利用粘合剂图案化构建三维纸质微流控装置

摘要

我们展示了使用图案化气溶胶粘合剂构建三维纸基微流控装置的方法。这种粘合剂应用方式可在各层之间形成半永久性结合，使得一次性装置在使用后能够无损拆解，并有助于折叠复杂的非平面结构。

摘要

我们展示了使用图案化气溶胶粘合剂来构建平面和非平面三维纸基微流控器件的方法。通过将气溶胶粘合剂喷洒穿过金属掩模，可显著减少组装纸基微流控器件所需的粘合剂总量。我们以一个简单的四层平面纸基微流控器件为例说明，最佳的粘合剂施加技术和器件构建方式在很大程度上取决于所需的性能特征。通过适度增加器件的总体面积，可以显著缩短毛细渗透时间，提高器件的成功率，同时减少维持器件结构所需的粘合剂量。这种粘合剂施加方式还能使粘合剂在纸层之间形成半永久性结合而非永久性结合，从而允许一次性使用的器件在使用后无损拆解。非平面的折纸三维器件在折叠过程中也能从这种半永久性结合中受益，因为它降低了不相关表面意外粘连的可能性。与平面器件类似，非平面结构在采用图案化粘合剂施加方式时，其毛细渗透时间也比均匀施加粘合剂时更短。

引言

近年来，纸基微流控技术因其在提供低成本即时检测（POC）诊断设备方面的潜力而受到广泛关注。^1-3 即时检测设备的功能与实验室检测类似，但其形式可实现相对快速地获得检测结果。由纸张制成的POC设备成本低、重量轻且易于使用，是昂贵的微流控芯片和微型化实验室的理想替代方案，特别适用于资源有限的环境。最常见的纸基微流控设备是一维侧向流动装置，而平面三维（3D）纸基微流控设备则有望提供多重检测功能⁴，其占用空间远小于二维（2D）设备⁵，相应地所需样本体积也更小。

最初，平面三维纸质微流控装置是通过逐层组装的方式构建的，将图案化的纸层与激光切割的双面胶带交替堆叠而成。在胶带层上仔细对齐的孔洞中填充纤维素粉末，以确保层间的液体传输。⁴ 随后开发了多种替代方法，^6-9 每种方法都在不同方面改进了装置性能。特别是，通过避免使用胶粘剂，可采用折纸技术将装置折叠，并利用外部夹具固定各层。⁸ 这种方法消除了诊断测试中胶粘剂可能带来的干扰，并允许使用后将装置展开，从而通过在内部显示结果实现更小样本体积的检测。另一种方法是在每层纸之间使用喷雾胶粘剂，从而可同时组装整张装置，无需耗时的胶带图案化和对准操作。⁹

然而，通过在模板上喷涂气溶胶粘合剂，可以同时获得这两种技术的优势。通过模板喷涂粘合剂，仅有....

方案

1. 平面四层器件（堆叠层）的构建

1. 使用固体墨水打印机将设备各层的阵列⁹分别打印到每张滤纸上。^11,12 将每张滤纸置于170 °C的加热板上加热2分钟，使基于蜡的墨水熔化并完全渗透滤纸厚度，形成疏水屏障。
   注：所用具体设计图可作为补充文件获取。
2. 从加热板上取下滤纸，使其冷却至室温（RT）。
3. 使用微量移液器，在第3层（从组装完成的设备顶部数起第三层）的每个分支中加入4 µl的5 mM染料（红色：诱惑红；黄色：酒石黄；蓝色：亮蓝FCF二钠盐；绿色：酒石黄与亮蓝FCF二钠盐按10:1比例混合），每个分支加一种颜色。
4. 从最底层开始操作。使用长尾夹或其他类似的临时固定方法，将滤纸夹在模板与刚性背板（如一块平板玻璃）之间。确保模板紧贴滤纸表面，以最大限度减少模板在滤纸上投射的喷雾阴影。
5. 使用粘合剂（参见材料与设备清单），在距离约24 cm处进行约1.33秒（以每分钟180拍的速度数四下）的喷雾喷涂。^9,10 喷涂过程中，以中等速度将喷罐沿模板移动。移动过慢会导致粘合剂在模板上积聚并堵塞；移动过快则无法在滤纸上沉积足够的粘合剂。在此期间完成四次往复运动（上下-下上）即可有效避免喷雾阴影。
6. 取下模板，将设备的下一层（编号层设计图可作为补充文件获取）放置在刚喷涂过的层上，对齐滤纸边缘，并用力压紧两层。
7. 重新放置模板，并对设备的....

结果

4层装置的测试在密封腔室中进行，以避免任何气流或微风导致有限的沉积液体体积过度蒸发。4层装置中的大部分芯吸作用发生在装置的中间层，因此因蒸发引起的芯吸速度差异预计极小。此外，横向芯吸作用也极微弱，入口与任一单独出口之间的距离仅为13 mm，表明芯吸时间的差异可能主要源于垂直方向的层间液体转移。使用不同用量粘合剂制备的4层装置的平均芯吸时间和成功率如表1所示。

在堆叠装置中，均匀涂布胶粘剂可获得相对较高的成功率，但随着胶粘剂用量的增加，成功率反而下降。当仅在单侧施加图案化胶粘剂时，成功率非常低；而当在两侧均施加图案化胶粘剂时，成功率显著提高，且毛细渗透时间更短。典型的成功案例如图3A所示。对于这一现象，可能存在多种解释，其中任意组合均可能成立。所施加的胶粘剂可能部分或完全地物理阻塞纸张表面的孔隙，导致纸层之间的有效接触面积减小。此外，胶粘剂本身可能起到另一种多孔基质的作用，因此较厚的胶层.......

讨论

上述方案使用带孔金属板作为模板，通过喷涂胶粘剂来制备平面和非平面的三维纸基微流控器件。对于平面器件，这种方法的优势在于：胶粘剂干燥后，器件可被完全展开而不会遭到破坏。而在其他基于胶粘剂的构建技术中，这几乎是不可能实现的；尽管某些设计可通过剥离由可移除胶粘剂固定的两半部分，实现部分破坏性拆解¹⁴。无胶粘剂构建方法虽允许器件在使用后展开，但需要为每个器件配备定制的夹具或外壳⁸。

在主要依靠横向芯吸的装置中，粘合剂可能会显著减缓芯吸速度。通过图案化粘合剂，可大幅减少施加到芯吸区域的粘合剂量，从而限制对芯吸过程的潜在干扰。以垂直芯吸为主的装置同样会因粘合剂导致芯吸减慢，但程度要小得多。设计一种能够完全遮蔽所有芯吸区域的模板，使粘合剂仅应用于疏水区域，可能消除任何潜在的芯吸干扰，但也可能显著增加装置制备过程中的对准时间。

在非平面器件中，图案化胶粘剂可显著降低施加到纸张上的胶粘剂量，从而极大地方便了折叠操作，相比均匀涂布的胶粘层，折叠难度明显降低。当纸张表面完全覆盖胶粘剂时，不同区域之间一旦发.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
相机	Nikon	D5100
固态墨打印机	Xerox	ColorQube 8880
加热板	Torrey Pines	HS60
湿度培养箱	Electro-Tech Systems	5503-E
喷雾粘合剂	3M	62497749309	Super 77 (16.75 盎司罐装)
滤纸	Whatman	Grade 4
穿孔钢板	MetalsDepot	PS16116
酒石黄	Sigma-Aldritch	T0388
诱惑红	Sigma-Aldritch	458848
亮蓝FCF二钠盐	Sigma-Aldritch	861146