CN103055967A - 一种操作简单、低成本、多通道微流控化学发光纸芯片的制备及在现场检测中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种操作简单、低成本、多通道微流控化学发光纸芯片的制备及其现场检测的方法。采用全打印模式，在一张A4大小的普通滤纸上，批量打印出多个微流控化学发光纸芯片。打印过程包括：批量打印疏水蜡图案；熔蜡成型；批量打印化学发光试剂墨图案；批量打印氧化酶墨图案；微流控化学发光纸芯片的裁剪；将制备的微流控化学发光纸芯片进行塑封处理。一种微流控化学发光纸芯片的现场检测的方法，包括如下步骤：将塑封的微流控化学发光纸芯片放入掌上发光检测仪的暗盒中；将样品溶液滴加到进样区内；然后盖上暗盒盖，开始检测。通过依次出现的6个化学发光峰值的大小来依次判断葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素是否存在及含量。

Description

一种操作简单、低成本、多通道微流控化学发光纸芯片的制备及在现场检测中的应用

 

技术领域

本发明涉及低成本、高通量、操作简单的现场即时分析检测技术领域，更具体地说是一种以适合于化学发光酶分析的微流控纸芯片实验室技术平台的构建。

背景技术

目前，体外(临床)诊断途径主要有两种：一种是利用医院配套的中心分析化验室的全自动化、高灵敏的大型仪器设备，实现高精度的疾病分析诊断；另一种截然相反的途径是通过掌上小型简易设备，实现现场快速分析诊断。由于人口老龄化加剧，成年病的发病率急剧增加，如单纯依靠医院中心化验室，将会大大提高国民的健康成本。因此，为提前诊断并预防重大疾病的发生，研制一些简单、低成本，能够实现家庭化分析诊断的方法与设备变得极为迫切。另外，虽然人们已经致力于研究降低医院中心分析化验室的检测成本与检测时间，但是，当检测结果对操作简便性与即时性要求较高时，现场快速检测技术是不可或缺的。

微流控芯片实验室是目前最有望实现现场检测诊断的技术平台。简单的说，微流控芯片实验室是指把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，该芯片可以是塑料片、玻璃片或者硅片。通过在这些芯片上构建微通道、微阀门并集成微泵技术，将这些基本操作单元连通起来，构成微流控芯片实验室。但是目前，微流控芯片实验室仍然处于实验室研究阶段，由于其复杂的、昂贵的制备设备及对环境要求苛刻的制备工艺，微流控芯片实验室的广泛应用被极大地限制了，尤其在资金与技术不发达的发展中国家。另外，由于需要专业人士操作，更无法实现家庭化的分析诊断。

纸是一种非常廉价、丰富的材料，而且试纸条也已经作为一种分析平台(免疫层析)被广泛的用于简单的疾病诊断、环境检测等领域，例如早早孕试纸条等。2007年，哈弗大学化学院的Whiteside课题组首次提出微流控纸芯片实验室的新概念：指把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到纸上，利用疏水材料在纸上绘制出功能单元和通道的图形，构成亲水区域（通道）。然后，借助纸的毛细作用，实现液体在亲水通道内的定向流动。微流控纸芯片实验室具有成本低、制备方法简单(利用简单的打印技术，且无需无尘室等苛刻条件)、操作简单(无需外加设备，如泵等)、使用后可任意处理等优点。

目前，建立在微流控纸芯片技术平台上的分析方法主要是比色法，由于比色法只能给出“是/否”的信号响应，且比色法灵敏度较低，选择性较差，易出现结果假阳性。因此在微流控纸芯片实验室中建立高灵敏度、高选择性的分析方法，实现高灵敏度、高特异性的现场即时分析检测便成为当前该研究领域亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在微流控纸芯片上建立灵敏度高、特异性强的多组分化学发光酶分析检测方法；该微流控纸芯片还具有样品处理简单、检测速度快、成本低等特点，并用于样品中葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素的同时检测。

