微流体装置的制作方法

本发明一般涉及微流体装置，更具体地，涉及包括高分辨率减成图案的这种装置。本发明还涉及制造这种微流体装置的系统和方法。

背景技术：

分析测定可用于诊断应用，例如，用于人类健康(例如血液和尿液测试)、环境污染(例如水和土壤测试)和工业食品和药物制备(例如细菌污染测试)，但通常需要大而昂贵的实验室仪器和训练有素的操作者。

在一个方向(即一维，1d)上流动的基于纸的测试，例如横向流动免疫测定，已经在一段时间内用于各种应用(例如，家庭妊娠测试)。它们功能简单，一次性使用，并且用户操作方面几乎不需要说明。随着基于纸的微流体分析装置(称为“μpad”)的出现，该领域变得更加多样化，与过去的普通纸带试验相比，基于纸的微流体分析装置可以在多个流动方向(即二维和三维，2d和3d)上执行更复杂的测试以及并行多路复用测试，具有更窄的流动通道尺寸(并且通过扩展所需的更小的样品体积)。在测试难以大量获取的样本(例如人体健康的护理点检验)时，使用较小体积的能力非常重要。

μpad的该领域开始于将疏水性处理添加到亲水性基底上的过程，以各种几何形状图案化这些处理以流动微量体积的样品(即基于纸的微流体)。后来，添加剂方法还包括使用诸如光掩模的光刻法以实现图案化的方法或者以适当的图案应用必要的化学品的各种印刷技术对疏水性基底的亲水处理。由于纸中施加的化学物质的横向渗出，若干印刷方法(例如蜡印刷)不能实现高分辨率图案化，使得精细微观特征不可能，妨碍使用这些方法产生的μpad的设计和再现性。其他方法，例如利用光刻法的方法，保持较高的分辨率，但需要相对昂贵的制造方法和/或外来化学品。

随着添加剂方法的发展，研究人员随后研究了利用机器控制的切割器械的减成法，以及诸如激光器的蚀刻工具，产生由吸收性基底中的流体不能穿过的间隙结合的亲水区域。然而，这些“切割”方法产生的产品易碎且难以处理。此外，这些方法在如何特征尺寸变小(例如通道宽度和其他几何形状)方面受到限制，因此这种基于切割纸的微流体测试的最小样本体积高于添加方法所需的样本体积。最后，这些切割方法在制造过程的可扩展性方面受到限制。

因此，期望开发克服现有这种装置的一个或多个缺点的基于纸的微流体分析装置。

发明概述

现在已经开发了一种用于吸收性基底的减成图案化以产生新型微流体装置的新系统和方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种微流体装置，包括：基底层；蚀刻装置不可渗透层；以及任选地，用于将基底层固定到不可渗透层上的粘合剂层，其中基底层的部分被去除以形成适合于引导装置内的流体流动的减成图案。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括纸层的微流体装置；蚀刻装置不可渗透的箔层；以及粘合层，用于将纸层固定到箔层上。去除纸层的部分以在微流体装置上形成减成图案。

在本发明的另一个方面，提供了制造微流体装置的方法，该方法包括形成基底组件，该基底组件包括基底层、不可渗透层和任选的粘合剂层；使用蚀刻装置切掉基底层的一部分，在基底组件上形成一个或多个减成图案；并且使用切割装置将基底组件切割成一个或多个微流体装置。

还提供了一种用于制造微流体装置的系统，该系统包括供给组件，用于将基底层和不可渗透材料层导向组合组件，用于将基底层固定到不可渗透材料层上而形成组装的基底；蚀刻装置，用于切除基底层的部分，以在组装的基底上形成一个或多个减成图案；以及用于将组装的基底切割成一个或多个微流体装置的切割装置。

本发明提供了微流体装置，其包括吸收性基底的高分辨率减成图案，吸收性基底与不可渗透的背衬相结合，其是耐用的，并且导致装置理想地包括可有利地用于低体积流体测试的小特征尺寸(例如，使用微升大小的样品，例如小于1000μl，优选小于10μl的样品，包括小于1μl的样品)。

