本發(fā)明涉及微流控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置及制備方法。

背景技術(shù)：

2007年Whitesides等(Angew.Chem.,Int.Ed.,2007,46,1318)首次提出微流紙基分析裝置(μPADs)，因試劑消耗少、體積小、便攜帶和成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被迅速發(fā)展，并用于重金屬、核酸、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、病原體、癌癥標(biāo)記物和血液等復(fù)雜樣品的精細(xì)分析(Anal.Chem.,2015,87,19)。隨著對(duì)μPADs的多功能集成化、操作簡(jiǎn)單化和分析過程自動(dòng)化的需求，更多的操作單元如生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程中樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測(cè)等步驟將被集成在紙基芯片上。然而，毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)(Edward W.Washburn,Phys.Rev.,1921,17,273)液體在紙通道中流動(dòng)，但液流移動(dòng)非常緩慢，導(dǎo)致分析檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)、還伴隨諸多次生問題，如過多溶液揮發(fā)引起定量分析偏差等，限制了具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多功能單元μPADs的應(yīng)用。此外，紙基通道對(duì)傳輸液流不同成份的吸附和層析作用存在，不利于兩種溶液的混合、傳輸及反應(yīng)等單元的集成。因此，對(duì)紙基通道液體流動(dòng)的操控，特別是液流快速傳輸及溶液混合，是μPADs實(shí)現(xiàn)多功能單元集成的關(guān)鍵。

為了提高液流在紙基通道中的流速，Jahanshahi-Anbuhi等通過 在親水的紙基通道的上下表面涂布柔性薄膜，使紙通道中液流速度提高了10倍(Lab Chip,2012,12,5079)。Crooks等發(fā)明了一種由蠟疏水通道的頂層、空心通道的中間層和親水紙通道的底層組成的三層立體中空的液流通道，使流速提高7倍(J.Am.Chem.Soc.,2014,136,4616)。Giokas等使用機(jī)械刀在親水的紙通道表面切割出一條不穿透的淺微溝，可提高流速3倍(Anal.Chem.,2014,86,6202)。最近Martinez等發(fā)展了一種堆疊的兩層結(jié)構(gòu)的紙基通道可以使流速提高2倍(Lab Chip,2015,15,4461)。這些具有特殊結(jié)構(gòu)的紙基通道都是在無需外力驅(qū)動(dòng)改善液體流速，但對(duì)多功能單元μPADs的液流速率提高顯然還是不夠的，而且前述方法還不同程度地增加了紙基裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。Whitesides課題組使用機(jī)械刀在疏水紙表面切割出微米級(jí)的溝槽，經(jīng)過膠帶封裝，再通過注射泵壓力驅(qū)動(dòng)液體快速流動(dòng)(Lab Chip,2013,13,2922)，該方法雖然極大地提高了液流速度，但必須外加泵裝置，這就弱化了μPADs體積小、便攜帶和成本低等優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)展具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高速液流的自驅(qū)動(dòng)紙基通道，對(duì)于發(fā)展多功能單元μPED集成、擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)在改善紙基通道流速時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、且流速提高不足，需外加驅(qū)動(dòng)泵等的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置及制備方法，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)CC-μPADs將激光雕刻技術(shù)用于紙基微流芯片加工，在絲網(wǎng)印刷PDMS親水紙基通道中激光刻蝕出所需數(shù)量的平行印刷通道軸向的陣列微縫，通過 調(diào)整微縫數(shù)目可獲得不同的液流速度；對(duì)于包含多層液流通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在T型通道連接處設(shè)計(jì)陣列微縫的不同連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多種微液流流型，來滿足對(duì)液體流型和傳輸速度的應(yīng)用需求，極大地提高了無外力驅(qū)動(dòng)下的紙基通道中的液流速率，克服了單純印刷紙通道中流速極慢的缺陷。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置，包括在紙基上加工的親水結(jié)構(gòu)，以及與親水結(jié)構(gòu)的通道位置相契合的、平行于通道軸向激光刻蝕的微縫結(jié)構(gòu)，所述的微縫結(jié)構(gòu)是陣列微縫且均勻分布在親水結(jié)構(gòu)的通道內(nèi)。

所述的紙基上加工的親水結(jié)構(gòu)，加工方法應(yīng)用但不局限于PDMS絲網(wǎng)印刷、光刻法、噴蠟打印法或等離子疏水法。

所述的一種自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置，簡(jiǎn)稱LCC-μPADs，包括3種類型，分別為：LCC-紙基直通道微流芯片即芯片-A、T型微縫結(jié)構(gòu)LCC-紙基多單元陣列分流芯片即芯片-B、LCC-紙基微流稀釋芯片即芯片-C；

所述的LCC-紙基直通道微流芯片即芯片-A，包括紙基親水結(jié)構(gòu)I，在紙基親水結(jié)構(gòu)I的紙基親水直通道5相契合的位置設(shè)置有包含著陣列平行的激光刻蝕直微縫19；

