基于3D打印技术的微流控芯片制备方法及其应用

摘要

本发明提供了一种基于3D打印技术的微流控芯片制备方法及其应用；方法步骤：一，设计微流控管道，通过3D桌面打印机打印出细丝，所用的细丝材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸树脂、聚乙烯醇，作为微流控芯片通道模板；二，将打印出的细丝转移到表面皿中，将细丝固定到基底上，待固定后，然后浇筑PDMS胶体，固化，脱模，打孔，键合制备微流控芯片。本发明还涉及上述微流控芯片在表面增强拉曼拉曼检测应用。本发明制备简单，快速加工，成本非常低廉，且无需复杂的微加工如光刻、显影等工艺，普通实验条件下亦可以完成对微流控芯片的制备。该微流控芯片制备便于推广，可广泛用于在人类健康，食品安全，环境检测，医学诊断等领域。

权利要求

1.一种微流控芯片的应用，其特征在于，将基于3D打印技术制备的微流控芯片应用于三聚氰胺中的表面增强拉曼检测；

所述基于3D打印技术制备微流控芯片，具体包括如下步骤：

步骤一，采用三维绘图软件设计微流控管道，通过3D桌面打印机打印出细丝，作为微流控芯片通道模板；

步骤二，将打印出的细丝转移到表面皿中，将细丝固定到基底上，待固定后，然后浇筑PDMS胶体，固化，脱模，打孔，键合制备微流控芯片；

所述微流控芯片在表面增强拉曼检测应用，具体包括如下步骤：

第一步，采用上述3D打印工艺制备微流控芯片，在管道中间设计一个小长方体；

第二步，在微流控芯片小长方体部位制备具有多孔状的整体柱；

第三步，在微流控芯片管道内进行银微球固定，利用管道内制备的多孔状整体柱对银微球的物理阻挡，实现银微球在微流控芯片整体柱前固定；

第四步，采用上述第三步得到的含有固定银微球的微流控芯片对三聚氰胺表面增强拉曼检测：采用注射泵将含有三聚氰胺样品溶液以2-20μL/min注入到微流控芯片，利用芯片中银微球对三聚氰胺的吸附，进行对样品中三聚氰胺的富集，最后，采用表面增强拉曼对吸附在银微球上的三聚氰胺进行拉曼检测。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片的应用，其特征在于，所述第二步，具体步骤：步骤1，制备整体柱溶液：采用甲基丙烯酸缩水甘油酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、邻苯二甲酸二正辛酯，按照重量比2：3：5混合，再加入混合物总重量5％的光引发剂二羟甲基丙酸，超声混合，放置4℃冰箱保存；

步骤2，将整体柱溶液采用移液枪注入到微流控芯片管道内，并充满整微流控芯片管道；

步骤3，采用紫外点光源对注入整体柱溶液后的微流控芯片小长方体处进行紫外曝光时间60s，其整体柱溶液曝光区域固化，与微流控芯片管道整合一体；

步骤4，分别采用甲醇、丙酮和水通过注射泵以2-50μL/min洗涤10-30min，除去未参与反应的整体柱溶液以及洗涤掉固化后整体柱中的苯二甲酸二正辛酯，即 得到具有多孔状整体柱的微流控芯片，其所得整体柱为多孔结构，其孔径大小在1μm内。

3.根据权利要求1或2所述的微流控芯片的应用，其特征在于，所述第三步，具体为：采用的银微球大小为1-2μm，将5μL分散在甲醇中的银微球注入微流控芯片管道，采用甲醇以

10-50μL/min的流速注入微流控芯片通道。

4.根据权利要求1或2所述的微流控芯片的应用，其特征在于，所述3D桌面打印机是采用熔融沉积型打印机。

5.根据权利要求1或2所述的微流控芯片的应用，其特征在于，所述细丝的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚乳酸树脂。

