黃小雷　劉　文　劉群華　陳雪峰

（1.中國(guó)制漿造紙研究院，　北京　100102； 2.制漿造紙國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，　北京　100102）

紙基微流控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

黃小雷1,2劉文1,2劉群華1,2陳雪峰1,2

（1.中國(guó)制漿造紙研究院，北京100102； 2.制漿造紙國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100102）

紙基微流控技術(shù)自2007年問世以來(lái)，發(fā)展迅速，可用于健康診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品質(zhì)量分析等諸多領(lǐng)域。重點(diǎn)介紹紙基微流控裝置的制造方法、主要應(yīng)用、發(fā)展需要突破的瓶頸以及未來(lái)的發(fā)展前景這四方面的內(nèi)容。

紙基微流控分析生物化學(xué)

0　前　言

自從20世紀(jì)90年代提出微型全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total Analysis Systems，μ-TAS)的概念[1]以來(lái)，微流控芯片作為其中的核心技術(shù)己經(jīng)逐漸發(fā)展為世界上最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)之一。它將化學(xué)和生物等領(lǐng)域所涉及的樣品選擇、制備、進(jìn)樣、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作集成到一個(gè)幾cm2(甚至更小)的微芯片上，由微通道形成基本結(jié)構(gòu)來(lái)控制流體，用以完成不同的化學(xué)或生物反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析。它為生物化學(xué)分析新局面的開創(chuàng)提供了一個(gè)新的研究平臺(tái)。紙基微流控是近幾年來(lái)在微流控芯片上的進(jìn)一步發(fā)展。它多以濾紙為基材，運(yùn)用光刻、噴墨印刷等技術(shù)制作而成，己經(jīng)成功地用于比色分析、電化學(xué)分析、生物樣品分析等領(lǐng)域。這種低成本的紙基微流控診斷和分析裝置對(duì)于一些發(fā)展中國(guó)家、偏遠(yuǎn)地區(qū)，或者是家庭式的床前檢驗(yàn)是很有幫助和吸引力的。由于它具有重量輕、攜帶方便、可一次性使用、成本低廉、所需樣品的體積小、分析速度快、可以進(jìn)行多種物質(zhì)同時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，有著很好的發(fā)展前景。然而到目前為止，關(guān)于紙基微流控的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道還很少，造紙行業(yè)更是鮮有人關(guān)注，而紙張作為紙基微流控裝置的重要基材，生產(chǎn)紙張的原材料、抄造工藝以及紙張自身的物理孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布等都可能對(duì)紙基微流控裝置的檢測(cè)分析效率、效果有不同程度的影響。本文將重點(diǎn)介紹紙基微流控裝置的制造方法、主要應(yīng)用、發(fā)展需要突破的瓶頸、未來(lái)的發(fā)展前景這四方面的內(nèi)容。期望能引起造紙行業(yè)相關(guān)人士的更多關(guān)注和重視，為逐步推進(jìn)紙基微流控裝置的應(yīng)用從實(shí)驗(yàn)室走向社會(huì)生活的方方面面貢獻(xiàn)綿薄之力。

1　紙基微流控裝置的制造方法

2007年哈佛大學(xué)的Whitesides團(tuán)隊(duì)發(fā)明了紙基微流控裝置[2]，如圖1所示。M üller等人早在1949年就已經(jīng)開展了類似的工作[3]，他們研究如何優(yōu)先洗脫紙上通道內(nèi)的染料混合物。他們?cè)跒V紙上浸漬固體蠟以形成設(shè)計(jì)好的圖案，形成流體的通道。這種帶固體蠟圖案的紙被認(rèn)為是紙基微流控裝置的雛形。

圖1　2007年發(fā)明的紙基微流控裝置示意圖

“紙基微流控裝置”，也稱為“紙上實(shí)驗(yàn)室”，可以處理和分析流體。自問世以來(lái)，發(fā)展迅速，可用于健康診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品質(zhì)量分析等諸多領(lǐng)域。紙可以作為微流控裝置的基材，主要原因如下:

（1）纖維素基材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉。

（2）兼容性強(qiáng)，可用于化學(xué)、生物化學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域。

（3）無(wú)外力時(shí)，可以利用毛細(xì)管作用力傳輸流體。

紙上可以建立多種2D和3D的微流體通道，流體可以被控制在預(yù)先設(shè)計(jì)的通道內(nèi)流動(dòng)。

紙基微流控裝置具有成本低、便于攜帶、可回收利用、無(wú)需檢測(cè)設(shè)備等特點(diǎn)，尤其是在一些緊急的情況下以及偏遠(yuǎn)、欠發(fā)達(dá)地區(qū)，人們?cè)诓恍枰t(yī)生在場(chǎng)時(shí)自己就能即時(shí)檢測(cè)顯得十分重要。紙基微流控裝置主要圍繞以下這兩方面開展研究，一是開發(fā)低成本、簡(jiǎn)單的制造方法；二是與高效的檢測(cè)方法相結(jié)合開發(fā)出更多新用途。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，紙基微流控裝置的制造方法共分為以下9種:①光刻法；②繪圖儀打印法；③噴墨蝕刻法；④等離子體處理法；⑤蠟染印刷法；⑥噴墨印刷法；⑦柔性版印刷法；⑧絲網(wǎng)印刷法；⑨激光處理法。這些制造方法的基本原則是，用憎水性化合物在親水性的紙上形成不同圖案，以劃分界限從而形成紙基微流控通道，由此形成的通道為μm級(jí)（幾百至幾千μm）的毛細(xì)管通道，詳見表1。