所述的T型微縫結(jié)構(gòu)LCC-紙基多單元陣列分流芯片即芯片-B，包括紙基親水結(jié)構(gòu)II，紙基親水結(jié)構(gòu)II中包括八個(gè)陣列親水分流的二級(jí)通道，在二級(jí)通道的直通道內(nèi)設(shè)置有八條激光刻蝕平行陣列的直微 縫20，在二級(jí)通道的彎通道位置設(shè)置有八條陣列弧形平行的微縫21，在T型通道位置8處設(shè)置有包含上游下游微縫連接的8種結(jié)構(gòu)，所述的8種微縫結(jié)構(gòu)分別是間隔連接型22、遠(yuǎn)邊沿連接型23、中間連接型24、近邊沿連接型25、交叉連接型26、不連接型27、貫穿不連接型28和側(cè)邊連接型29；

所述的LCC-紙基微流稀釋芯片即芯片-C，包括紙基親水結(jié)構(gòu)III，紙基親水結(jié)構(gòu)III包括六級(jí)稀釋親水通道11，六級(jí)稀釋親水通道11的直通道內(nèi)設(shè)置有包含平行陣列的八條微縫的直微縫，T型通道位置設(shè)計(jì)中間連接型的微縫結(jié)構(gòu)30。

一種自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、制作激光刻蝕微縫-紙基微流裝置LCC-μPADs的芯片結(jié)構(gòu)

(1.1)、用繪圖軟件分別繪制三種芯片的紙基親水結(jié)構(gòu)I、II和III作為PDMS絲網(wǎng)印刷疏水障礙的網(wǎng)版圖，所述的三種芯片分別為：LCC-紙基直通道微流芯片即芯片-A、T型微縫結(jié)構(gòu)LCC-紙基多單元陣列分流芯片即芯片-B、LCC-紙基微流稀釋芯片即芯片-C；所述的紙基親水結(jié)構(gòu)包括但不局限PDMS絲網(wǎng)印刷、光刻法、噴蠟打印法或等離子疏水法加工獲得；

(1.2)再刻蝕與三種芯片的紙基親水通道結(jié)構(gòu)和位置相契合的、平行于通道軸向的激光刻蝕陣列微縫結(jié)構(gòu)IV、V和VI，使陣列微縫均勻分布在親水紙基通道內(nèi)，并把微縫結(jié)構(gòu)IV、V和VI作為激光刻 蝕微縫加工模板圖；

(1.3)、對(duì)芯片-A的微縫結(jié)構(gòu)IV，在紙基親水直通道5相契合的位置設(shè)置有包含著陣列平行的八條激光刻蝕直微縫19；

(1.4)、對(duì)芯片-B的T型LCC微縫結(jié)構(gòu)V，在與紙基親水結(jié)構(gòu)II中的八個(gè)陣列親水分流的二級(jí)通道中相契合的位置，其中在直通道內(nèi)設(shè)置八條激光刻蝕平行陣列的直微縫20，在其中的彎通道位置刻蝕八條陣列弧形平行的微縫21，在其中的T型通道位置8設(shè)置包含上游下游微縫連接的8種結(jié)構(gòu)，所述的8種結(jié)構(gòu)分別是間隔連接型22、遠(yuǎn)邊沿連接型23、中間連接型24、近邊沿連接型25、交叉連接型26、不連接型27、貫穿不連接型28和側(cè)邊連接型29；

(1.5)、對(duì)芯片-C的微縫結(jié)構(gòu)VI，在紙基親水結(jié)構(gòu)單元III的紙基六級(jí)稀釋親水通道11內(nèi)相契合的位置，其中直通道內(nèi)設(shè)置有包含平行陣列的八條微縫的直微縫、T型通道位置設(shè)置中間連接型的微縫結(jié)構(gòu)30；

所述的上游下游微縫連接的8種結(jié)構(gòu)的連接方式包括但不限于所列的8種結(jié)構(gòu)，改變紙基通道內(nèi)微縫數(shù)量、上游下游微縫間相連接的微縫數(shù)目及連接微縫的排列方式，均能夠調(diào)節(jié)T型位置的微縫連接結(jié)構(gòu)以獲得不同的特征流型，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)流型的不同需求；

步驟二、制作激光刻蝕微縫-紙基微流裝置LCC-μPADs

(2.1)、在激光刻蝕開始前，需對(duì)紙基親水結(jié)構(gòu)I、II和III的通道位置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)調(diào)整，以確保激光加工開始后，刻蝕的微縫IV、V和VI均勻分布于紙基通道內(nèi)，且微縫不能超出通道兩側(cè)的疏水邊緣；

(2.2)、設(shè)定激光刻蝕儀的相應(yīng)加工參數(shù)，激光強(qiáng)度越大、刻蝕速度越慢，刻蝕紙基上的微縫越深、越寬，調(diào)整激光強(qiáng)度和刻蝕速度獲得不同深度及寬度的紙基微縫，當(dāng)采用Whatman 1號(hào)色譜紙時(shí)，所采用的激光強(qiáng)度是Universal VLS2.30激光刻蝕儀最大強(qiáng)度的16％、刻蝕速度為Universal VLS2.30激光刻蝕儀最大刻蝕速度的70％；