此外，本发明不需要昂贵或奇特的制造方法或材料，并且该方法易于扩展以用于大规模制造。

下面更全面地描述本发明的其他特征和优点。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施方案：

图1是说明a)根据本发明实施方案的微流体装置的层，b)使用激光在装置内减成图案化，以及c)减成图案化的展开图的示意图。

图2是说明根据本申请的一个实施方案的微流体装置的制造的示意图。

图3是说明在各种功率和激光切割速度下制备的疏水性屏障的效用的图。

图4图示了当使用激光在不同的％-power和％-speed下进行减成图案化时，铝箔背衬的whatman1色谱纸中的平均屏障宽度。

图5示出了当使用激光进行减成图案化时，铝箔背衬的whatman1色谱纸中的高分辨率微通道宽度。

图6示出了在多重测定中有用的八向多路μpad架构。

图7是说明a)制备包含多个通道的微流体装置的方法，和b)多通道装置的示意图。

图8示出了用于测试微流体装置的方法。

图9示出了根据一个实施方案的微流体装置中的各种宽度的流体流动通道的效用。

图10图示了根据本发明实施方案的基底纤维宽度对微流体装置中的流体流动通道的效用的影响。

图11图示了分别在a)chr-1，b)3mmchr-和c)rc-55纸基底中形成的各种通道宽度的流动距离。

发明详述

本发明提供了一种微流体装置，包括固定到蚀刻工具不可渗透层的基底层，其中基底层的部分被去除以形成减成图案，该减成图案引导装置内的流体流动。

还提供了一种系统和方法，用于制造具有基底的高分辨率减成图案的微流体装置。如本文所用，术语“高分辨率”是指能够产生尺寸小于200μm的特征的减成图案。通过将基底粘附到不可渗透的背衬材料上，然后用合适的蚀刻工具蚀刻基底以产生高分辨率特征来制造该装置。该系统和方法可用于构建基于纸的微流体分析装置(μtpd)，其可用于测试任何尺寸的样品体积，包括极小的流体样品体积(例如，微升大小的样品，例如小于1000μl的样品，以及优选小于10μl的样品，包括小于1μl的样品)。该系统和方法可以针对如本文所述的各种基材和不可渗透层进行修改，并且可以构建各种几何形状和尺寸的装置，包括二维和三维流动系统。

根据本发明，提供了一种不透过固定在基底上的蚀刻装置(例如激光不可透过的背衬)的层的组件。该组件包括基底层和不可渗透的背衬层，并且如果需要，包括粘合剂层。基底层包括可被所选蚀刻工具穿透的材料，使得可以利用蚀刻工具在基底层中形成其中基底层的部分被去除的减成图案。基底层可以是任何对蚀刻工具可渗透(或可穿透)的吸收材料，并且是亲水的。在一个实施方案中，基底层是纸层，例如纤维素色谱纸。在其他实施方案中，基底可以由另一种材料制成。例如，基底层的材料可以是但不限于玻璃纤维纸、硝化纤维素、吸墨纸、聚合物或塑料。基底层的材料可以具有不同的厚度并且可以具有各种孔径。其他可能的吸收性基底可用作本发明的基底层。

不可渗透层可以是对选定的蚀刻工具(例如切割激光器)或任何精确聚焦的切割工具不可渗透(或不可穿透)的任何材料。激光器可以是任何co2激光器，或者可以是另一种类型的激光器，例如气体激光器、化学激光器、染料激光器、金属蒸汽激光、固态激光器或半导体激光器。蚀刻工具也可以是等离子切割工具或可以是水射流切割工具。

在一个实施方案中，金属箔可用作不可渗透层(例如铜箔、锡箔、铁箔、钢箔、铝箔等)。在这方面，合适的箔将具有导热性，使得其在要使用的蚀刻工具的参数下是不可渗透的。优选的不渗透层是铝箔。铝箔具有薄(例如约10-50μm)和柔韧的特性，这有利于本装置的卷对卷制造，以及便于在皮肤贴片中使用所得装置。可以使用的其他不可渗透层包括涂有不渗透层的材料，例如涂有金属层的纸、蜡层或聚合物层。不可渗透层还可包括非柔性材料，其厚度可大于铝箔的厚度。例如，不可渗透层可以是塑料或聚合物材料，例如聚乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。

如本领域技术人员将理解的，不可渗透层可随所使用的蚀刻工具而变化。更具体地，对于一个蚀刻工具不可渗透的层可能对另一个蚀刻工具不是不可渗透的。或者，在给定蚀刻工具的一组参数(例如，低功率或高速)下不可渗透的层可能对于相同的蚀刻工具的不同的参数组(例如，高功率或低速)不是不可渗透的。例如，蜡纸适合作为具有低功率蚀刻工具的不可渗透层，而金属箔层是具有更高功率水平的合适的不可渗透层。

将基底层固定到蚀刻工具不可渗透的层上。由于基底和不可渗透层中的一个或两个的固有粘合性，这些层可以自然地固定，而不添加粘合剂。自粘附的不渗透层的实例是蜡纸。

可替代地，用粘合剂层将基底层固定到不可渗透层上。粘合剂层可以是适合于将所选择的基底层粘附到不可渗透层上的任何粘合剂材料。例如，粘合剂层可以是粘合带(包括双面胶带)、压敏粘合剂、粘合剂蜡或任何合适的胶产品。根据已建立的技术将粘合剂层施加到基底层、不可渗透层或两者，其量足以使基材粘附到不可渗透层上。

