基于激光打印的纸基微流控芯片制备方法及应用研究

论文摘要

纸基微流控芯片（μPADs）自Whitesides等人首次提出以来,结合了微流控芯片和纸材质易得的特点,相较于传统微流控芯片具有独特的优势,在过去十余年里获得了迅猛的发展。纸基微流控芯片作为一种新型的检测平台,由于其廉价易得、制备简单、轻便实用、样品消耗少、无需流体驱动装置、可一次性使用、环境中易降解等优点,在医疗健康、生命科学、环境监测、食品安全等领域拥有广阔的商业应用前景。现有的纸基微流控芯片制备方法主要包括光刻法、蜡印、喷墨打印、丝网印刷、等离子处理、切割法等。然而,这些制备方法还存在一些不足,例如:需要引进化学试剂（如SU-8、AKD等）和特制的金属掩模,油墨兼容问题,需要昂贵的仪器设备（如激光切割机、蜡打印机等）,通道分辨率低等。本论文开发了一种基于办公用普通激光打印机制备纸基微流控芯片的方法,对其性能进行表征,并开发了多通道检测和双模式检测平台验证了其实用性,具体内容如下:（1）基于激光打印的纸基微流控芯片制备及其性能表征我们利用激光打印机开发了一种简单快速高分辨率的纸基微流控芯片的制备方法。该芯片由“两步法”制备而成:首先,将设计好的微流控通道通过办公激光打印机打印在滤纸上;然后,将印有图案的滤纸置于170℃的烘箱中热固化处理90 min。然后从微观和宏观角度考察了该纸芯片的疏水性能。在宏观角度,研究了其热固化处理前后的表面接触角和toner在滤纸表面的形态;在微观角度,通过热重和顶空气质实验,探索了toner的疏水化机理。固定热固化温度170℃时,最优时间为90 min。通过揉搓折叠研究了其抗折叠弯曲性能。在最优条件下,最小实际通道宽度可以达到347±40μm。（2）基于激光打印制备纸基微流控芯片开发多通道检测平台在最优条件下,制备纸基微流控芯片,结合使用最为广泛的比色检测方法,构建一种多通道检测平台,这种检测平台具有廉价易得、轻便实用、可一次性使用、可视化程度高、分析速度快等优点。本实验通过比色法实现同时检测四种重金属离子铁（Ⅲ）、镍（Ⅱ）、铜（Ⅱ）、铬（Ⅵ）。首先在制备好芯片的预处理区和检测区分别修饰相应检测离子的显色试剂,每次修饰完在室温下自然风干5 min;然后将四种离子的混标溶液滴加在样品滴加区,重金属离子溶液流经通道,在各检测位点发生显色反应;使用智能手机拍摄显色照片,通过图像处理软件ImageJ分析颜色强度,颜色强度值和重金属离子浓度的对数值呈现线性关系。基于该方法制备的纸基微流控芯片成功实现了对重金属离子的定量检测。（3）基于激光打印制备的纸基微流控芯片开发双模式检测平台制备MWCNTs/Au/paper工作电极,首先通过离子溅射仪在铜版纸表面电沉积金,然后在Au/paper电极表面修饰MWCNTs加热烘干制备而成。制备双模式比色-电化学检测纸基微流控芯片检测平台,分别检测无机重金属铬（Ⅵ）和有机BPA。使用线性扫描伏安法检测BPA,氧化峰值大小与BPA的浓度呈良好的线性关系,该方法检测范围为0.5 mg/L20 mg/L,检出限为0.16 mg/L,实验最后成功实现了对塑料样品中重金属铬（Ⅵ）和BPA的同时检测。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 微流控芯片简介

1.1.1 微流控芯片的特点

1.1.2 微流控芯片的制备材料及技术

1.1.3 微流控芯片上的分析检测技术

1.2 纸基微流控芯片

1.2.1 纸的性能

1.2.2 纸基微流控芯片的制备方法

1.2.3 纸基微流控芯片的检测方法

1.2.4 纸基微流控芯片的流体运动原理

1.2.5 三维纸基微流控芯片简介

1.3 论文选题背景与意义、研究目标与内容

1.3.1 选题背景与意义

1.3.2 研究目标与内容

参考文献

第二章纸基微流控芯片设计制备及其性能表征

2.1 前言

2.1.1 本实验研究背景

2.1.2 本实验研究内容

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 纸基微流控芯片的设计制备

2.2.3 纸芯片宏观和微观性能表征

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 滤纸疏水化机理

2.3.2 滤纸疏水化条件优化

2.4 本章小结

参考文献

第三章纸基微流控芯片应用研究

3.1 前言

3.1.1 本实验研究背景

3.1.2 本实验检测原理简介

3.1.3 本实验主要工作

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂与仪器

3.2.2 纸芯片检测平台的构建

3.2.3 实际样品检测

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 多通道比色检测

3.3.2 双模式比色-电化学检测

3.3.3 实际样品检测

3.4 本章小结

参考文献

第四章总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

硕士期间的工作成果

已发表的论文

已申请发明专利

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 温雪飞

导师: 丁收年,张庆

关键词: 纸基微流控芯片,激光打印,多通道,双模式

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 东南大学

基金: 国家重点研发计划(2017YFA0700400),国家自然科学基金重点研发项目(21535003),国家自然科学基金面上项目(21575022),江苏省重点研发计划(BE2018617)

分类号: TN492;TN249

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.001489

总页数: 74

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