喕\顆粒。
[0030]如圖1所示,本發(fā)明還提供一種印刷式紙質微流體芯片制作方法,包括以下步驟:
[0031]S1:確定紙質基底;
[0032]S2:借助筆型裝置、印刷設備或刷子將所述導電金屬墨水涂覆于紙質基底表面,形成紙質微流體芯片。
[0033]另外,在SI中,采用石蠟浸潤部分或全部紙質基底,在所述紙質基底的石蠟浸潤部分采用微模版壓出特定圖案微流道;在S2中,將導電金屬墨水涂覆在紙質基底石蠟浸潤部分的微流道中。
[0034]還可以在SI中,采用石蠟浸潤部分或全部紙質基底,在S2中,將導電金屬墨水按各種圖案直接涂覆在紙質基底的石蠟浸潤部分上。
[0035]實施例1
[0036]圖2為本發(fā)明實施例1印刷式紙質微流體芯片結構示意圖,如圖2所示,本實施例中微流體芯片基底11選用0.5_厚的紙,將其部分采用石蠟浸潤,形成圖2中的長方形石蠟紙部分112,在此基礎上應用金屬硬模在石蠟紙部分112壓印出寬度為0.1mm的流道113,流道兩端為2mm X 2mm的流體入口池114和出口池115 ;之后,在室溫下將含有0.25wt%鎵氧化物的導電金屬墨水(液態(tài)鎵)121以線的形式垂直涂覆在石蠟紙112中的流道113上下側,形成寬度為0.5mm的電極121、122,在此兩電極末端為2mmX2mm的接線端123、124。由此,便完成了本實施例的流式細胞檢測芯片的制作。使用時,一旦流道113中有細胞流過電極對121、122,則將改變電極對間的電阻抗,于是,借助于電流信號即可識別細胞特性。
[0037]實施例2
[0038]圖3a為本發(fā)明實施例2印刷式紙質微流體芯片結構示意圖,圖3b為圖3a的A-A剖視圖,如圖3a_3b所示,采用無流道結構對直接滴定于基底上的液滴進行測量,其中電極形狀采用齒形結構,以提升靈敏度。本實施例中微流體芯片基底212選用0.5_厚的紙,將其全部采用石蠟浸潤;之后,在室溫下將含有0.25wt%鎵氧化物的導電金屬墨水(液態(tài)鎵)以齒形交錯形式涂覆在石蠟紙質表面,形成線寬為0.5mm的齒形電極221、222,在此兩電極末端為2mmX2mm的接線端223、224。由此,便完成了本實施例的液滴式流體檢測芯片的制作。使用時,一旦滴狀樣品23粘附于電極221、222并發(fā)生某種生化反應,則將改變電極對間的電阻抗,于是,借助于電流信號即可識別樣品的有關特性。
[0039]實施例3
[0040]圖4為本發(fā)明實施例3印刷式紙質微流體芯片結構示意圖,如圖4所示,實施例1和實施例2不同的是,此處電極功能是作為加熱薄膜存在。本實施例中微流體芯片基底31選用0.5_厚的紙,將其部分采用石蠟浸潤,在此基礎上應用金屬硬模在石蠟紙部分按圖所示的蜿蜓曲折形式壓印出寬度為0.1mm的流道312,流道兩端為2mmX2mm的流體入口池313和出口池314 ;之后,在室溫下將含有0.25wt%鎵氧化物的金屬墨水(液態(tài)鎵)321以薄膜的形式涂覆在石蠟紙部分的對應部位,由此分別形成寬度為5mm的三段加熱膜33、34、35,與外接電路聯(lián)合后即可控制各自的加熱功率。此PCR芯片中,當反應混合液流經三個不同加熱功率薄膜33、34、35因而溫度不同的區(qū)域時,即完成變性、退火和延伸反應,完成基因擴增。薄膜自身電阻與溫度成相關,于是根據(jù)電阻大小,還可知對應的溫度。
[0041]實施例4
[0042]本實施例與實施例1類似,印刷過程和結構可完全一致,唯一區(qū)別在于沿微流道布置有10對同樣的電極陣列,這樣通過電路編程,可確保沿流道方向的電極順序打開或關閉,從而改變流道內流體的表面張力,繼而影響到流體的潤濕效應,由此可按一定順序驅動流體的運動,此即紙上電極陣列電潤濕泵驅動的芯片。
[0043]實施例5
[0044]本實施例與實施例1類似,印刷過程和結構可完全一致,唯一區(qū)別在于所選用墨水具備一定電磁特性,即印刷用墨水系通過對含有0.25wt%鎵氧化物的金屬墨水(液態(tài)鎵)中添加有10wt%的納米鎳顆粒后制備而得。該電極材料由于鎳的摻雜,會具備一定的磁學特性,由此能承擔有關電磁測試的需求。
