微流控纸芯片制作方法

纸芯片的制作原理是通过对纸张表面进行化学改性、疏水试剂的物理沉积以及物理切割等方式，在纸上创建疏水屏障，从而构建出图案化的亲水通道。其制作方法包括紫外光刻、蜡印法、等离子体处理技术、蚀刻法、喷墨打印、印刷法、绘图法和切割法等。

紫外光刻法

紫外光刻法是一种通过紫外线照射光刻胶实现微型结构制造的方法。掩模版经过掩膜和预处理后，通过光化学反应，在特定曝光区域形成化学交联作用。经显影和清洗等步骤去除未曝光部分，而曝光部分则形成用于制造微结构通道的模板。

紫外光刻法是最早用于制作纸芯片的方法，能够在纸基材上精确控制形成图案的亲水和疏水通道，具有一定的稳定性。

然而，制作过程中使用的光刻胶价格昂贵，并且需要在洁净实验室中进行，对环境要求较高。此外，所制作的纸芯片韧性差，不易折叠，这些因素限制了其在实际应用中的推广。

蜡印法

蜡印法是通过将石蜡按照设计的图案印刷在纸基材上，然后加热使石蜡熔化并渗入纸张，形成疏水层，从而构建微通道。

蜡印法制作的通道能够在水溶液中工作，包括酸、碱、缓冲剂和甘油，但蜡与大多数有机溶剂不相容。此外，由于疏水层的表面能较低，蜡的性质可能导致某些表面张力低的生物溶液流过疏水屏障。

另外，蜡印制作的图案分辨率相对较低，需要结合喷蜡打印机或3D打印机等高精度制造设备，以提高蜡印图案的分辨率和精度，从而满足更加微量化的生化检测需求。

等离子体处理技术

等离子体处理是一种常用的材料表面处理技术，利用非聚合性气体（如Ar、H₂、N₂、NH₃、O₂等）的等离子体对材料表面进行加工。

通过在材料表面引入新的化学基团或改变高分子链的结构，可以改善材料的表面亲水性、黏附性以及生物相容性等特性。

在纸芯片制备过程中使用等离子体处理技术，可以增强纸芯片的生物相容性，提高其检测的灵敏度和重复性。然而，操作时需要精确控制处理时间、气体流量和气体浓度，以避免过度处理或气体渗漏，导致不必要的亲水或疏水区域的产生。

蚀刻法

蚀刻是通过化学反应或物理方式，利用液体蚀剂或激光对纸基材表面进行微细加工，以构建微流体通道。然而，湿法蚀刻的局限在于速度较慢且消耗大量化学试剂。

为了加快蚀刻速度，可以在湿法蚀刻中加入电解装置。另一方面，激光蚀刻在速度和精度上有显著提升，但相较于湿法蚀刻，它需要昂贵的设备，且技术要求较高。

喷墨打印

喷墨打印与蜡印法类似，但喷墨打印是通过喷头控制，将疏水性油墨喷射形成各种图案或通道。当疏水性油墨喷射至纸张上时，会迅速干燥固定，不易模糊，从而快速形成亲水和疏水通道。

喷墨打印可以利用特定的油墨或有机溶剂来构造微流体通道。此外，通过喷墨打印机分层喷涂不同的试剂，可以形成复杂的通道结构，避免热失控和精度问题。同时，喷墨打印具有灵活性强、可定制化程度高等优点。

印刷法

柔性印刷通过网纹辊将油墨传递到纸基材上，形成清晰的疏水图案。该方法需要使用专用的柔性版制成印刷图案，并且要求印刷纸张具有较高的平滑度，否则会影响印刷质量。

丝网印刷是将需要印刷的图案制作成网版，然后将墨水涂在网版上，通过将纸张放置在网版上并施加压力，将墨水印刷到纸张上。

通过反复印刷和烘干的过程，可以逐步构建复杂的纸芯片结构。丝网印刷具有成本低、适用范围广的优点，适用于简单和大批量生产。

然而，丝网印刷不适合制作精细和复杂图案，并且需要为每个不同的图案设计相应的丝网模板，限制了其灵活性。

绘图法

绘图法包括人工手动绘图和绘图仪绘图两种方法。

人工手动绘图是使用油性记号笔或蜡笔，在滤纸上临摹或绘制出所需图案，从而形成亲水和疏水通道，制作纸芯片。

该方法方便，成本低，无需贵重仪器和专业人员，同时具有较高的灵活性和创意性，能够根据需求设计纸芯片结构。然而，人工手动绘图的局限性在于仅依靠人工操作，难以保证纸芯片的一致性和分辨率，容易造成误差和不可重复性问题。

绘图仪绘图是使用计算机程序控制绘图仪，在滤纸上选定区域绘制设计好的图案，待疏水试剂风干后形成疏水屏障。自动化绘图方法可以快速、准确地在滤纸上实现芯片设计，制作出符合要求的纸芯片。

相比传统手动绘图，自动化绘图方法不仅能够提高制作效率，还能保证芯片的精度和一致性。然而，使用绘图仪制作纸芯片需要价格昂贵的设备，并且需要基本的计算机操作技能。

切割法

纸芯片的制作也可以采用手工切割或切割机切割两种方法。

手工切割是一种传统的、基础的纸芯片制备方法，通过使用剪刀或刻刀等工具，对纸基材进行裁剪，构造所需的微通道结构。

该方法简单、成本低，适用于制备相对简单图案的纸芯片。然而，由于人为因素和实验操作的影响，难以保证切割的精确度和重复性，容易导致误差和不可重复性问题。

激光切割是利用高能量密度激光束聚焦在材料表面，使其熔化、气化或分解，并使激光束沿图案轨迹运动，从而达到切割目的。

激光切割技术提高了纸芯片的制作效率，具有高精度、加工表面光洁度高以及能够实现复杂形状切割的优势。对于微型纸芯片的制作，可以选择小型CO₂激光切割机，这类设备相较于大型激光切割机成本更低廉。