本微流体装置的形状和尺寸没有特别限制，并且可以是适合于其预期用途的任何形状和尺寸。因此，该装置可以制备成适于在手持装置中使用的尺寸，或者可以基于其预期用途以更小或更大的尺寸制备。

在一个具体实施方案中，如本文所例示的，微流体组件可以用铝箔不可渗透层形成，所述铝箔不可渗透层用胶带施加到纸基底上。然而，应该理解，根据本发明的实施方案，可以制备各种潜在的基底、背衬、粘合剂、包括多层和双面系统的层布置，以及多个μpad几何形状。

本发明的微流体装置包括减成图案，其引导装置内的流体流动。使用选择的蚀刻装置在可穿透的基底层内形成减成图案。减成图案是装置的部分或区域，在该部分或区域中基底已被移除以暴露不可渗透层并提供不允许流体流动的疏水阻挡区域(例如，其是非吸收性的)。减成图案通常成形为提供基底层的区域，该区域是亲水性流体流动区域，即疏水性阻挡区域围绕或包围亲水性流体流动区域(例如吸收性区域)。例如，减成图案可以在基底层内提供一个或多个亲水样品区域或区(例如，呈任何所需形状，例如圆形、椭圆形、正方形或其他几何形状，或不规则形状)，样品可以施加在基底层上。减成图案可以进一步形成在基底中，使得样品区通过一个或多个亲水通道连接到一个或多个亲水检测或读出区，所述亲水通道允许流体从样品区流到检测区(例如，减成图案可以在单个检测区的情况下提供沙漏形流体流动区域，或者包括中心样品区域的形状，在两个或更多个检测区的情况下具有从其延伸的多个附属物)。

疏水阻挡区域的尺寸设计成防止流体从相邻的亲水流体流动区域(例如样品、检测或通道区)流动。优选地，阻挡区域的尺寸最小，以根据需要使装置保持紧凑。然而，阻挡区域不能太小以至于流体的渗出越过屏障而进入屏障另一侧的基底中。疏水性屏障可以例如小于100μm宽，优选小于80μm，70μm，60μm，或50μm宽，并且大于25μm宽，优选大于30μm，35μm或40μm宽。阻挡区域的优选宽度在约25-80μm、25-55μm或30-50μm或35-45μm的范围内。

关于允许流体在基底内流动的亲水通道，例如在样品区和检测区之间，已经确定合适的通道宽度随基底材料而变化，特别是基底材料的纤维的宽度。基底纤维的宽度越大，允许流体流动的通道的宽度越大。为了促进流体流动，亲水通道的纤维结构优选地沿着通道路径连续地连接，以通过毛细管力帮助沿着通道芯吸流体。在一些情况下，在平均纤维宽度小于5μm的基底中，例如纤维宽度小于2μm，或1μm，例如但不限于0.1-0.5μm，通道宽度小于100μm是可能的。包含平均宽度大于5μm，例如10-20μm的纤维的基底优选包含大于100μm的通道，例如110μm，120μm，130μm，140μm，150μm和更大的通道。

本发明的微流体装置包括一个或多个亲水流体流动区域，可用于各种应用。可以将流体样品引入装置中的样品区，并且将在流体流动区域内流动到一个或多个检测区或测试区。检测区或测试区可包括一种或多种与样品区内的目标组分反应或可用于检测样品区内的目标组分的试剂。这些应用的实例包括但不限于生物医学诊断，例如妊娠试验、葡萄糖试验、生物标志物试验等；环境试验，如微生物或其他污染物(如砷)的水试验；以及任何用于保持样品的复杂几何高分辨率架构。因此，可以使用本装置分析的流体样品包括但不限于来自各种来源(例如自来水、井、池塘/湖泊，废水、雨水等)的水或含水样品，以及体液，如血、尿、唾液、汗液、眼泪或羊水。

用于本装置的样品体积可以变化。有利地，本发明的装置的尺寸可以适应微升范围内的样品尺寸，例如小于1000μl，优选小于10μl的样品，包括小于1μl的样品。

本文描述和示出的减成图案仅是示例性的，并且其他特征图案可以印刷在基底上。在本发明的制造技术中，蚀刻工具，例如激光器，在足以切穿所选基底的条件和参数下使用，沿切割线产生疏水屏障，但不穿透或切穿不可渗透层。因此，不可渗透层为微流体装置提供连续支撑，并且能够在基底层中切割具有窄疏水性屏障的微尺度特征。

本装置可以作为单独的装置提供，或者以其他配置提供，例如多层装置、双面装置或多维装置。双面装置包括两个背靠背粘附的装置，或者在其两侧与基底层共用相同的不可渗透层，使得在装置的两侧存在减成图案(相同或不同的图案)。多层装置包括2个或更多个基底和不可渗透层，以提供不同水平的减成图案，例如，用于不同的诊断用途。多维装置包括2个或更多个通过通道连接的装置，这些装置允许流体从一个装置流到另一个装置。因此，这种流体流动通道将第一装置的流体流动区域与第二、第三或更多装置的流体流动区域连接。如本领域技术人员将理解的，可以适应多个装置之间的流体流动的各种配置。流体流动通道包括允许流体流动的材料，包括如上所述的基底材料，其可以设置在支撑件上。