为了解决上述技术问题，本发明是通过构建一种新型的微流控化学发光纸芯片来实现的，该微流控化学发光纸芯片的制备方法为：

(1) 在计算机上设计微微流控化学发光纸芯片的疏水蜡批量打印图案(样式如附图1所示)。

(2) 在计算机上设计与疏水蜡批量打印图案匹配的化学发光试剂批量打印图案(样式如附图2所示)。

(3) 在计算机上设计与疏水蜡批量打印图案匹配的六个氧化酶批量打印图案(样式如附图3、4、5、6、7、8所示)。

(4) 将滤纸剪裁成A4尺寸。

(5) 将步骤(4)中的裁好的滤纸放置到喷蜡打印机中，将步骤(1)中的疏水蜡批量打印图案打印到步骤(4)中的滤纸上。

(6) 将步骤(5)中带有蜡图案的滤纸放置到平板加热器或者烘箱中，在60-150℃摄氏度下加热0.5-2分钟。使蜡融化并浸透整个纸的厚度，形成疏水墙(原理如附图9所示)。

(7) 将步骤(6)中制备的滤纸放入喷墨打印机中。按照步骤(2)中的化学发光试剂批量打印图案，将化学发光试剂墨打印到化学发光检测区中，然后按照步骤(3)中的氧化酶批量打印图案，将氧化酶墨打印到酶识别催化微通道中。一种氧化酶批量打印图案用来打印一种氧化酶墨：附图3用于打印葡萄糖氧化酶墨；附图4用于打印多酚氧化酶墨；附图5用于打印黄嘌呤氧化酶墨；附图6用于打印胆固醇氧化酶墨；附图7用于打印尿酸氧化酶墨；附图8用于打印血红素氧化酶墨。打印不同氧化酶墨时，只需更换喷墨打印机中的墨盒。

(8) 对步骤(7)中制备的滤纸沿蜡图案外边缘进行裁剪，得到微流控化学发光纸芯片(样式如附图10所示)。

(9) 将步骤(8)中得到微流控化学发光纸芯片夹在两片塑封膜中间，然后进行塑封封装，制备得到封装的微流控化学发光纸芯片(塑封堆叠方式如附图11所示)。

所设计的微流控化学发光纸芯片的疏水图案(如附图12中黑色部分所示)构成的亲水区域(如附图12中白色部分所示)包括一个中心进样区(直径5.0~20.0 mm)，六个呈环绕分布的化学发光检测区(直径2.0~8.0 mm)和六个酶识别催化微通道(宽度均为1.0~4.0 mm，最短酶识别催化微通道的长度为4.0~7.0 mm，其他五个酶识别催化微通道长度依次比前一个酶识别催化微通道长1.5~6.0 mm。微流控化学发光纸芯片总尺寸为25.0 mm~100.0 mm ×25.0 mm~100.0 mm(正方形)。可根据不同的微流控化学发光纸芯片尺寸，调整一张A4纸上打印的微流控化学发光纸芯片个数(7~30个)。

所设计的微流控化学发光纸芯片的化学发光试剂打印图案样式如附图13所示。

所设计的微流控化学发光纸芯片上的氧化酶打印图案样式如附图14所示。

所述附图14中每个酶识别催化微通道中的氧化酶打印图案的尺寸为1.0~4.0 mm ×1.0~4.0 mm的正方形。

所述附图14中每个酶识别催化微通道中的氧化酶打印图案距离化学发光检测区的距离为2.0~5.0 mm。

所采用的滤纸为常用的滤纸。

所采用的喷蜡打印机为常用的富士施乐喷蜡打印机。

步骤(6)中所述的化学发光试剂墨为化学发光试剂修饰的贵金属纳米粒子溶液。所采用的化学发光试剂为常用的化学发光试剂，可为异鲁米诺。所采用的贵金属纳米粒子为常见贵金属纳米粒子，可为金纳米粒子。

