详述纸基微流控芯片的研究进展

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纸基微流控芯片的工作原理为在亲水的纸基上制作图案化的疏水边界，从而形成微流通道来控制液体的输送，进行一步或多步生物化学反应过程，进而完成整个检测诊断的过程。

纸基微流控芯片制作方法
图 1 列出了几种纸基微流控芯片制作方法的示意图。根据疏水性物质与纸张结合的方式可以将微流通道的制作方法分为 3 类: 物理阻隔法、物理沉积法和化学改性法。其中，蜡印法见 纸基微流控芯片制备之蜡印加热法(附视频)。其它方法见 纸基微流控芯片中制作疏水阀的几种策略。



图 1

其中，物理阻隔法是将疏水性物质如光刻胶或聚二甲基硅氧烷 ( PDMS) 等浸渍到纸张中，阻隔纤维阵列的空隙来达到疏水的效果。物理沉积法是将蜡、聚苯乙烯 ( PS) 等疏水物质沉积在纤维表面，通过降低纸张的表面能，使液体更倾向于渗透到亲水通道内，从而实现控制液体输送的效果。2 种方法都是通过疏水物质与纤维的物理作用从而改变纸张的润湿性能。而化学改性法则是通过使用烷基烯酮二聚体 ( AKD) 等能与—OH 亲水基团发生反应的试剂，在纤维素分子链上引入疏水基团，使纸张形成疏水界限。

纸基微流控芯片的结构
纸基微流控芯片的结构可以分为二维和三维两类。如图 2 所示，二维的纸基微流控芯片主要是在平面上设计微流通道以完成检测分析的过程。二维纸基微流控芯片结构简单，制作方法便捷，但使用效果可能存在一些缺陷。如液体在流动过程中残留在毛细管内或者挥发会导致传输效率低，同时黏滞力会严重影响液体在微通道内的流动，继而影响检测效果。



图 2

相对于二维纸基微流控芯片，三维纸基微流控芯片能实现空间上的多层同步或不同步的反应。而在制作三维纸基微流控芯片时，关键在于实现层与层结合，并且使上下层特定的亲水区域之间保持连通。目前，主要有 2 种制作方法: ① 以层叠的方式依次将各层粘贴起来; ② 所有的层组合到一起后在外部使用夹子、黏合剂或者防护涂层使层与层之间接触。



图 3

图 3 所示为采用第一种方法制作。作者将 4 层色谱纸使用双面胶粘在一起，在各层打孔并加填纤维素粉实现层与层之间的连通，通过添加不同的反应剂对反应区域进行预处理，实现了镉、铜、铬、镍金属离子的有效检测。更多内容见 一种用于免疫反应的纸基微流控芯片。



图 4

图 4 采用第二种方法制作，即所谓的折纸技术，主要用于检测葡萄糖和蛋白质。该芯片实现了样品的水平和垂直输送。更多内容见 书状结构样本进结果出电化学纸基微流控芯片。

纸基微流控芯片的检测方法
纸基微流控芯片可以集成多种检测方法，如比色法、电化学法、化学发光法以及电化学发光法等。其中比色法应用最广泛，在健康诊断、生化分析以及环境检测领域有着巨大的应用潜力，可分析尿液中的葡萄糖、蛋白质、尿酸、酮类，检测乳酸、pH 值、致病菌、亚硝酸盐和 ABO 抗原等，测定碱性磷酸酶或过氧化物酶等的酶活，以及定量或半定量分析环境中重金属的含量及浓度。比色方法可以通过对比标准比色卡得到半定量的结果。比色法检测的缺点在于检测结果的颜色分布不均匀，用肉眼读取结果时会产生一定的误差，而且检测结果容易受纸片或样本的背景干扰。



图 5 比色法

电化学法也可以用于检测葡萄糖、尿酸、乳酸、金属离子如铅、金等，此外，还被报道用于健康诊断中抗坏血酸、胆固醇和总铁量的检测以及测定食品中乙醇的含量。而化学发光法和电化学发光法，也曾分别被报道用于葡萄糖、尿酸的检测和生物医疗中烟酰胺腺嘌呤三核苷酸等多种样品的检测。

纸基微流控芯片检测结果读取
为尽可能清晰地将结果展示给用户，提高比色分析的量化能力已成为纸基微流控芯片研究的目标。常见的用于读取检测结果的方法主要集中在使用扫描仪、手机摄像头以及计算机设备。为了使检测结果的读取更加便捷，如图 6 所示，Jeong 等报道了一种通过读取棒状彩色条的数目来获得实验结果的测量方法，该技术采用蜡印建立一种 3D 芯片，通过计算变色的检测区域来实现样品的量化。





图 6

如图 7 Lewis 等也采用蜡对纸张进行图案化，并通过层压的方法将处理过的各层重叠起来，设计了通过计时获取检测物浓度的纸基传感器，实现了水中铅和汞的检测。






图 7

除了计数和计时的方法之外，长度测量的半定量法操作过程更简单方便。如图 8 所示 Cate 等报道了一种通过使用尺子测量通道中指示颜色变化长度取代色强度测量的半定量方法。长度的测量可以在不同的光照条件下进行，而且可以获得比比色测量法更一致的结果。



图 8

基于使用尺子测量长度以及彩色条计数和时间测量的传感器的设计在很大程度上简化了测试结果的解释，使之更清晰明了地呈现给用户，达到了用户友好的要求。

参考文献
10. 11981 /j. issn. 1000-6842. 2018. 02. 57

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