表1　9種不同的紙基微流控裝置制造方法對(duì)比分析

表1簡(jiǎn)要列出了9種不同制造方法所用的憎水化合物、圖案繪制原理和方法。許多種憎水化合物被用來(lái)繪制圖案，在紙上形成憎水的微米級(jí)通道。以100 cm2濾紙上繪制圖案的試劑成本來(lái)計(jì)算，較貴的光刻膠SU-8，其成本≤0.60元；略便宜的試劑，如固體蠟，其成本≤0.06元；成本特別低的，如AKD，成本≤0.000 06元。

根據(jù)這些憎水化合物與紙張的結(jié)合狀態(tài)，可將其分為三類:

（1）物理阻隔紙張中的孔隙[采用光刻膠和聚二甲基硅氧烷(PDMS)]。

（2）在纖維表面物理沉積憎水化合物（聚苯乙烯或蠟）。

（3）對(duì)纖維表面進(jìn)行化學(xué)改性（采用如造紙工業(yè)中的施膠劑AKD或其他憎水化合物）。

物理阻隔紙張中的孔隙和纖維表面的物理改性。這兩種方式中憎水化合物與纖維素纖維之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這些試劑通過(guò)浸漬進(jìn)入紙張孔隙中或沉積在纖維表面，改變了紙張的潤(rùn)濕性能，紙張中形成了憎水-親水區(qū)域。對(duì)纖維表面進(jìn)行化學(xué)改性，是采用一些能與纖維素上的—OH反應(yīng)的試劑，向纖維素分子鏈上引入憎水基團(tuán)。采用這種方法改性的紙張，通過(guò)有機(jī)溶劑抽提也不會(huì)影響其憎水性；然而纖維表面物理沉積改性的紙張，通過(guò)有機(jī)溶劑沖洗后紙張的憎水性會(huì)大幅度降低。

2　紙基微流控裝置的主要應(yīng)用

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室儀器雖然可以對(duì)樣品進(jìn)行定量分析，但是這些分析儀器往往是大型的、昂貴的，而且需要專業(yè)技術(shù)人員，以及對(duì)樣品體積的需求也很大。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，比如那些工業(yè)不發(fā)達(dá)的城市，或者緊急情況，亦或是家庭健康檢測(cè)是很難實(shí)施的。紙基微流控裝置可能是最集簡(jiǎn)單的、廉價(jià)的、好操作、需要液體量小等優(yōu)點(diǎn)于一體的分析裝置。它為檢測(cè)、分析、診斷提供了很好的平臺(tái)，比簡(jiǎn)單的試紙檢驗(yàn)更多元化，而且可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)樣品的平行檢測(cè)試驗(yàn)，并在較短時(shí)間內(nèi)完成，更快速、方便。表2為紙基微流控裝置的主要應(yīng)用舉例、所用檢測(cè)方法及所屬領(lǐng)域。涉及的主要檢測(cè)方法有比色法、電化學(xué)法、化學(xué)發(fā)光法、電化學(xué)發(fā)光法。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括:健康診斷、生物化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療分析等。

表2　紙基微流控裝置的主要應(yīng)用舉例

除了用于分析檢測(cè)領(lǐng)域，紙基微流控裝置還可以用于其他領(lǐng)域:

（1）作為離子移變凝膠等薄膜材料的制作模板，離子移變凝膠可用于藥物傳輸、傷口繃帶處有毒物質(zhì)的吸附劑等[4]。

（2）紙基微流控裝置作為承印物，將生物試劑、抗原、蛋白質(zhì)、DNA等生物化學(xué)物質(zhì)印刷在裝置上[5]。

（3）作為靈活設(shè)計(jì)的基材，快速定型PDMS微裝置，有助于簡(jiǎn)化程序、降低成本[6]。

（4）為3D細(xì)胞培養(yǎng)和3D細(xì)胞分析提供平臺(tái)[7]。

3　紙基微流控技術(shù)發(fā)展需要突破的瓶頸

如前所述，紙基微流控裝置在成本、可操作性等方面均具有突出優(yōu)勢(shì)。紙基微流控裝置的性能與紙基材料的性能、裝置的制造方法、涉及的檢測(cè)方法等均有密切的關(guān)系。它的發(fā)展不可避免也存在一些需要突破的瓶頸，尚需進(jìn)一步研究開發(fā)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