(2.3)、激光刻蝕紙基微縫：在芯片的正面，依據(jù)步驟(1.3)的紙基直通道微縫結(jié)構(gòu)IV，步驟(1.4)的紙基多單元陣列分流芯片的微縫結(jié)構(gòu)V，步驟(1.5)的LCC-紙基微流稀釋芯片的微縫結(jié)構(gòu)VI，作為激光刻蝕微縫加工模板，分別用激光刻蝕出3種芯片紙基通道內(nèi)的陣列微縫；得到自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置。

所述的紙基包括色譜紙、過濾紙、卡片紙、吸水紙、打印紙、具有不同親水性、厚度和孔隙率的紙或膜，通過激光刻蝕儀用于加工激光刻蝕微縫-紙基微流裝置LCC-μPADs，以滿足紙基微流芯片的不同應(yīng)用需求。

本發(fā)明自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫(Laser carved micro-crack,LCC)-紙基微流裝置(μPADs)，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)CC-μPADs，不僅結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且無需借助外加輔助驅(qū)動(dòng)設(shè)備，特別適用于高粘性和高揮發(fā)性液體；本發(fā)明中激光雕刻微縫-紙基多級(jí)通道配合T型位置的中間連接型微縫連接結(jié)構(gòu)，能夠高效快速混合不同試劑并形成濃度梯度和pH梯度，可用于比色測(cè)定、梯度洗脫、高通量藥物篩選及藥效測(cè)試等領(lǐng)域，為生命科學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的快速高效分析測(cè)定提供了一種新μPADs和加工方法。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明揭示了在印刷紙基通道內(nèi)，進(jìn)一步激光刻蝕平行陣列的數(shù)條微縫，實(shí)現(xiàn)超快液流傳輸?shù)男聶C(jī)理，一方面在于通過激光精確控制燒蝕紙纖維，增加等效孔徑來減少紙通道液流的阻力；另一方面LCC-紙基通道內(nèi)平行陣列微縫間的紙基微帶，要比單純PDMS紙基通道具有更大的紙基微帶親水邊緣，從而增大了對(duì)液流的驅(qū)動(dòng)力。

(2)本發(fā)明公布的在傳統(tǒng)PDMS絲網(wǎng)印刷紙基通道內(nèi)再用激光刻蝕平行陣列的數(shù)條微縫(LCC)，形成一種新型的LCC-紙基自驅(qū)動(dòng)溶液通道，極大地提高溶液在紙基通道中的流動(dòng)速度。水溶液自動(dòng)流過8微縫的3mm寬4cm長(zhǎng)的紙基LCC直通道只需6.58s，比同質(zhì)底同尺寸的單純印刷紙基通道(流經(jīng)所需時(shí)間392.3s)提高了59倍。

(3)本發(fā)明公布的LCC-紙基通道特別適合高粘度和高揮發(fā)性溶液在紙基通道中的傳輸。高粘度乙二醇溶液和高揮發(fā)丙酮溶液分別流過4cm和1.0cm長(zhǎng)的8微縫3mm寬LCC-紙基通道，與單純印刷紙基通道相比，它們的流速分別提高了91.6倍和81.4倍。LCC-紙基通道為高粘度和高揮發(fā)性溶液在紙基芯片傳輸創(chuàng)造了條件。

(4)本發(fā)明顯示在紙基通道內(nèi)激光刻蝕0-12條不同數(shù)目的平行陣列微縫，可獲得不同程度的流速提升，實(shí)現(xiàn)一種新的自動(dòng)操控液流的方式，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

(5)本發(fā)明公布了一種具有中間連接型微縫連接結(jié)構(gòu)的六級(jí)LCC-紙基微流稀釋芯片，該裝置形成有效的濃度梯度和pH梯度分別只需123s和171s。

(6)本發(fā)明公布了在紙基通道上下游T型位置的分叉微縫的多種連接結(jié)構(gòu)，它們可以用來產(chǎn)生一系列對(duì)稱程度不同的多種復(fù)雜的特征流型，來滿足生化、生命、環(huán)境和空間分析應(yīng)用對(duì)液體流型的多種需求。

附圖說明

圖1是LCC-μPADs的PDMS絲網(wǎng)印刷結(jié)構(gòu)示意圖，(I)用于LCC-紙基直通道微流芯片的疏水障礙結(jié)構(gòu)；(II)用于LCC-紙基多單元陣列分流芯片的疏水障礙結(jié)構(gòu)；(III)用于LCC-紙基微流稀釋芯片的疏水障礙結(jié)構(gòu)。

圖2A是LCC-μPADs的激光刻蝕微縫結(jié)構(gòu)示意圖，(IV)用于LCC-紙基直通道微流芯片的微縫結(jié)構(gòu)；(V)用于LCC-紙基多單元陣列分流芯片的微縫結(jié)構(gòu)；(VI)用于LCC-紙基微流稀釋芯片的微縫結(jié)構(gòu)。

圖2B是LCC-紙基多單元陣列分流芯片(V)的T型通道位置處放大的微縫連接結(jié)構(gòu)的示意圖，圖2B中放大的微縫連接結(jié)構(gòu)與圖2A中T型通道位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系依次為，31-22、32-23、33-24、34-25、35-26、36-27、37-28和38-29。