6.根据权利要求1或2所述的微流控芯片的应用，其特征在于，所述细丝的直径为0.1-

1mm。

7.根据权利要求1或2所述的微流控芯片的应用，其特征在于，步骤二中，所述将细丝固定到基底上是指：采用PDMS胶体固定或取微量的细丝紧贴在基底放置。

8.根据权利要求1或2所述的微流控芯片的应用，其特征在于，步骤二中，浇筑PDMS胶体时，细丝需要与基底完全固定后进行浇筑。

说明书

基于3D打印技术的微流控芯片制备方法及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微流控芯片制备方法，具体地说，涉及一种基于桌面3D打印技术的微流控芯片的快速制备方法及其应用。

背景技术

[0002] 微流控系统是对微小体积液体(10-9–10-18L)在几十到几百微米管道内操控的过程,该技术在生物医学，环境监控，食品安全具有非常广泛的应用前景。微流控器件具备下列优点，体积小，减少试剂消耗，多样品平行检测等优点。然而，传统的微流控芯片制备需要制备掩膜版、甩胶、光刻、显影等复杂工艺完成，其制备工艺复杂，制备周期长，成本高，对加工技术要求高,需要在净化间内完成。

发明内容

[0003] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于3D打印技术的微流控芯片制备方法及其应用。

[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 第一方面，本发明涉及一种基于3D打印技术的微流控芯片制备方法，所述方法包括如下步骤：

[0006] 步骤一，采用三维绘图软件设计微流控管道，通过3D桌面打印机打印出细丝，作为微流控芯片通道模板；

[0007] 步骤二，将打印出的细丝转移到表面皿中，将细丝固定到基底上，待固定后，然后浇筑PDMS胶体，固化，脱模，打孔，键合制备微流控芯片。

[0008] 优选的，所述3D桌面打印机是采用熔融沉积型打印机。

[0009] 优选的，所述细丝的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚乳酸树脂。

[0010] 优选的，所述细丝的直径为0.1-1mm。

[0011] 优选的，步骤二中，所述将细丝固定到基底上是指：采用PDMS胶体固定或取微量的细丝紧贴在基底放置。

[0012] 优选的，步骤二中，浇筑PDMS胶体时，细丝需要与基底完全固定后进行浇筑。

[0013] 第二方面，本发明还涉及前述方法制备的微流控芯片的应用，将所述基于3D打印技术制备的微流控芯片应用于三聚氰胺中的表面增强拉曼拉曼检测。

[0014] 优选的，所述微流控芯片在表面增强拉曼检测应用，具体包括如下步骤：

[0015] 第一步，采用上述3D打印工艺制备微流控芯片，在管道中间设计一个小长方体；

[0016] 第二步，在微流控芯片小长方体部位制备具有多孔状的整体柱；

[0017] 第三步，在微流控芯片管道内进行银微球固定，利用管道内制备的多孔状整体柱对银微球的物理阻挡，实现银微球在微流控芯片整体柱前固定；

[0018] 第四步，采用上述第三步得到的含有固定银微球的微流控芯片对三聚氰胺表面增强拉曼检测：采用注射泵将含有三聚氰胺样品溶液以2-20μL/min注入到微流控芯片，利用芯片中银微球对三聚氰胺的吸附，进行对样品中三聚氰胺的富集，最后，采用表面增强拉曼对吸附在银微球上的三聚氰胺进行拉曼检测。

[0019] 优选的，所述第二步，具体步骤：

[0020] 步骤1，制备整体柱溶液：采用甲基丙烯酸缩水甘油酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、邻苯二甲酸二正辛酯，按照重量比2：3：5混合，再加入混合物总重量5％的光引发剂二羟甲基丙酸，超声混合，放置4℃冰箱保存；

[0021] 步骤2，将整体柱溶液采用移液枪注入到微流控芯片管道内，并充满整微流控芯片管道；

[0022] 步骤3，采用紫外点光源对注入整体柱溶液后的微流控芯片小长方体处进行紫外曝光时间60s，其整体柱溶液曝光区域固化，与微流控芯片管道整合一体；

[0023] 步骤4，分别采用甲醇、丙酮和水通过注射泵以2-50μL/min洗涤10-30min，除去未参与反应的整体柱溶液以及洗涤掉固化后整体柱中的苯二甲酸二正辛酯，即得到具有多孔状整体柱的微流控芯片，其所得整体柱为多孔结构，其孔径大小在1μm内。

