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。
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摘要
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，仅有少量粘合剂被施加到装置上，从而最大限度地减少对层间液体传递的潜在干扰。此外，通过谨慎选择模板，可形成特定图案的粘合剂分布，实现半永久性的粘合效果，使得装置在使用后能够展开，同时仍能保持足够的层间接触，使液体在各层之间通过毛细作用传输。
最后，通过模板喷涂气雾胶粘合剂可简化非平面三维纸基微流控器件的构建，减少粘合剂在相邻表面的涂覆量，从而避免在构建过程中频繁折叠和展开时产生粘连问题10。此外，采用图案化粘合剂还使得器件在使用后可以展开，便于储存。非平面三维纸基微流控器件有望用于那些在平面三维器件中无法实现的任务。图1展示了构建平面和非平面三维器件所采用的通用工艺流程。
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方案
1. 平面四层器件（堆叠层）的构建
- 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。 - 从加热板上取下滤纸，使其冷却至室温（RT）。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 重新放置模板，并对设备的每一层重复喷涂过程。完成堆叠后，将整叠设备取下，并在底层贴上包装胶带，以防止液体泄漏。使用剪刀沿打印区域边缘裁剪，分离出单个设备。
2. 平面四层器件（折纸折叠层）的构建
- 使用固体墨水打印机将包含装置所有层的设计打印到滤纸上。将滤纸置于170 °C的加热板上加热2分钟。从加热板上取下滤纸，使其冷却至室温。
注意：所用具体设计可作为补充文件获取。 - 通过移液器在第3层（完成装置后自上而下的第三层）的每个分支中分别加入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）。
- 使用长尾夹或其他类似的临时固定方法，将装置所在的纸张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。
- 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，期间完成四次往复运动（下-上-下-上），足以避免喷雾阴影的产生。
- 取下模板并将纸张翻转。重新放置模板，对纸张背面进行喷雾处理。取下装置纸张，按照图1所示方式开始以手风琴式褶皱进行折叠。使用剪刀沿打印区域边缘将每个装置剪下，并在底层贴上封箱胶带。
3. 非平面（折纸）器件的构建
- 使用固体墨水打印机将设备（图2A）打印到滤纸上，并将滤纸置于170 °C的加热板上加热2分钟。从加热板上取下设备，使其冷却至室温。
注意：所使用的精确设计图作为补充文件提供。 - 使用固体墨水打印机将折痕图样（图2C）打印到普通打印纸上，并裁剪至与滤纸相同尺寸。将折痕图样置于170 °C的加热板上加热2分钟，使蜡熔化，从而使图样在纸张两面均可见。从加热板上取下折痕图样，使其冷却至室温。
- 将折痕图样的边缘与含有通道图样的纸张边缘对齐，并使用文件夹夹子或其它类似的临时固定方法将两张纸固定在一起。
- 使用钝头触针沿折痕图样进行描划，施加足够的压力使设备纸张上留下痕迹，但力度不可过大以免撕破折痕图样纸张。若发生撕裂，设备可能受损。预先压出折痕可使纸张更容易折叠，并提高折叠的准确性和精确度。
- 根据折痕图样，开始进行山折和谷折以折叠设备。一旦涂布粘合剂，整个设备必须迅速完成组装，因此在涂布粘合剂前尽可能完成折叠步骤将非常有帮助。
- 设备折叠完成后，将其展开以暴露需要涂布粘合剂的区域。使用剃刀片切割出遮蔽模板（图2D），以限制粘合剂在设备上的涂布位置。
- 将设备夹在模板与遮蔽层之间，并置于硬质背板（如一块平板玻璃）上。确保模板紧贴设备表面。使用喷雾器在约24 cm距离处喷洒粘合剂（参见材料与设备清单），喷洒时间约为1.33秒（以每分钟180拍的速度数四下）。在此期间进行四次往复运动（上下-上下）足以避免喷雾阴影。取下模板，将纸张翻转。重新放置模板和遮蔽层，对纸张背面进行喷洒。
- 立即从模板中取出设备并开始折叠。设备完全折叠后，对含有粘合剂的部位施加压力，直至粘合剂完全干燥。
注意：粘合剂的干燥时间对环境湿度极为敏感，因此在低湿度环境中，可在湿度可控的密闭环境中进行折叠，以获得更长的操作时间。
4. 四层器件的芯吸测试
- 根据上述方案，随机选取20个已组装的装置。将装置放置在无风或无气流干扰的位置，以尽量减少蒸发。在每个装置的入口处加入40 µl水。记录每个装置的所有出口完全被染料充满所需的时间。
5. 折纸导流比较
- 制作两只折纸孔雀——其中一只按照上述方案（第3节）进行，另一只则在涂胶过程中不使用模板。
- 将一条窄纸导流条（宽约5 mm，长约5 cm）的一端插入每只孔雀的体内。
- 将两只孔雀放入一个保持高相对湿度（>90%）的密闭室中，以尽量减少蒸发。将每只孔雀的每条腿和纸导流条分别浸入盛有5 mM染料的容器中（红色：诱惑红，黄色：酒石黄，蓝色：亮蓝二钠盐）。用数码相机记录毛细扩散过程。
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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...
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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...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由加利福尼亚大学河滨分校伯恩斯工程学院提供资金支持。BK 获得了机械设计领域卢光文纪念奖的奖学金。
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材料
| 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 |
参考文献
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