圖3A是LCC-紙基通道的加工過程及微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3B是LCC-紙基通道和單純PDMS印刷紙基通道的實(shí)物照片及顯微鏡放大圖，(VII)8條微縫的LCC-紙基通道實(shí)物圖；(VIII)12條微縫的LCC-紙基通道實(shí)物圖；(IX)單純PDMS印刷紙基通道實(shí)物圖；(X)8條微縫的LCC-紙基通道的顯微鏡放大圖；(XI)12 條微縫的LCC-紙基通道的顯微鏡放大圖。

圖4A是包含2-12條激光刻蝕微縫的LCC-紙通道的局域平均流速-距離曲線圖。

圖4B是LCC-紙通道的液流速率提高倍數(shù)-微縫數(shù)目曲線圖，注：流速提高倍數(shù)指水溶液在LCC-紙通道內(nèi)的流速與其在單純PDMS印刷紙基通道內(nèi)流速的比值。

圖5A是5種高粘度和高揮發(fā)溶液在兩種紙基通道中流動(dòng)速度比較，①液流在單純PDMS印刷紙基通道中流動(dòng)的時(shí)間-距離曲線圖；②液流在8條微縫LCC-紙通道中流動(dòng)的時(shí)間-距離曲線圖。

圖5B是5種高粘度和高揮發(fā)溶液在LCC-紙通道中的局域速率提高倍數(shù)-距離曲線圖，注：1)局域速率指液流前緣從紙基通道入口每流過0.5cm的平均速度；2)局域速率提高倍數(shù)指溶液在LCC-紙通道內(nèi)的局域流速與其在單純PDMS印刷紙基通道內(nèi)的局域流速的比值。

圖6是LCC-紙基多單元陣列分流芯片中的8種微縫結(jié)構(gòu)的特征流型實(shí)物圖，中間為紙基芯片上的8個(gè)陣列二級(jí)分流通道整體流型圖；外圍44-51為在水平放置的紙基芯片通過共同進(jìn)樣區(qū)加樣后，液流前緣經(jīng)過第一級(jí)連接結(jié)構(gòu)微縫的T型通道位置時(shí)流型的放大圖。

圖7是LCC-紙基微流稀釋芯片和同質(zhì)同尺寸的單純PDMS印刷微流芯片的濃度梯度(混合)效果比較，(a-c)為L(zhǎng)CC-紙基微流稀釋芯片的兩種染料混合效果；(d-f)為單純PDMS印刷微流芯片的兩種染料混合效果。

圖8是LCC-紙基微流控稀釋芯片形成pH梯度的實(shí)物照片，(a)兩個(gè)上樣區(qū)同時(shí)加樣時(shí)刻；(b)加樣后171s形成pH梯度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)敘述。

一種自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置，包括在紙基上加工的親水結(jié)構(gòu)，以及與親水結(jié)構(gòu)的通道位置相契合的、平行于通道軸向激光刻蝕的微縫結(jié)構(gòu)，所述的微縫結(jié)構(gòu)是陣列微縫且均勻分布在親水結(jié)構(gòu)的通道內(nèi)。

所述的紙基上加工的親水結(jié)構(gòu)，加工方法應(yīng)用但不局限于PDMS絲網(wǎng)印刷、光刻法、噴蠟打印法或等離子疏水法。

所述的一種自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置，包括3種類型，分別為：LCC-紙基直通道微流芯片即芯片-A、T型微縫結(jié)構(gòu)LCC-紙基多單元陣列分流芯片即芯片-B、LCC-紙基微流稀釋芯片即芯片-C；

所述的LCC-紙基直通道微流芯片即芯片-A、包括紙基親水結(jié)構(gòu)I，在紙基親水結(jié)構(gòu)I的紙基親水直通道5(3cm寬、4cm長(zhǎng))相契合的位置設(shè)置有包含著陣列平行的激光刻蝕直微縫19，每條微縫3約100μm寬、180μm深、相鄰微縫間的間隔約為250μm的紙基微帶2。設(shè)計(jì)不同數(shù)目的平行微縫(如2、4、6、8、10、12條等)，以便獲得具有不同流速的LCC-紙基通道。微縫的寬度、深度及相鄰微縫間間隔的尺寸，均可在合理范圍內(nèi)調(diào)整，不限于所列尺寸和數(shù)目；

所述的T型微縫結(jié)構(gòu)LCC-紙基多單元陣列分流芯片即芯片-B， 包括紙基親水結(jié)構(gòu)II，紙基親水結(jié)構(gòu)II中包括八個(gè)陣列親水分流的二級(jí)通道(3cm寬)，在直通道內(nèi)設(shè)置有八條激光刻蝕平行陣列的直微縫20，在彎通道位置設(shè)置有八條陣列弧形平行的微縫21，在T型通道位置8處設(shè)置有包含上游下游微縫連接的8種結(jié)構(gòu)，所述的8種結(jié)構(gòu)分別是間隔連接型22(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的31)、遠(yuǎn)邊沿連接型23(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的32)、中間連接型24(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的33)、近邊沿連接型25(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的34)、交叉連接型26(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的35)、不連接型27(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的36)、貫穿不連接型28(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的37)和側(cè)邊連接型29(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的38)；