[0024] 优选的，所述第三步，具体为：采用的银微球大小为1-2μm，将5μL分散在甲醇中的银微球注入微流控芯片管道，采用甲醇以10-50μL/min的流速注入微流控芯片通道。

[0025] 本发明上述芯片可以应用于医学诊断，环境监控，食品安全等的检测领域，比如检测食品中三聚氰胺，杀虫剂、水环境中的重金属，临床生物样本、致病菌检测等。

[0026] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0027] (1)本发明采用桌面3D打印细丝作为微流控芯片通道，然后浇筑PDMS，制备微流控芯片，该方法非常简单、方便、制备成本低，一般实验室条件下均可完成，并将其应用于表面增强拉曼检测。

[0028] (2)本发明制备加工方便，无需采用复杂的工艺设备，省却了大量繁琐的微加工工艺；设计更加灵活，生产制备周期显著缩短；可以快速批量生产，成本极低，所用耗材少；操作方便，非专业人员亦可以迅速掌握。

附图说明

[0029] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0030] 图1为本发明实施例1采用3D-max绘图软件设计微流控管道效果图；

[0031] 图2为本发明实施例1基于3D打印制备的细丝在表面皿基底上的固定实物图；

[0032] 图3为本发明采用3D打印技术制备的微流控芯片结构示意图；

[0033] 图4为本发明实施例1采用3D打印技术制备的微流控芯片实物图；

[0034] 图5为本发明实施例1中银微球在微流控整体柱芯片的固定显微照片；

[0035] 图6为本发明实施例1中检测二巯基吡啶拉曼信号结果；

[0036] 图7为本发明实施例1中采用表面增强拉曼检测在微流控整体柱检测三聚氰胺结果。

具体实施方式

[0037] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0038] 实施例1

[0039] 本实施例涉及一种基于3D打印技术的微流控芯片制备方法，所述方法包括如下步骤：

[0040] 步骤一，采用三维绘图软件设计微流控管道，该管道设计如图1所示，采用熔融沉积3D打印出微流控通道线条，线条的直径范围0.5-1mm，将打印出的线条细丝裁割成芯片通道；

[0041] 步骤二，然后转移到表面皿中,通过少许PDMS胶体，将其固定到基底上，如图2，在表面皿中浇筑PDMS胶体，放置80度烘箱2h，固化脱模，打孔键合，制备微流控芯片；

[0042] 上述制备的微流控芯片在表面增强拉曼检测应用，具体包括如下步骤：

[0043] 第一步，基于3D打印制备的微流控芯片结果示意图如图3所示，微流控芯片设计形状如图1所示，芯片管道长x宽x高＝15mmx0.4x0.3mm,在管道中间设计一个小长方体，其尺寸长x宽x高＝1x0.8x0.3mm；

[0044] 第二步，在微流控芯片小长方体部位制备具有多孔状的整体柱，具体步骤：

[0045] 1，制备整体柱溶液，采用甲基丙烯酸缩水甘油酯，乙二醇二甲基丙烯酸酯，邻苯二甲酸二正辛酯，按照重量比2：3：5混合，再加入其总重量5％的光引发剂二羟甲基丙酸，超声混合，放置4℃冰箱保存；

[0046] 2，将整体柱溶液采用移液枪注入到微流控芯片管道内，并充满整了微流控芯片管道；

[0047] 3，采用紫外点光源对注入整体柱溶液后的微流控芯片小长方体处，进行紫外曝光时间60s，其整体柱溶液曝光区域固化，与微流控芯片管道整合一体；

[0048] 4，分别采用甲醇、丙酮、和水通过注射泵以2-50μL/min洗涤10-30min，除去未参与反应的整体柱溶液以及洗涤掉固化后整体柱中的苯二甲酸二正辛酯，即得到具有多孔状整体柱的微流控芯片，其所得整体柱为多孔结构，其孔径大小在1um内。如图4所示。