步骤(6)中所述的氧化酶打印墨为氧化酶修饰的贵金属纳米粒子溶液，所采用的氧化酶分别为葡萄糖氧化酶、多酚氧化酶、黄嘌呤氧化酶、胆固醇氧化酶、尿酸氧化酶和血红素氧化酶。所采用的贵金属纳米粒子为常见贵金属纳米粒子，可为金纳米粒子。

步骤(8)中所述的塑封膜带有进样孔，其大小、位置与纸芯片进样区相同 (样式如附图11所示)。

利用上述制备的微流控化学发光纸芯片实现多组分的现场同时检测的步骤为：

(1) 将微流控化学发光纸芯片放入掌上发光检测仪的暗盒中。

(2) 将样品溶液滴加到微流控化学发光纸芯片的进样区内。然后盖上暗盒盖，开始检测。通过依次出现的6个化学发光峰值的大小来依次判断葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素是否存在及含量。

本发明中，样品溶液会在毛细作用力的驱动下，流经六个酶识别催化微通道。被测物经氧化酶的特异性识别催化后，产生的过氧化氢流入化学发光检测区并与化学发光试剂发生化学反应，产生光信号。由于酶识别催化微通道的长度不同，导致所产生的过氧化氢到达化学发光检测区的时间亦不同，该设计可将不同被测物产生的发光信号从时间上区分开，进一步实现了一个发光检测窗口下的多组同时检测。

本发明的有益效果：

1. 在微流控纸芯片实验室中引入了高灵敏度的化学发光检测方法，拓展了微流控纸芯片实验室的检测范围，提高了微流控纸芯片实验室的检测灵敏度与准确度。

2. 采用全打印的制备模式，简化了微流控化学发光纸芯片制备步骤，降低了制备成本，提高了微流控化学发光纸芯片的检测可重复性。

3. 所采用的打印图案可进行大规模集成打印，实现每个页面上打印多个图案用于同时制备多个微流控化学发光纸芯片。

4. 打印墨中含有贵金属纳米粒子，借助贵金属纳米粒子的催化作用，可提高酶识别催化能力与化学发光效率，进一步提高该微流控化学发光纸芯片的灵敏度。

5. 构建了高通量的微流控化学发光纸芯片，提高了微流控化学发光纸芯片的检测通量与检测能力。

6. 由于滤纸的多孔性质，因此酶识别催化微通道还具有纸层析分离的功能，将大颗粒杂质直接过滤掉。 联合氧化酶分子的特异性识别催化能力，该微流控化学发光纸芯片可实现无前处理的直接样品加入检测，简化了检测步骤，节省了样品前处理成本。

7. 对微流控化学发光纸芯片进行塑封后的，可防止在运输、储存及使用过程中对微流控化学发光纸芯片造成污染。同时该设计更加便于携带与使用。

8. 对微流控化学发光纸芯片进行塑封密封后的，可提高纸的毛细驱动力，加速溶液在纸通道内的流速，进一步降低检测时间，提高检测效率。

附图说明

图1.为微流控化学发光纸芯片的疏水蜡批量打印图案。

图2.为微流控化学发光纸芯片的化学发光试剂批量打印图案。

图3为微微流控化学发光纸芯片的葡萄糖氧化酶批量打印图案。

图4为微流控化学发光纸芯片的多酚氧化酶批量打印图案。

图5为微流控化学发光纸芯片的黄嘌呤氧化酶批量打印图案。

图6为微流控化学发光纸芯片的胆固醇氧化酶批量打印图案。

图7为微流控化学发光纸芯片的尿酸氧化酶批量打印图案。

图8为微流控化学发光纸芯片的血红素氧化酶批量打印图案。

图9为喷蜡打印构建亲水通道原理示意图，A图是空白滤纸的示意图；B图是在滤纸上打印蜡图案的示意图，其中a是打印的蜡层；C图是在烘箱或平板加热设备中加热后，蜡图案融化并浸透整个滤纸的厚度，形成疏水墙。