所述的LCC-紙基微流稀釋芯片即芯片-C，包括紙基親水結(jié)構(gòu)III，紙基親水結(jié)構(gòu)III包括六級(jí)稀釋親水通道11，六級(jí)稀釋親水通道11的直通道內(nèi)設(shè)置有包含平行陣列的八條微縫的直微縫、T型通道位置設(shè)計(jì)中間連接型的微縫結(jié)構(gòu)30。

一種自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、制作激光刻蝕微縫-紙基微流裝置LCC-μPADs的芯片結(jié)構(gòu)

(1.1)、用繪圖軟件CorelDRAW 9分別繪制三種芯片的紙基親水結(jié)構(gòu)I、II和III作為PDMS絲網(wǎng)印刷疏水障礙的網(wǎng)版圖，所述的三種芯片分別為：LCC-紙基直通道微流芯片即芯片-A、T型微縫結(jié)構(gòu)LCC-紙基多單元陣列分流芯片即芯片-B、LCC-紙基微流稀釋芯片 即芯片-C；所述的紙基親水結(jié)構(gòu)包括但不局限PDMS絲網(wǎng)印刷、光刻法、噴蠟打印法或等離子疏水法加工獲得；

芯片-A的紙基親水結(jié)構(gòu)I包含1cm×1cm進(jìn)樣區(qū)4、4cm×3mm直通道5、1cm×1cm出口區(qū)6，見圖1(I)。芯片-B的紙基親水結(jié)構(gòu)II包含直徑1.5cm的圓形進(jìn)樣區(qū)7、對(duì)稱分布于進(jìn)樣區(qū)周圍的八個(gè)3mm寬陣列二級(jí)分級(jí)通道8，見圖1(II)。芯片-C的紙基親水結(jié)構(gòu)III包含1cm×1cm進(jìn)樣區(qū)9和10、一個(gè)3mm寬六級(jí)稀釋通道11、多個(gè)T型通道12，六個(gè)3mm×3mm梯度稀釋出口區(qū)13-18，見圖1(III)；

(1.2)再用繪圖軟件CorelDRAW 9繪制與三種芯片的紙基親水通道結(jié)構(gòu)和位置相契合的、平行于通道軸向的激光刻蝕陣列微縫結(jié)構(gòu)IV、V和VI，使陣列微縫均勻分布在親水紙基通道內(nèi)，并把微縫結(jié)構(gòu)IV、V和VI作為激光刻蝕微縫加工模板圖；

(1.3)、對(duì)芯片-A的微縫結(jié)構(gòu)IV，在紙基親水直通道5(3cm寬、4cm長(zhǎng))相契合的位置設(shè)置有包含著陣列平行的八條激光刻蝕直微縫19，每條微縫3約100μm寬、180μm深、相鄰微縫間的間隔約為250μm的紙基微帶2，為獲得具有不同流速的LCC-紙基通道，芯片-A的直通道中分別刻蝕了包含2、4、6、8、10和12條的平行陣列直微縫，每條直微縫的長(zhǎng)、寬和深均為4cm、100μm和180μm，其結(jié)構(gòu)僅以陣列8條直微縫19為例顯示在圖2(IV)中；

(1.4)、對(duì)芯片-B的T型LCC微縫結(jié)構(gòu)V，在與紙基親水結(jié)構(gòu)II中的八個(gè)陣列親水分流的二級(jí)通道(3cm寬)中相契合的位置，其 中在直通道內(nèi)設(shè)置有八條激光刻蝕平行陣列的直微縫20，在其中的彎通道位置設(shè)置八條陣列弧形平行的微縫21，在其中的T型通道位置8設(shè)置有包含上游下游微縫連接的8種結(jié)構(gòu)，所述的8種結(jié)構(gòu)分別是間隔連接型22(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的31)、遠(yuǎn)邊沿連接型23(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的32)、中間連接型24(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的33)、近邊沿連接型25(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的34)、交叉連接型26(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的35)、不連接型27(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的36)、貫穿不連接型28(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的37)和側(cè)邊連接型29(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的38)；其中每條微縫的長(zhǎng)、寬和深均為4cm、100μm和180μm。整體微縫結(jié)構(gòu)見圖2(V)。T型通道位置處八種微縫的連接結(jié)構(gòu)放大的示意圖見圖2B，圖2B中放大的微縫連接結(jié)構(gòu)與圖2A中T型通道位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系依次為，31-22、32-23、33-24、34-25、35-26、36-27、37-28和38-29；

所述的上游下游微縫連接的8種結(jié)構(gòu)的連接方式包括但不限于所列的8種結(jié)構(gòu)，改變紙基通道內(nèi)微縫數(shù)量、上游下游微縫間相連接的微縫數(shù)目及連接微縫的排列方式，均能夠調(diào)節(jié)T型位置的微縫連接結(jié)構(gòu)以獲得不同的特征流型，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)流型的不同需求；