[0049] 第三步，在微流控芯片管道内进行银微球固定：采用的银微球大小为1-2um，将5uL分散在甲醇中的银微球注入微流控芯片管道，采用甲醇以10-50ul/min的流速注入微流控芯片通道，利用管道内制备的多孔状整体柱对银微球的物理阻挡，实现银微球在微流控芯片整体柱前固定。如图5所示。

[0050] 第四步，采用含有固定银微球的微流控芯片对富集不同体积的2-巯基吡啶拉曼分子进行表面增强拉曼检测。具体步骤，采用注射泵将将0.1μmol/L的拉曼分子2-巯基吡啶溶液以2-10μL/min的流速注入到含有银微球的微流控整体柱芯片中，在注入不同样品体积(1ul,8ul,12ul,14ul)后所采集拉曼检测信号，如图6。

[0051] 实施例2

[0052] 本实施例涉及一种基于3D打印技术的微流控芯片制备方法，所述方法包括如下步骤：

[0053] 步骤一，采用三维绘图软件设计微流控管道，采用熔融沉积3D打印出微流控通道线条，线条的直径范围0.5-1mm，将打印出的线条细丝裁割成芯片通道；

[0054] 步骤二，然后转移到表面皿中,通过少许PDMS胶体，将其固定到基底上，在表面皿中浇筑PDMS胶体，放置60℃烘箱，过夜，固化脱模，打孔键合，制备微流控芯片；

[0055] 上述制备的微流控芯片在表面增强拉曼检测应用，具体包括如下步骤：

[0056] 第一步，在微流控芯片注入整体柱溶液，采用点光源对微流控芯片设计的小长方体区域进行紫外曝光；

[0057] 第二至第四步，分别采用甲醇、丙酮、水以10-30μL/min流速对整体柱进行洗涤，制备微流控整体柱芯片；

[0058] 第五步，将分散在甲醇中的银微球注入到微流控整体柱洗片内，利用整体柱阻挡进行银微球的固定；

[0059] 第六步，将0.1mg/L的三聚氰胺溶液以2-10μL/min的流速注入到含有银微球的微流控整体柱芯片中，在10min后，采集表面增强拉曼检测，结果如图7所示。

[0060] 实施例3

[0061] 本实施例涉及一种基于3D打印技术的微流控芯片制备方法，所述方法包括如下步骤：

[0062] 步骤一，采用三维绘图软件设计微流控管道，采用熔融沉积3D打印出微流控通道线条，线条的直径范围0.1-1mm，将打印出的线条细丝裁割成芯片通道；

[0063] 步骤二，然后转移到表面皿中,通过在线条上涂有少量502胶水，将其固定到基底上，在表面皿中浇筑PDMS胶体，放置60℃烘箱6h，固化脱模，打孔键合，制备微流控芯片,基于3D打印制备的微流控芯片结果示意图如图3所示。

[0064] 上述制备得到的微流控芯片的应用，包括如下步骤：

[0065] 第一步，在微流控芯片注入整体柱溶液，采用点光源对小长方体区域进行紫外曝光；

[0066] 第二步，分别采用甲醇、丙酮、水以10-30μL/min流速对整体柱进行洗涤，制备微流控整体柱芯片；

[0067] 第三步，将磁珠注入到微流控整体柱洗片内，利用整体柱阻挡进行磁珠的固定；

[0068] 第四步，将0.01mg/L三聚氰胺溶液，以5μL/min流速注入微流控芯片进行30min富集；

[0069] 第五步，采用表面增强拉曼检测富集在银微球表面的三聚氰胺，平行测试3次。

[0070] 本发明上述的基于熔融沉积3D打印技术制备的微流控芯片方法，该方法制备简单，快速加工，成本非常低廉，且无需复杂的微加工如光刻、显影等工艺，普通实验条件下亦可以完成对微流控芯片的制备。并将该芯片应用于表面增强拉曼检测和化学发光检测。该微流控芯片制备便于推广，可广泛用于在人类健康，食品安全，环境检测，医学诊断等领域。

[0071] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。