图10为微流控化学发光纸芯片的示意图，其中a是印有化学发光试剂墨的化学发光检测区，b是酶识别催化微通道中打印的氧化酶墨，c是进样区。

图11为微流控化学发光纸芯片的塑封封装示意图，A图是俯视图；B图是剖视图。其中a是塑封膜，b是微流控化学发光纸芯片。

图12为微流控化学发光纸芯片上的疏水图案示意图，其中，1是进样区；2是酶识别催化微通道；3是化学发光检测区。

图13为微流控化学发光纸芯片上的化学发光试剂打印图案示意图。

图14为微流控化学发光纸芯片上的氧化酶打印图案示意图，其中，1是葡萄糖氧化酶墨；2是多酚氧化酶墨；3是黄嘌呤氧化酶墨；4是胆固醇氧化酶墨；5是尿酸氧化酶墨；6是血红素氧化酶墨。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

实施例1人血液中葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素的现场快速同时检测。

(1) 在计算机上利用Adobe Illustrator CS4软件设计微流控化学发光纸芯片的疏水蜡批量打印图案(样式如附图1所示)。尺寸分别为：中心进样区(直径10.0 mm)，六个呈环绕分布的化学发光检测区(直径4.0 mm)和六个酶识别催化微通道(宽度均为2.0 mm，六个酶识别催化微通道的分贝为5.0 mm；8.0 mm；11.0 mm；14.0 mm；17.0 mm；20.0 mm。微流控化学发光纸芯片尺寸为50.0 mm ×50.0 mm。此时，一张A4纸可打印15个微流控化学发光纸芯片。

(2) 在计算机上利用Adobe Illustrator CS4软件设计与疏水蜡批量打印图案匹配的化学发光试剂批量打印图案(样式如附图2所示)。

(3) 在计算机上利用Adobe Illustrator CS4软件设计与疏水蜡批量打印图案匹配的六个氧化酶批量打印图案(样式如附图3、4、5、6、7、8所示)。

(4) 将普通定性滤纸剪裁成A4尺寸。

(5) 将步骤(4)中的A4定性滤纸放置到喷蜡打印机中，将步骤(1)中的疏水蜡批量打印图案打印到步骤(4)中裁好的A4定性滤纸上。

(6) 将步骤(5)中带有蜡图案的A4定性滤纸放置到平板加热器或者烘箱中，在130摄氏度下加热50秒。

(7) 制备化学发光试剂墨：取20.0毫升N-(4-氨基丁基)-N-乙基异鲁米诺水溶液(0.5摩尔每升)，加入到20.0毫升金纳米粒子溶液中(金纳米粒子直径为12.0 nm)， 室温下搅拌1小时，转速500转每分钟。然后用3500分子量的透析膜和超纯水将反映溶液透析两天，透析期间更换六次超纯水。最终得到鲁米诺化学发光试剂墨。

(8) 制备氧化酶墨：取0.5毫升链霉亲和素溶液(1.0毫克每毫升)，加入到20.0毫升金纳米粒子溶液中(金纳米粒子直径为12.0 nm)，室温下搅拌0.5小时。然后加入0.5毫升质量分数为百分之五的牛血清白蛋白溶液，室温下搅拌5分钟。然后将上述反应溶液在12500转每分钟的转速下离心分离20分钟。将得到的沉淀分散到生物素化的氧化酶溶液中，在37摄氏度下搅拌1小时。将上述反应溶液在12500转每分钟的转速下离心分离10分钟。将得到的沉淀分散到Tris-HCl缓冲溶液中(pH=8.0, 0.05摩尔每升)，制备得到氧化酶墨。