在本发明的另一个方面，提供了一种简单的制造方法，其能够在微流体装置(例如纸基微流体装置)上对紧凑和微米级特征进行减成图案化。使用蚀刻工具实现图案化。例如，生产线可用于将不可渗透层与基底(例如纸层)进行组装。如果不可渗透层和基底中的任何一个或两个是自粘合的；然后，组件可以简单地包括压配合，如果不是，则该方法包括将粘合剂施加到不可渗透层和基底层中的一个或两个上，然后组装这些层。接下来，可以在适合于所选择的基底和不可渗透层的条件和参数下使用蚀刻工具在组装的基底的基底侧上执行减成图案化。蚀刻工具用于去除基底的小区域以暴露不可渗透层，例如，铝箔背衬，产生减成图案。蚀刻工具可以是激光器。粘合剂层防止基底相对于不可渗透层移动，以产生在微流体装置(μpad)中均匀且一致的蚀刻边界。一旦完成基底的减成图案化，就可以利用切割机将蚀刻的组装基底切割成多个微流体装置。应当理解，可以预期各种基底、不可渗透层、蚀刻工具和其他系统特征，并且功率和速度设置可以相应地变化。

在本发明的制造方法中，用于限制吸收性基底内的流动的屏障宽度可以通过用于去除基底的部分的蚀刻工具的速度以及在用于减成图案的激光器情况下的蚀刻工具的功率来调节。如本文所用，屏障宽度是装置的空的疏水区域的宽度，该宽度是由基底从组装的基底(即，不可渗透的层暴露的区域)中移除或减去而得到的。例如，可以在激光蚀刻工具的速度和功率设置的范围内进行一个或多个圆形μpad设计(例如，3mm直径)。例如，屏障宽度为39±15μm，可以在激光蚀刻工具的3％功率设置和0.75％速度设置下实现，在另一个实施例中，可以在激光蚀刻工具的速度和功率设置范围内制作一个或多个方形μpad设计。例如，对于激光蚀刻工具，可以在3％功率设置和0.75％速度设置下实现36±13μm的最小屏障宽度。使用激光蚀刻工具的速度和功率在纸基底(例如，whatmanl色谱纸基底)上进行减成图案化来实现上述示例性屏障宽度。

用于生产如图2所示的根据本发明的微流体装置的示例性生产线可以配备有用于本发明微流体装置的大规模连续生产的所有元件。就批量生产能力而言，制造工艺可包括，(i)用于基底和不可渗透层的供给系统，(ii)用于固定基底和不可渗透层的系统，(iii)激光切割系统，和(iv)用于切割最终装置的系统(例如，压切)。可替代地，可以将基底和不可渗透层的固定作为与生产线分开的过程来执行。如图所示，基底和不可渗透层供给系统从基材卷供给片材，而来自不可渗透层的片材进入系统。在一些实施方案中，该系统还包括用于将粘合剂层施加到供给到系统中的基材和不可渗透层中的一个或两个上的装置。用于固定基底和不可渗透层的系统可包括多个辊，以将基底层粘附到不可渗透层。激光切割系统可以包括激光器，用于去除基底的小区域以暴露不可渗透的背衬，从而产生减成图案。任选的粘合剂层防止基底移动，使得蚀刻的边界在纸基微流体装置内稳定(μpad)。一旦完成基底的减成图案化，就可以利用用于切割最终装置(例如切割机)的系统将基底切割成单独的微流体装置。

有利地，制造本发明微流体装置所需的材料便宜，易于获得且易于在本制造过程中使用。此外，本发明的组装和制造方法可用于大量生产μpad，有助于制造本装置的效率。此外，该制造方法能够使μpad≤小型化，从而可以使用微量样品体积，从而减少装置中使用的材料量，生物测定所需的化学试剂体积，包装成本，从而导致总成本低廉的μpad用于诊断和环境测试应用。

通过参考以下具体实施方案描述本发明的实施例，所述实施例不应解释为限制性的。

实施例1

使用激光切割制造技术来制备微流体装置，其包括背衬有铝箔的色谱纸(whatman，1chr)以产生小的精确特征。

使用材料和化学品-铝箔(diamond-reynoldsconsumerproductsinc.，厚度：15μm)和双面胶带(studio)。纤维素色谱纸(whatman等级1chrbygehealthcare，尺寸：20cm×20cm，厚度：0.18mm)和含有葡萄糖的人造尿液样品(水>98.89％、葡萄糖1％、对羟基苯甲酸甲酯0.1％、茜素黄0.0035％、百里酚0.0017％)购自vwrinternational(mississauga，ontario，加拿大)。红色染料(alluraredac染料含量80％)，去离子水、葡萄糖氧化酶(asperghhtsniger)，辣根过氧化物酶(hrp)和碘化钾购自sigma-aldrich(oakville，ontario，加拿大。使用去离子水制备溶液。有色染料从studio制造的颜色标记(毡尖笔)中提取。