(1.5)、對(duì)芯片-C的微縫結(jié)構(gòu)VI，在紙基親水結(jié)構(gòu)單元III的紙基六級(jí)稀釋親水通道11(3cm寬)內(nèi)相契合的位置，其中直通道內(nèi)包含平行陣列的八條微縫的直微縫、T型通道位置設(shè)置中間連接型的微縫結(jié)構(gòu)30；整體微縫結(jié)構(gòu)見圖2(VI)。上述微縫結(jié)構(gòu)IV、V和VI作為三種芯片的激光刻蝕微縫加工模板圖；

步驟二、制作3種LCC-μPADs，其加工步驟及LCC-紙基通道微觀結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D3A

依據(jù)上述步驟(1.1)加工250目絲網(wǎng)印刷網(wǎng)板，用充分混合的質(zhì)量比為8:1的聚二甲基硅氧烷PDMS與正硅酸乙酯TEOS膠狀混合溶液，在Whatman 1號(hào)色譜紙正面用力均勻的絲網(wǎng)印刷上3種芯片的疏水障礙，形成紙基親水通道的結(jié)構(gòu)，在預(yù)熱的烘箱中150℃下烘干1小時(shí)，得到包含多個(gè)結(jié)構(gòu)單元的色譜紙正面向上置于激光刻蝕儀加工腔室中，過程見圖3A的左圖；

(2.1)、在激光刻蝕開始前，需對(duì)紙基親水結(jié)構(gòu)I、II和III的通道位置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)調(diào)整，以確保激光加工開始后，刻蝕的微縫IV、V和VI按設(shè)計(jì)的要求均勻分布于紙基通道內(nèi)，且微縫不能超出通道兩側(cè)的疏水邊緣；

(2.2)、設(shè)定激光刻蝕儀的相應(yīng)加工參數(shù)，激光強(qiáng)度越大、刻蝕速度越慢，刻蝕紙基上的微縫越深、越寬，調(diào)整激光強(qiáng)度和刻蝕速度獲得不同深度及寬度的紙基微縫，當(dāng)采用Whatman 1號(hào)色譜紙時(shí)，所采用的激光強(qiáng)度是Universal VLS2.30激光刻蝕儀最大強(qiáng)度的16％、刻蝕速度為Universal VLS2.30激光刻蝕儀最大刻蝕速度的70％。選取但不限于該設(shè)定值?？舍槍?duì)具體流速要求在1％-100％范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度和刻蝕速度；

(2.3)、激光刻蝕紙基微縫：在芯片的正面，依據(jù)(1.3)的紙基直通道微縫結(jié)構(gòu)IV，步驟(1.4)的紙基多單元陣列分流芯片的微縫結(jié)構(gòu)V，步驟(1.5)的LCC-紙基微流稀釋芯片的微縫結(jié)構(gòu)VI，作為 激光刻蝕微縫加工模板，分別用激光刻蝕出3種芯片紙基通道內(nèi)的陣列微縫，過程見圖3A的中圖，這里不限于上述三種微縫結(jié)構(gòu)；得到自驅(qū)動(dòng)超高流速激光刻蝕微縫-紙基微流裝置；

通過激光刻蝕加工獲得包含PDMS疏水障礙1、交替相連的約250μm寬的紙基微條帶2、穿透紙基的100μm寬180μm深的微縫3的LCC-紙基通道，結(jié)構(gòu)示意見圖3A的右圖。8條和12條微縫的LCC-紙基通道照片(VII和VIII)及對(duì)應(yīng)的顯微放大(IX和X)，單純PDMS絲網(wǎng)印刷紙通道實(shí)物(XI)見圖3B；

所述的紙基包括色譜紙、過濾紙、卡片紙、吸水紙、打印紙、具有不同親水性、厚度和孔隙率的紙或膜，通過激光刻蝕儀用于加工LCC-μPADs，以滿足紙基微流芯片的不同應(yīng)用需求。

本實(shí)施例所得的激光刻蝕微縫-紙基微流裝置LCC-μPADs的流速、流型及稀釋效果：

(1)、最簡(jiǎn)單的LCC-紙基直通道微流芯片(芯片-A)可以用于證實(shí)陣列微縫條數(shù)顯著加速液流的重要發(fā)現(xiàn)。在芯片-A的進(jìn)樣區(qū)4滴加50μL的0.5mM羅丹明B水溶液，通過數(shù)碼相機(jī)拍攝溶液在包含2、4、6、8、10、12條微縫的4cm長(zhǎng)的紙基直通道中的流動(dòng)情況，從通道入口至出口每間隔0.5cm的距離記錄液體流經(jīng)所需的時(shí)間，測(cè)定包含不同數(shù)目微縫的LCC-紙基通道對(duì)液流速度的提高倍數(shù)。