(9) 将步骤(6)中制备的A4定性滤纸放入喷墨打印机中。首先，在喷墨打印机上安装化学发光试剂墨盒，按照步骤(2)中的化学发光试剂批量打印图案，将化学发光试剂墨打印到化学发光检测区中。然后将喷墨打印机中的墨盒更换为氧化酶墨盒，按照步骤(3)中的氧化酶批量打印图案，将氧化酶墨打印到酶识别催化微通道中。一种氧化酶批量打印图案仅用来打印一种氧化酶墨：附图3用于打印葡萄糖氧化酶墨；附图4用于打印多酚氧化酶墨；附图5用于打印黄嘌呤氧化酶墨；附图6用于打印胆固醇氧化酶墨；附图7用于打印尿酸氧化酶墨；附图8用于打印血红素氧化酶墨。

(10) 用剪刀对步骤(9)中制备的A4定性滤纸沿蜡图案外边缘进行裁剪，得到微流控化学发光纸芯片(样式如附图10所示)。

(11) 对步骤(10)中得到微流控化学发光纸芯片夹在两片塑封膜中间，然后进行塑封封装，制备得到封装的微流控化学发光纸芯片(堆叠方式如附图11所示)。

用三高病人的血样作为分析样品，血样中含有葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素。利用上述制备的微流控化学发光纸芯片实现多组分的现场同时检测的步骤为：

(12) 将微流控化学发光纸芯片放入掌上发光检测仪的暗盒中。

(13) 取病人血样0.5毫升，加入到5毫升Tris-HCl缓冲溶液中(pH=8.0, 0.05摩尔每升)进行稀释。然后用滴管将稀释后的样品溶液滴加到微流控化学发光纸芯片的进样区内。然后盖上暗盒盖，开始检测。通过依次出现的6个化学发光峰值的大小来依次判断葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素是否存在及含量。

实施例2人尿液中的葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素的现场快速同时检测。

将实施例1步骤(1) (2) (3) 中的“利用Adobe Illustrator CS4软件设计”改为“利用Photoshop CS4软件设计”；将实施例1中的“定性滤纸”改为“定量滤纸”；将实施例1步骤(1)改为：“在计算机上利用Photoshop CS4软件设计微流控化学发光纸芯片的疏水蜡批量打印图案(样式如附图1所示)。尺寸分别为：中心进样区(直径7.5 mm)，六个呈环绕分布的化学发光检测区(直径3.0 mm)和六个酶识别催化微通道(宽度均为1.5 mm，六个酶识别催化微通道的分贝为3.75 mm；6.0 mm；8.25 mm；10.5 mm；12.75 mm；15.0 mm。微流控化学发光纸芯片尺寸为37.5 mm ×37.5 mm。此时，一张A4纸可打印20个微流控化学发光纸芯片”。将实施例1步骤(6)中的“在130摄氏度下加热50秒”改为“在150摄氏度下加热30秒”；将实施例1步骤(7) 改为“制备化学发光试剂墨：取20.0毫升异鲁米诺水溶液(0.5摩尔每升)，加入到20.0毫升银纳米粒子溶液中(银纳米粒子直径为13.0 nm)，室温下搅拌1小时，转速500转每分钟。然后用3500分子量的透析膜和超纯水将反映溶液透析两天，透析期间更换六次超纯水。最终得到鲁米诺化学发光试剂墨”；将实施例1步骤(8) 中的“金纳米粒子溶液中(金纳米粒子直径为12.0 nm)”改为“银纳米粒子溶液中(银纳米粒子直径为15.0 nm)”；将实施例1中的“三高病人血样”改为“三高病人尿样”；将实施例1步骤(12)改为“取病人尿样5毫升，然后用普通滴管将尿样滴加到微流控化学发光纸芯片的进样区内。然后盖上暗盒盖，开始检测。通过依次出现的6个化学发光峰值的大小来依次判断葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素是否存在及含量。”。

Claims (9)

1.一种操作简单、低成本、多通道微流控化学发光纸芯片的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1.1.在计算机上设计微流控化学发光纸芯片的疏水蜡批量打印图案；