微特征的制造-为了制造紧凑和微尺度特征，组装了包括背衬有铝箔的色谱纸的纸基装置，如图1a所示。用双面胶带或通过将箔粘合到纸层上或通过使用箔带将铝箔固定到纸上。使用inkscape软件在pc上绘制所需的特征图案。使用波长为10.6μm的30wco2激光器(speedy100，trotec)将这些图案印刷到箔背衬纸上，如图1b所示。制造技术的基础是30w激光束可以切穿纸层(和粘合剂层)，产生具有其中材料被去除的疏水屏障的通道，但不能切穿铝箔层，如图1c所示。为了切穿铝，通常需要大约1000w的激光功率。因此，箔背衬为纸基微流体装置提供连续，持久的支撑，其将纸层固定在适当位置并且能够在纸中切割具有窄疏水屏障的精确微尺度特征。由于箔层粘附在纸上，因此最终的装置不会受到微尺度特征的任何偏移的影响，并且在测试时易于处理。

使用具有toupview软件的usb显微镜(xcsource，20x-800x，8led，3d数字变焦显微镜)测量特征和屏障尺寸。使用dslr相机(具有nikonaf-sdxmicro40mmf2.8g镜片的nikond5200)和扫描仪(ricoh，aficiomp2002)捕获测定图像。使用jeol6400扫描选择显微镜(sem)拍摄色谱纸的显微图像。

大规模生产的能力-就批量生产能力而言，本制造方法包括：(i)纸和箔供给系统，(ii)粘贴纸和箔，(iii)激光切割系统以及(iv)切割最终的纸张装置(例如压切)。如图2所示，单条生产线可以配备所有这些设施，用于大规模连续生产。纸和箔也可以在上述过程之前预先固定。

用染料和葡萄糖进行的测定-通过仅使用2μl样品流体在具有八个测试读出区的装置上进行染料测试和葡萄糖测试来测试本微尺度装置。对于染料测试，将8种不同颜色染料(标记墨水)中的每种约0.2μl点在测试读数圆圈中并使其在室温下干燥。然后将黄色标记染料(2μl)置于样品区，其通过通道流到读出区。对于葡萄糖测试，使用标准程序在测试读数区域上点0.1μl的0.6m碘化钾，然后是0.1μl葡萄糖氧化酶-辣根过氧化物酶(120单位葡萄糖氧化酶和30单位辣根过氧化物酶/ml溶液)。(martinez等，analchem.，2008,80,3699-3707)。将它们在室温下干燥。然后将具有葡萄糖的人工尿液(2μl)置于样品区，其通过通道流到八个读出区。

结果

疏水屏障的最小宽度-为了优化屏障宽度，在箔背衬纸上制造3mm直径的圆，用于一系列激光功率和切割速度。较窄的屏障宽度使得能够在单个装置上包含更多图案，因为它们可以更紧密地包装在一起，这使得能够使用更小的样品流体体积执行更多测试。但是，如果屏障太小，则流体可能会穿过屏障流出。更高的激光功率消除了纸张的更大区域，因此产生更大的切割宽度。类似地，激光切割头的较低速度导致更多纸材料的去除和更大的切割宽度。功率和速度可以调整为最大值的百分比，其中激光器的最大功率为30w，最大切割速度为80cm/sec。在一张纸上切割出一系列圆形图案，如图3所示，从0.5％的速度和1％的功率(最大速度和功率)开始，并以0.25％的增量增加以加速到最大为3％，功率增量为1％达到最大为8％。通过对于每个功率和速度组合放置0.6μl红色染料来测试圆圈的跨屏障出血，如图3所示。图3中的虚线将成功和不成功的圆圈分开，使得位于虚线之上的圆圈显示交叉屏障出血，而下面的那些没有显示交叉屏障出血。

为了确定哪个成功的圆具有最窄的屏障宽度，通过分析显微镜图像并绘制图4中的结果来测量每个圆的屏障。在该非限制性实施方案中，最窄的屏障是39±15μm，从0.75％的速度和3％的功率得到，如图3中的加框圆圈所示。为了比较，先前报道的在滤纸中激光切割的屏障宽度为400μm，(如nie等人，analyst，2012,138,671-676所述)并且在硝酸纤维素膜对于激光蚀刻是85±5μm(如spicar-mihalic等人，j.micromech.microeng.，2013,23,067003中所述)。