[0045]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明,而并非對本發(fā)明的限制,有關【技術領域】的普通技術人員,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,還可以做出各種變化和變型,因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇,本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
【權利要求】
1.一種印刷式紙質微流體芯片,其特征在于,包括:紙質基底、由導電金屬墨水形成的電極、加熱器、溫敏傳感器、光敏傳感器、磁敏傳感器、壓電傳感器、濕敏傳感器、電化學傳感器或電極陣列電潤濕泵中的一個或它們的集成元件,以及接入閉合回路的電子電路。
2.如權利要求1所述的印刷式紙質微流體芯片,其特征在于,所述紙質基底為印刷涂料紙、防潮紙、防光紙、防水紙、絕緣紙、防蟲紙、感應紙、裝飾紙或研磨紙中的一種;所述加熱器為薄膜加熱器。
3.如權利要求1或2所述的印刷式紙質微流體芯片,其特征在于,所述紙質基底的表面有石蠟浸潤部分,所述石蠟浸潤部分有微流道結構。
4.如權利要求2所述的印刷式紙質微流體芯片,其特征在于,所述印刷涂料紙為銅版紙、涂布紙或合成纖維紙;所述防潮紙為浙青紙、涂塑紙或涂蠟紙;所述防光紙為膠卷紙;所述防水紙為油紙或樹脂涂布紙;所述絕緣紙為電纜紙或滌綸紙;所述防蟲紙為米蟲紙;所述感應紙為光感試紙、電感試紙、熱敏試紙、力感試紙、磁感試紙、放射性感應試紙、化學感應試紙或生化試紙;所述裝飾紙為蠟光紙或水松紙;所述研磨紙為木工砂紙或水磨砂紙;所述化學感應試紙是PH試紙。
5.如權利要求1所述的印刷式紙質微流體芯片,其特征在于,所述導電金屬墨水含有0.lwt%?10wt%低熔點液態(tài)金屬的氧化物和Owt%?90wt%導電性納米顆粒或半導體納米顆粒。
6.如權利要求5所述的印刷式紙質微流體芯片,其特征在于,所述導電金屬墨水含有0.01wt%?80wt%導電性納米顆?;虬雽w納米顆粒。
7.如權利要求5所述的印刷式紙質微流體芯片,其特征在于,所述低熔點液態(tài)金屬是鎵、鎵銦合金、鎵錫合金、銦錫合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鋅合金、鎵銦錫鋅鉍合金中的至少一種;所述導電性納米顆粒為粒徑Inm?900nm的鉬、金、銀、銅、鐵、招、鋪、秘、鎘、鍺、鎳、銠、鉭、鉛、鎢、錸、康銅、鎢錸合金或鎳鎘合金、碳納米管或石墨烯;所述半導體納米顆粒為粒徑Inm?900nm的硫化鍺顆粒、硒化鍺顆粒、締化鍺顆粒、秘化銦顆粒、砷化銦顆粒、鋪化銦顆粒、氧化銦顆粒、磷化銦顆粒、砷化鎵顆粒、磷化鎵顆粒、硫化銦顆粒、硒化銦顆粒、氧化銦錫顆粒、碲化銦顆粒、氧化鉛顆粒、硫化鉛顆粒、硒化鉛顆粒、碲化鉛顆粒、硅化鎂顆粒、氧化錫顆粒、氣化錫顆粒、硫化錫顆粒、砸化錫顆粒、締化錫顆粒、硫化銀顆粒、砸化銀顆粒、締化銀顆粒、氧化締顆粒、氧化鋅顆粒、砷化鋅顆粒、鋪化鋅顆粒、磷化鋅顆粒、硫化鋅顆粒、硫化鎘顆粒、氧化硼顆粒、硒化鋅顆?;蝽诨\顆粒。
8.一種印刷式紙質微流體芯片的制作方法,其特征在于,包括以下步驟: S1:確定紙質基底; S2:借助筆型裝置、印刷設備或刷子將所述導電金屬墨水涂覆于紙質基底表面,形成紙質微流體芯片。
9.如權利要求8所述的印刷式紙質微流體芯片的制作方法,其特征在于,在SI中,采用石蠟浸潤部分或全部紙質基底,在所述紙質基底的石蠟浸潤部分采用微模版壓出特定圖案微流道;在S2中,將導電金屬墨水涂覆在紙質基底石蠟浸潤部分的微流道中。
10.如權利要求8所述的印刷式紙質微流體芯片的制作方法,其特征在于,在SI中,采用石蠟浸潤部分或全部紙質基底,在S2中,將導電金屬墨水按各種圖案直接涂覆在紙質基底的石蠟浸潤部分上。
【文檔編號】B01L3/00GK103657748SQ201210362506
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月25日 優(yōu)先權日:2012年9月25日
【發(fā)明者】劉靜 申請人:中國科學院理化技術研究所