1.2.在计算机上设计与疏水蜡批量打印图案匹配的化学发光试剂批量打印图案；

1.3.在计算机上设计与疏水蜡批量打印图案匹配的六个氧化酶批量打印图案；

1.4.将滤纸剪裁成A4尺寸；

1.5.将步骤1.4中的裁好的滤纸放置到喷蜡打印机中，将1.1中的疏水蜡批量打印图案打印到1.4中的A4滤纸上；

1.6.将1.5中带有蜡图案的A4滤纸放置到平板加热器或者烘箱中，在60-150℃摄氏度下加热0.5-2分钟；

1.7.将1.6中制备的A4滤纸放入喷墨打印机中；按照步骤(2)中的化学发光试剂批量打印图案，将化学发光试剂墨打印到化学发光检测区中，然后按照步骤(3)中的氧化酶批量打印图案，将氧化酶墨打印到酶识别催化微通道中；一种氧化酶批量打印图案用来打印一种氧化酶墨；打印不同氧化酶墨时，只需更换喷墨打印机中的墨盒；

1.8.对1.7中制备的A4滤纸沿蜡图案外边缘进行裁剪，得到微流控化学发光纸芯片；

1.9.将1.8中得到微流控化学发光纸芯片夹在两片塑封膜中间，然后进行塑封封装，制备得到封装的微流控化学发光纸芯片。

2.本发明所述微流控化学发光纸芯片的现场即时检测包括以下步骤： 

2.1将微流控化学发光纸芯片放入掌上发光检测仪的暗盒中；

2.2将样品溶液滴加到微流控化学发光纸芯片的进样区内；然后盖上暗盒盖，开始检测；通过依次出现的6个化学发光峰值的大小来依次判断葡萄糖、多酚、黄嘌呤、胆固醇、尿酸和血红素是否存在及含量。

3.根据权利要求1所述的疏水蜡打印图案，其特征是：所设计的微流控化学发光纸芯片的疏水图案构成的亲水区域包括一个中心进样区(直径10.0 mm)，六个呈环绕分布的化学发光检测区(直径2.0~8.0 mm)和六个酶识别催化微通道(宽度均为1.0~4.0 mm，最短酶识别催化微通道的长度为4.0~7.0 mm，其他五个酶识别催化微通道长度依次比前一个酶识别催化微通道长1.5~6.0 mm；微流控化学发光纸芯片总尺寸为25.0 mm~100.0 mm ×25.0 mm~100.0 mm(正方形)；可根据不同的微流控化学发光纸芯片尺寸，调整一张A4纸上打印的微流控化学发光纸芯片个数(7~30个)。

4.根据权利要求1所述的化学发光试剂打印图案，其特征是：每个化学发光检测区中的化学发光图案的直径为2.0~8.0 mm。

5.根据权利要求1所述的氧化酶打印图案，其特征是：每个酶识别催化微通道中的氧化酶图案的尺寸为1.0~4.0 mm ×1.0~4.0 mm的正方形。

6.根据权利要求1所述的滤纸，其特征是：所采用的滤纸为常用的滤纸。

7.根据权利要求1所述的化学发光试剂打印墨，其特征是：所述的化学发光试剂墨为化学发光试剂修饰的贵金属纳米粒子溶液；所采用的化学发光试剂为常用的化学发光试剂；所采用的贵金属纳米粒子为常见贵金属纳米粒子。

8.根据权利要求1所述的氧化酶打印墨，其特征是：所述的氧化酶墨为氧化酶修饰的贵金属纳米粒子溶液，所采用的氧化酶分别为葡萄糖氧化酶、多酚氧化酶、黄嘌呤氧化酶、胆固醇氧化酶、尿酸氧化酶和血红素氧化酶；所采用的贵金属纳米粒子为常见贵金属纳米粒子。

9.据权利要求1所述的塑封膜，其特征是：所述的上塑封膜带有进样孔，其大小、位置与纸芯片进样区相同。

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