图4还确认较慢的速度值和高功率值导致较厚的屏障。从图3和图4的结果还可以看出，可以使用各种激光功率和速度组合，这取决于每种应用需要多大的疏水屏障尺寸。

对于在激光蚀刻工具的一系列速度和功率设置下做出的3mm见方的μpad设计进行了类似的测试。该测试中的最窄屏障宽度被确定为36±13μm，由0.75％的速度和3％的功率产生。

本发明的系统和方法提供的屏障宽度小于传统的解决方案。本发明的系统和方法提供的屏障宽度小于55μm，优选小于39μm，更优选小于或等于36μm。根据所使用的基底类型、蚀刻装置的功率、蚀刻装置的速度和蚀刻装置的聚焦能力中的一种或多种，本发明可以实现更小的屏障宽度。

纸通道的最小宽度(亲水路径)-为了确定使用whatman1chr纸的这种技术可以创建的最小可能特征，设计了3mm长的不同宽度的通道，其与3mm直径的圆相连，如图5所示。在图5中，示出了为软件中的图案(左侧)绘制的线到线距离，以及用usb显微镜(右侧)测量的实际宽度。从图5中可以看出，在绘制距离与实际通道宽度之间，通道宽度的近似减小范围为33至60μm。通过在每个圆圈中放置0.7μl红色染料并观察流体是否可以沿着通道的整个长度流动来测试每个通道。最小的纸通道具有128+/-30μm的实际宽度。对纸通道的仔细检查表明，在宽度低于该值时，纤维基质中的纤维变得松散并且失去了与相邻纤维保持编织的能力，从而为流体提供连续的路径。因此，确定纸通道宽度为至少约100μm足以使纤维保留该纸类型的纤维基质的部分。为了观察该长度尺度是否对应于物理参数，检查了色谱纸的sem图像，并且对于该纸类型观察到纤维宽度大至20μm并且纤维之间的间隙大至50μm。

因此，本发明的系统和方法提供的通道宽度小于传统解决方案。本发明的系统和方法提供的通道宽度小于270μm，优选小于150μm，更优选等于128μm±30μm。本发明可以实现更小的通道宽度，取决于所使用的基底类型、蚀刻装置的功率、蚀刻装置的速度和蚀刻装置的聚焦能力中的一个或多个。例如，最小通道宽度可以变化，因为不同的衬底材料可以具有不同的击穿阈值(例如，在衬底击穿之前的最小通道厚度)。

小样品体积的染料测试-使用上述箔背激光切割方法制备装置，在中间(直径3mm)具有样品圆，其供给通过280μm长的通道连接的8个测试读出区(直径2mm)，设计宽度为300μm，屏障宽度为39±15μm，如图6所示，证明了本装置在单个样品体积的多次测定中的使用潜力。使用本发明的制造技术，可以使圆直径更小并且仅受实验者移液样品的准确性(例如，样品圆直径)和肉眼检测能力(例如用于读出圆)的限制。

用代表潜在生物测定的试剂的0.2μl绿色、浅绿色、蓝色、浅蓝色、橙色、红色、棕色和粉红色染料点缀周围的圆圈。将黄色染料(2.0μl)置于中心圆中以模拟样品体积，并且在每个读出区中产生的颜色变化表示成功的测试读数。因此，中心圆接收样本流体，其流向周围的八个测试圆以产生八种不同的颜色变化。这证明了本制造技术在纸(即微流体装置)中产生紧凑和微尺度特征以与微样品一起使用的实用性。

用小体积尿液样品进行葡萄糖测试-为了证明制备技术与生物测定的功效，仅使用2μl人工尿液样品进行葡萄糖氧化酶(gox)测定。使用与染料测试所述相同的布局。如上所述使用完善的比色检测技术。试剂最初是无色的，并且在将尿样置于样品圆中之后，测试读出区在样品放置的5分钟内变为深棕色，表明存在葡萄糖。棕色的强度取决于尿液样品中葡萄糖的浓度。这证明了使用微量样品(即2μl样品)在生物测定中成功使用本发明的微流体装置。在实践中，八个读出区可以包含用于各种测试的不同试剂。

结论

因此，已经开发了一种简单的制造技术，其能够使用激光切割机在基于纸的微流体装置上图案化紧凑和微观特征。制造所需的材料便宜，易于获得并且易于在制造过程中使用。此外，该技术可以结合到μpad的大规模生产中。该技术可实现μpad的小型化，从而可以使用少量样品，从而减少装置中使用的材料量，减少生物测定所需的化学试剂体积，降低包装成本，并为全球诊断和环境测试应用提供廉价的μpad。

制备具有宽度为39±15μm的通道屏障的装置，其能够限制流过屏障的流体流动。发现宽度为约100μm的通道允许流体在所用的色谱纸中流动。使用仅具有2μl样品流体体积的具有八个读出区的装置进行成功的染料测试和葡萄糖测试，以证明本技术可用于产生能够产生紧凑和微生物生物测定的装置。