本實(shí)施例結(jié)果分析，由LCC-紙基通道中液流移動(dòng)前緣的局域平均流速-距離曲線圖4A可知，包含2-10條微縫的LCC-紙基通道中，液流速度隨著遷移距離的增長(zhǎng)而減小，在流經(jīng)同一距離時(shí)隨著微縫數(shù) 目增加而加快。對(duì)于12條微縫的LCC-紙基通道，在激光刻蝕過程中，由于在3mm寬的紙基通道中陣列過于密集的微縫，部分紙基微條帶破壞或卷曲，不能形成完整的交替相連的紙基微條帶和微縫結(jié)構(gòu)，如圖3B(VIII和XI)所示，因此該紙基通道中流速不穩(wěn)定且相對(duì)較慢。由LCC-紙通道的液流速率提高倍數(shù)-微縫數(shù)目曲線圖4B可知，4cm長(zhǎng)×3mm寬的LCC-紙基直通道中平行陣列8條微縫時(shí)，液流具有最快的流速，水溶液流過整個(gè)通道只需6.58s(在單純PDMS印刷紙基通道中需392.3s)，其流速提高了59倍。

LCC-紙基直通道實(shí)現(xiàn)超快液流傳輸?shù)男聶C(jī)理，一方面在于通過激光精確控制燒蝕紙纖維，增加等效孔徑來減少紙通道液流的阻力；另一方面LCC-紙基通道內(nèi)平行陣列微縫間的紙基微帶，要比單純PDMS紙基通道具有更大的紙基微帶親水邊緣，從而增大了對(duì)液流的驅(qū)動(dòng)力。在紙基通道內(nèi)激光刻蝕0-12條不同數(shù)目的平行陣列微縫，可獲得不同程度的流速提升，因此在LCC-μPADs實(shí)際應(yīng)用中，可通過調(diào)整微縫數(shù)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操控液流，以滿足對(duì)不同液流速度的需求；

(2)、LCC-紙基通道不僅極大地提高水溶液的自動(dòng)傳輸、還非常適合高粘度和高揮發(fā)性溶液的傳輸。在紙基通道中包含0和8條微縫的芯片-A的進(jìn)樣區(qū)4分別滴加50μL具有不同粘度和揮發(fā)度的溶劑(乙二醇、二甲亞砜、乙醇和丙酮)，每隔0.5cm記錄液流移動(dòng)所需時(shí)間，測(cè)定高粘度和高揮發(fā)性溶液在該LCC-紙基通道中的流速的提高倍數(shù)。

本實(shí)施例結(jié)果分析，由5種高粘度和高揮發(fā)溶液在兩種紙基通道 中流動(dòng)速度比較圖5A可知，在單純PDMS印刷紙基通道中(圖5A①)，由于流速緩慢，高揮發(fā)性溶液丙酮和乙醇在分別經(jīng)過79s和303s流到通道1.0cm和3.0cm位置處時(shí)就已完全揮發(fā)，溶劑無法充滿整個(gè)紙基通道。高粘度溶液乙二醇和二甲亞砜由于粘度太大，分別經(jīng)過2200s和1120s后溶液才通過整個(gè)紙基通道。而在LCC-紙基通道中(圖5A②)，高揮發(fā)性溶液和高粘度溶液都快速流經(jīng)整個(gè)4cm長(zhǎng)的LCC-紙基直通道，丙酮、乙醇、乙二醇和二甲亞砜流過整個(gè)通道分別只需7.12s、13.7s、12.2s和79.0s。

由高粘度和高揮發(fā)溶液在LCC-紙通道中的局域速率提高倍數(shù)-距離曲線圖5B可知，對(duì)于不同性質(zhì)的溶液，LCC-紙基通道提高的流速倍數(shù)，隨著溶液移動(dòng)距離的增加。丙酮流過1.0cm的LCC-紙基直通道流速提高81.4倍，乙醇流過3.0cm的該通道流速提高55.2倍。乙二醇和二甲亞砜流過4cm長(zhǎng)的LCC-紙基直通道流速分別提高了27.8倍和91.6倍。此外LCC-紙基通道有效提高了高粘度和高揮發(fā)性溶液在通道中的傳輸距離，極大地?cái)U(kuò)展了紙基芯片應(yīng)用對(duì)象的范圍；

(3)、LCC-紙基多單元陣列分流芯片(芯片-B)用于獲得多種流型。在芯片-B的進(jìn)樣區(qū)7滴加200μL 1％甲基橙溶液，相機(jī)記錄液體在包含不同T型微縫連接結(jié)構(gòu)的八個(gè)陣列二級(jí)分流通道中的流動(dòng)情況。

本實(shí)施例結(jié)果分析，由LCC-紙基多單元陣列分流芯片中的8種微縫結(jié)構(gòu)的特征流型實(shí)物圖6可知，因液流在T型通道的上下游相連微縫(區(qū))的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不連微縫，芯片-B紙基二級(jí)分流通道T 型位置的、8種不同的微縫連接結(jié)構(gòu)22-29(參照放大結(jié)構(gòu)圖中的31-38)，可使溶液在多級(jí)紙基通道的分流過程中形成8種不同的特征流型44-51。