（1）樣品留存在紙基微流體通道內(nèi)（如造成無(wú)效的樣品消耗）或樣品在傳輸過(guò)程中揮發(fā)導(dǎo)致檢測(cè)效率降低。實(shí)際到達(dá)檢測(cè)區(qū)域的樣品數(shù)量與樣品總量的比值通常＜50%。在樣品數(shù)量很少且十分昂貴時(shí)，高效的傳輸顯得十分重要。

（2）一些憎水劑的憎水能力有限，對(duì)于低表面張力的樣品失去作用。如采用固體蠟或AKD作為憎水劑制造的紙基微流控裝置，檢測(cè)流體的表面張力應(yīng)高于某一個(gè)值。當(dāng)流體的表面張力低于某個(gè)值時(shí)，流體會(huì)滲透到親水通道中，同時(shí)也會(huì)滲透到憎水通道中。這是因?yàn)楣腆w蠟和AKD使紙張?jiān)魉峭ㄟ^(guò)降低紙張的表面能，而不是阻隔紙張的孔隙。

（3）檢測(cè)范圍大。采用傳統(tǒng)的光比色法，很難對(duì)濃度非常低的樣品進(jìn)行檢測(cè)分析。比如，飲用水或食品中的污染物質(zhì)或有害物質(zhì)通常是ppb（十億分之一）甚至是ppt（兆分之一）級(jí)。

為了解決這些問題，開展了一系列研究。Tian等人[8]設(shè)計(jì)了V形凹槽式結(jié)構(gòu)，采用無(wú)孔毛細(xì)管通道來(lái)傳輸樣品。相對(duì)于有孔的通道，聚合物薄膜上的V形凹槽式結(jié)構(gòu)的無(wú)孔通道能顯著減少樣品用量，降低樣品發(fā)生色析分離的可能性，因此提高了樣品的傳輸效率。一些研究主要集中于提高紙基微流控裝置檢測(cè)分析的靈敏度和選擇性。其中之一是將分析試劑與溶膠凝膠結(jié)合相結(jié)合，固定在紙基上。Hossain等人[9]就是采用這種方法，通過(guò)觀察顏色變化，來(lái)檢測(cè)牛奶和蔬菜中的有機(jī)磷酸農(nóng)藥殘留（濃度很低）。另外一種是基于比色法，采用納米級(jí)的金，提高檢測(cè)的靈敏度和選擇性。Zhao等人[10]就是采用這種方法，檢測(cè)脫氧核糖核酸酶Ⅰ和腺苷酸。

4　紙基微流控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

紙基微流控技術(shù)尚處在研究的早期階段，要使其更成熟地應(yīng)用于疾病診斷、即時(shí)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域尚需開展更多更進(jìn)一步的研究開發(fā)。

未來(lái)可能會(huì)發(fā)明出一些新的紙基微流控裝置的制造方法。這些新方法和已有方法的實(shí)用性將在用于即時(shí)檢測(cè)和診斷時(shí)，通過(guò)其材料和制造的成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的潛力，對(duì)其他設(shè)備儀器的依賴性，提供可靠準(zhǔn)確的分析結(jié)果、遠(yuǎn)程醫(yī)療的相容性，尤其是手機(jī)傳輸或識(shí)別分析結(jié)果等方面得以體現(xiàn)。許多紙基微流控技術(shù)由于過(guò)于依賴復(fù)雜的設(shè)備儀器以識(shí)別結(jié)果，僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，難以規(guī)模化應(yīng)用。

紙基材料的抄造、后加工、印刷工藝技術(shù)將會(huì)對(duì)紙基微流控裝置的性能帶來(lái)越來(lái)越重要的影響。通過(guò)控制紙張的孔隙結(jié)構(gòu)、引入新的纖維素基材料（如納米纖維素纖維）、生物功能材料、聚合電解質(zhì)材料，印刷工藝的改進(jìn)和革新等，將會(huì)極大促進(jìn)紙基微流控技術(shù)的發(fā)展。截止到目前為止，紙基微流控裝置大部分都是以濾紙為基材，未來(lái)將會(huì)開發(fā)出更適合的其他種類的紙張用作基材，使得紙基微流控裝置獲得意想不到的優(yōu)異性能。此外，深入研究紙張的表面性能、毛細(xì)管作用動(dòng)力學(xué)等，將會(huì)有助于精確控制流體在紙張中的行為，進(jìn)而幫助獲得準(zhǔn)確度和靈敏度更高的分析結(jié)果。

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A perspective on paper-based microfluidics: current status and future trend

HUANG Xiaolei*LIU WenLIU QunhuaCHEN Xuefeng
(1.China National Pulp and Paper Research Institute, Beijing, 100102;2.National Engineering Laboratory for Pulp and Paper,Beijing, 100102)

Paper-based microfluidics as a burgeoning research field with its beginning in 2007, provide a novel system for fluid handling and fluid analysis for a variety of applications including health diagnostics, environmental monitoring as well as food quality testing. The fabrication, the application, the current limitation, and the future perspectives of paper-based microfluidic devices were reviewed in this paper.

paper-based microfluidics; analysis； biology;chemical

黃小雷, E-mail: xiaoleicoolcool@126.com