实施例2

如下所述制备包含各种几何形状的亲水区域的微流体装置。

制备了三维(3d)流动的双向μpad架构，其通过使用激光器的减成图案化在铝箔背衬的whatman1色谱纸中制成。μpad包括第一减成图案(以产生第一流体流动区域)，以及在第一减成图案的任一侧上垂直于第一减成图案的第二减成图案(以产生第二流体流动区域)。第二减成图案的流体流动部分经由包含纤维素糊剂的吸收性基底通道连接在第一流体流动区域下方。将两种不同颜色的染料样品施加到第一和第二流体流动区域中的每一个。施加到第二流体流动区域的一侧的红色样品通过施加到第一流体流动区域的蓝色样品下方，并且在第二流体流动区域的另一侧观察到，而不与第一流体流动区域中的蓝色样品混合。

使用铝箔背衬的whatman1色谱纸通过使用激光器的减成图案化来制备三维(3d)流动的四向μpad架构。减成图案产生四个流体流动区域，每个流体区域包括纤维素糊状桥通过其他流体流动区域之上或之下。向每个流体流动区域施加不同颜色的染料样品。观察到流体流动保持在每个流体流动区域内而没有混合有色染料。该实施例示出了利用本装置可能实现的μpad架构的复杂性。

另一种由铝箔和聚酯背衬硝化纤维素制成的双向μpad架构是通过使用激光器的减成图案化制备，使两个样品沿着不同的流体流动路径长度流动，其中一个是直路径，另一个是蛇形路径。硝化纤维素的聚酯背衬对激光不是不可渗透的并且被激光损坏，但是该架构通过将材料保持在不可渗透的铝箔上的粘合剂保持在适当的位置，保持蚀刻的边界并防止泄漏。显示应用于每个路径长度的染色样品沿着路径流动，包括沿着蛇形路径长度的流动。

通过使用激光器的减成图案化来制备在铝箔和聚酯背衬的硝化纤维素纸中制备的三向多重μpad架构，以进行多重颜色测定。减成图案化提供了样品圆，其通过3个臂流体连接到3个不同的测试圆，分别包含溴酚蓝、葡萄糖氧化酶和碘化钾，用于样品的比色检测。添加到μpad的样品圆中的合成血清样品流到测试圆，改变三个测试位点的颜色。

前述说明了本发明的μpad的实用性具有不同的几何形状和2个或更多个维度。

在示例性实施方案中，产生宽度为36±13μm和39±15μm的通道屏障，其能够限制穿过屏障的流体流动。同样，生成宽度为128±30μm的通道。使用仅使用2μl样品流体体积的八个读出区进行成功的染料测试和葡萄糖测试，以证明本发明的组装和制造方法能够产生紧凑和微观的生物测定。

实施例3

在该实验研究中，在五种不同类型的纸中研究了能够使流体流动的最小可能特征尺寸：(i)whatman1chr色谱纸(1chi1)，(ii)whatman3mmchr色谱纸(3mmchr)，(iii)whatman再生纤维素膜55(rc-55)，(iv)whatman滤纸50级(fp-50)和(v)amershanprotran0.45硝酸纤维素膜(nc)。

材料-whatman1chr色谱纸(1chr)，whatman3mmchr色谱纸(3mmchr)，whatman再生纤维素膜55(rc-55)，whatman滤纸50级(fp-50)和amershanprotran0.45硝酸纤维素膜(nc)。所有纸张类型均由ge医疗保健部门生产。染料含量80％的alluraredac购自sigma-aldrich(oakville，ontario，加拿大)，铝箔(如上)购自uoitcentralstores，oshawa，ontario。3m^tm的一卷可定位安装粘合剂膜568购自amazon.ca。

小尺度特征的制造-使用如实施方案1中所述的方法在五种不同的纸材料中制造微尺度特征。对先前方法的修改包括使用可定位的安装粘合剂膜(3m^tm)代替双面胶带以及使用手动冷裱机(手工乙烯薄膜安装冷裱机，由asc365国际有限公司，amazon.ca出售)来粘合层，如图7所示。通过去除亲水性纸材料，使用30wco2激光器(speedy100，trotec)在特征周围形成屏障。制作了不同宽度的通道，从240μm到140μm的线到线设计宽度，这是在inkscape中绘制并输入激光器以确定激光束所遵循的路径的线之间的距离，间隔为20μm。在通过激光切割之后在纸材料上产生的通道的实际宽度小于设计宽度，并且在此报告实际产生的宽度。

为了在商业上可获得的纸张类型中建立制造方法和最小可能特征尺寸之间的独立性，使用chr1纸在没有箔背衬的情况下进行实验，其中通过激光切割制造通道。对于这种制造，纸张在没有任何粘合剂或箔背衬的情况下被切割，并且通过与主纸张连接而将通道保持在适当位置，因此不会将通道与具有疏水屏障的纸张的其余部分流体隔离，遵循zie等人，theanalyst2012,138(2)，671-676中描述的方法。