溶液在流過具有間隔連接型T型通道31時(shí)，由于上游和下游微縫間交替相連的結(jié)構(gòu)，液流在紙基通道的寬度方向上較為均勻的分布，且在其下游的左右兩側(cè)通道中流速基本相同44。在遠(yuǎn)邊沿連接型32、中間連接型33和近邊沿連接型34的T型通道中，液流在集中的上游下游微縫相連接部分的流速高于其微縫不相連的部分，因此溶液在通道的寬度方向上具有不同的流速分布45-47。在交叉連接型T型通道35，由于紙基底部分缺失，溶液在流經(jīng)T型通道位置時(shí)停滯下來48。對(duì)于不連接型T型通道36，溶液主要沿著下級(jí)通道的一側(cè)流動(dòng)49。貫穿不連接型T型通道37，由于上游和下游微縫間沒有連接，相較于上游和下游微縫間連接的微縫結(jié)構(gòu)，溶液在流經(jīng)T型通道位置時(shí)流速較慢50。側(cè)邊連接型T型通道38，溶液在微縫連接一側(cè)通道的流速遠(yuǎn)大于微縫不連接的一側(cè)51，從而使溶液在其兩個(gè)下游通道中具有不同流速。

T型通道中的八種不同微縫連接結(jié)構(gòu)導(dǎo)致紙基分流通道的流速?gòu)目斓铰来螢殚g隔連接型44、中間連接型46、近邊沿連接型47、遠(yuǎn)邊沿連接型45、側(cè)邊連接型51、貫穿不連接型50、不連接型49和交叉連接型48。因此通過設(shè)計(jì)加工具有特殊T型微縫連接結(jié)構(gòu)的紙基多級(jí)通道，獲得實(shí)際應(yīng)用中所需流形和流速；

(4)、LCC-紙基微流稀釋芯片能夠快速有效地形成溶液濃度梯 度。在芯片-C的進(jìn)樣區(qū)9和10分別滴加100μL 1％孔雀綠溶液和1％甲基橙溶液，兩種液體經(jīng)過包含多個(gè)中間連接型24微縫連接結(jié)構(gòu)的六級(jí)紙基稀釋通道11的流動(dòng)及混合，在梯度稀釋出口區(qū)13-18獲得由顏色梯度表征的濃度梯度。

本實(shí)施例結(jié)果分析，由LCC-紙基微流稀釋芯片和同質(zhì)同尺寸的單純PDMS印刷微流芯片的濃度梯度(混合)效果比較圖7可知，在單純PDMS印刷的紙基六級(jí)稀釋通道中，紙纖維吸附層析引起甲基橙、孔雀綠染料與水溶劑相分離，溶液在紙基六級(jí)稀釋通道中流動(dòng)極緩(溶液充滿整個(gè)通道需2355s)，同時(shí)無顏色梯度(即濃度梯度)形成，見圖7(a-c)。LCC-紙基T型多級(jí)通道芯片因激光燒蝕掉紙纖維而減小了液流阻力、加快液流、同時(shí)也擬制了通道中紙纖維吸附層析導(dǎo)致溶液組份分區(qū)，兩種溶液流過LCC-紙基六級(jí)稀釋通道并形成濃度梯度只需123s。通道梯度稀釋出口區(qū)漸變的溶液顏色(藍(lán)色-綠色-橙色)表明該通道自驅(qū)動(dòng)快速有效地形成了濃度梯度，見圖7(d-f)；

(5)、LCC-紙基微流稀釋芯片快速高效形成pH梯度。先在芯片-C的梯度稀釋出口區(qū)52-57分別滴加5μL指示不同pH范圍的酸堿指示劑：1％孔雀綠(52和57)、1％甲基橙(53)、1％溴酚紅鈉(54)、1％溴百里酚藍(lán)(55)和1％酚酞(56)，再在進(jìn)樣區(qū)9和10分別滴加100μL的1M鹽酸溶液和1M氫氧化鈉溶液，經(jīng)過六級(jí)稀釋通道的混合作用形成pH梯度，梯度稀釋出口區(qū)58-63包含的酸堿指示劑的顏色變化指示相應(yīng)位置的pH范圍。六個(gè)出口區(qū)包含的酸堿指示劑所指示的pH區(qū)間分別為(52)0.2-1.8、(53)3.2-4.4、(54)5.0-6.8、(55)6.0-6.7、 (6)8.2-10、(57)11.6-14。

本實(shí)施例結(jié)果分析，由LCC-紙基微流控稀釋芯片形成pH梯度的實(shí)物照片圖8可知，梯度稀釋出口區(qū)58-63包含的酸堿指示劑在其指示的pH區(qū)間發(fā)生顏色變化，孔雀綠由綠色變?yōu)辄S綠色(58)，甲基橙由淺黃色變?yōu)榧t色(59)，溴酚紅鈉由淺黃色變?yōu)殚偌t色(60)，溴百里酚藍(lán)由黃色變?yōu)樽仙?61)，酚酞由無色變?yōu)榧t色(62)，孔雀綠由綠色變?yōu)闇\綠色(63)。出口區(qū)溶液的pH值從58至63依次增加，LCC-紙基微流稀釋芯片只需171s就可有效地形成pH梯度。LCC-紙基微流稀釋芯片可用于各種溶液的顏色梯度、濃度梯度和稀釋梯度等形成，用于比色測(cè)定、梯度洗脫、高通量藥物篩選及藥效測(cè)試等領(lǐng)域。