确定能够使流体流动的最小可能特征-从每种材料制造不同宽度的通道(线间设计宽度范围从240μm到140μm，间隔为20μm)，每个通道连接两个储存器圆圈，其最终形状类似于哑铃，如图7所示。使用移液管将2μl红色染料(0.5g/l-allurared)置于其中一个圆圈上。成功的通道被认为是染料根据观察结果芯吸通到相反的圆圈的通道。用显微镜(具有10mpusb数码相机的omax40x-1600x专业epi-荧光三目生物显微镜，由microscopenetcanada，amazon.ca出售)测量通道的实际宽度。

通过小尺度特征确定染料流速-通过由三种不同纸张类型制造的不同宽度的小尺度通道测量染料流速：chr-1,3mmchr和rc-55。实验程序的示意图显示在图8中。每个纸通道位于培养皿上，并从其上含有过量体积染料(0.5g/l，allurared)的三角形纸储存器供给。培养皿的表面是疏水性的，使染料直接移动到通道而不沿培养皿扩散。储存器的尖端与每个通道的入口区域连接，并提供无限的流体供应，用于连续流过每个通道。当储存器的尖端与通道的入口区域接触时，培养皿被盖子盖住，以减少蒸发损失对系统的影响。用dslr相机(带有nikonaf-sdxmicro40mmf2.8g镜头的nikond5200)记录流量，该相机与pc连接以在显示器上观察流量。使用激光器沿每个通道切割具有250μm刻度线的5mm刻度，以测量液体前沿行进特定距离所需的时间。为了将液体前沿与屏幕上打印的刻度线对齐，使用网格软件(mb-ruler)生成具有精确刻度线间距的网格。vsdc视频编辑软件用于测量液体前沿在刻度线之间行进所需的时间，以毫秒为单位。

结果

为了确定能够使流体流动的某些基于纸的装置中的最小特征尺寸，沿着连接两个储存器并且宽度变化的1mm长通道的流体流动在不同的纸张类型中测量，如图9所示。一式三份重复测试以建立可重复性，结果总结在表1中。

表1

如表1所示，允许流体流动的最窄通道宽度在硝酸纤维素膜(nc)中形成。两种制造技术(有和没有箔背衬)的比较表明，每个装置中成功流体流动的最小宽度是相似的，因此证明了与特定制造方法的独立性。

为了理解哪些参数影响能够在纸基装置中实现流动的最小特征，将当前数据与纸张类型的一些物理特性相关联。观察到为了成功的流体流动的纤维宽度和最窄可能的通道宽度之间的相关性。平均纤维宽度由sem图像中观察到的纤维直径确定。五种不同纸张类型的纤维宽度相对于最小可能的通道宽度绘制，如图10所示。该图显示，通常，纤维宽度越小，允许流体流动的通道宽度越小。因此，在一些情况下，小于100μm的通道宽度在平均纤维宽度小于5μm，小于2μm，或小于1μm，例如0.1-0.5μm的纸基底中是可能的。包括平均纤维宽度大于5μm，例如10-20μm的纸基底可以产生大于100μm的通道，例如，大于110μm，120μm，130μm，140μm，150μm及更大。

还确定，为了成功地使流体流过纸通道，纤维结构应该沿着通道路径连续地连接，以确保流体被毛细管力芯吸。当沿着信道的纤维网络例如被松散或被破坏的纤维断开连接时，信道不能承载液体。sem图像证实，不成功的通道包括由于通道宽度太小而不连续的纤维网络。因此，具有较小纤维宽度的纸张类型能够沿较小通道(例如<100μm)具有连续纤维网络，而具有较大纤维宽度的纸张在较大(例如>100μm)的通道中保持连续纤维网络。

为了通过纸基装置中的微尺度特征检查流动行为，使用chr1,3mmchr和rc-55进行实验。测定流体以0.5mm的间隔行进5mm所需的时间。表2总结了这些实验中使用的三种纸张类型的线到线设计宽度和相应的实际宽度。

表2

图11(a-c)分别示出了液体前沿通过chr-1、3mmchr和rc-55的各种通道宽度的行进时间。图11a示出了chr-1中变化宽度的流速几乎没有可观察到的变化，除了在观察到流动减慢的两个最小宽度之外。图11b示出了3mmchr的相同趋势，除了唯一可观察的变化是针对最小的通道宽度，并且相对于chr1实验，通过3mmchr纸的流动更快。图11c显示rc-55也遵循与3mmchr相同的趋势，流速接近chr1。因此，通常，流速随通道宽度增加。

本发明的上述实施方案旨在作为本发明的实施例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对其进行改变和修改，本发明的范围由所附权利要求限定。

本文提及的参考文献通过引用并入本文。