紙基微流控技術的發展現狀及趨勢分析

黃小雷　劉　文　劉群華　陳雪峰

（1.中國制漿造紙研究院，　北京　100102； 2.制漿造紙國家工程實驗室，　北京　100102）

紙基微流控技術的發展現狀及趨勢分析

黃小雷1,2劉文1,2劉群華1,2陳雪峰1,2

（1.中國制漿造紙研究院，北京100102； 2.制漿造紙國家工程實驗室，北京100102）

紙基微流控技術自2007年問世以來，發展迅速，可用于健康診斷、環境監測和食品質量分析等諸多領域。重點介紹紙基微流控裝置的制造方法、主要應用、發展需要突破的瓶頸以及未來的發展前景這四方面的內容。

紙基微流控分析生物化學

0　前　言

自從20世紀90年代提出微型全分析系統(Miniaturized Total Analysis Systems，μ-TAS)的概念[1]以來，微流控芯片作為其中的核心技術己經逐漸發展為世界上最先進的科學技術之一。它將化學和生物等領域所涉及的樣品選擇、制備、進樣、反應、分離、檢測等基本操作集成到一個幾cm2(甚至更小)的微芯片上，由微通道形成基本結構來控制流體，用以完成不同的化學或生物反應過程，并對其產物進行分析。它為生物化學分析新局面的開創提供了一個新的研究平臺。紙基微流控是近幾年來在微流控芯片上的進一步發展。它多以濾紙為基材，運用光刻、噴墨印刷等技術制作而成，己經成功地用于比色分析、電化學分析、生物樣品分析等領域。這種低成本的紙基微流控診斷和分析裝置對于一些發展中國家、偏遠地區，或者是家庭式的床前檢驗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、可以進行多種物質同時檢測等優點，己經被越來越多地應用于化學、生物、醫學等領域，有著很好的發展前景。然而到目前為止，關于紙基微流控的國內外文獻報道還很少，造紙行業更是鮮有人關注，而紙張作為紙基微流控裝置的重要基材，生產紙張的原材料、抄造工藝以及紙張自身的物理孔隙結構、孔徑分布等都可能對紙基微流控裝置的檢測分析效率、效果有不同程度的影響。本文將重點介紹紙基微流控裝置的制造方法、主要應用、發展需要突破的瓶頸、未來的發展前景這四方面的內容。期望能引起造紙行業相關人士的更多關注和重視，為逐步推進紙基微流控裝置的應用從實驗室走向社會生活的方方面面貢獻綿薄之力。

1　紙基微流控裝置的制造方法

2007年哈佛大學的Whitesides團隊發明了紙基微流控裝置[2]，如圖1所示。M üller等人早在1949年就已經開展了類似的工作[3]，他們研究如何優先洗脫紙上通道內的染料混合物。他們在濾紙上浸漬固體蠟以形成設計好的圖案，形成流體的通道。這種帶固體蠟圖案的紙被認為是紙基微流控裝置的雛形。

圖1　2007年發明的紙基微流控裝置示意圖

“紙基微流控裝置”，也稱為“紙上實驗室”，可以處理和分析流體。自問世以來，發展迅速，可用于健康診斷、環境監測和食品質量分析等諸多領域。紙可以作為微流控裝置的基材，主要原因如下:

（1）纖維素基材料來源廣泛、價格低廉。

（2）兼容性強，可用于化學、生物化學和醫療領域。

（3）無外力時，可以利用毛細管作用力傳輸流體。

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先設計的通道內流動。

紙基微流控裝置具有成本低、便于攜帶、可回收利用、無需檢測設備等特點，尤其是在一些緊急的情況下以及偏遠、欠發達地區，人們在不需要醫生在場時自己就能即時檢測顯得十分重要。紙基微流控裝置主要圍繞以下這兩方面開展研究，一是開發低成本、簡單的制造方法；二是與高效的檢測方法相結合開發出更多新用途。

根據文獻報道，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（幾百至幾千μm）的毛細管通道，詳見表1。

表1　9種不同的紙基微流控裝置制造方法對比分析

表1簡要列出了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繪制圖案，在紙上形成憎水的微米級通道。以100 cm2濾紙上繪制圖案的試劑成本來計算，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。

根據這些憎水化合物與紙張的結合狀態，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）對纖維表面進行化學改性（采用如造紙工業中的施膠劑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生化學反應。這些試劑通過浸漬進入紙張孔隙中或沉積在纖維表面，改變了紙張的潤濕性能，紙張中形成了憎水-親水區域。對纖維表面進行化學改性，是采用一些能與纖維素上的—OH反應的試劑，向纖維素分子鏈上引入憎水基團。采用這種方法改性的紙張，通過有機溶劑抽提也不會影響其憎水性；然而纖維表面物理沉積改性的紙張，通過有機溶劑沖洗后紙張的憎水性會大幅度降低。

2　紙基微流控裝置的主要應用

傳統的實驗室儀器雖然可以對樣品進行定量分析，但是這些分析儀器往往是大型的、昂貴的，而且需要專業技術人員，以及對樣品體積的需求也很大。在一些偏遠地區，比如那些工業不發達的城市，或者緊急情況，亦或是家庭健康檢測是很難實施的。紙基微流控裝置可能是最集簡單的、廉價的、好操作、需要液體量小等優點于一體的分析裝置。它為檢測、分析、診斷提供了很好的平臺，比簡單的試紙檢驗更多元化，而且可以同時進行多個樣品的平行檢測試驗，并在較短時間內完成，更快速、方便。表2為紙基微流控裝置的主要應用舉例、所用檢測方法及所屬領域。涉及的主要檢測方法有比色法、電化學法、化學發光法、電化學發光法。主要應用領域包括:健康診斷、生物化學分析、環境監測、生物醫療分析等。

表2　紙基微流控裝置的主要應用舉例

除了用于分析檢測領域，紙基微流控裝置還可以用于其他領域:

（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、DNA等生物化學物質印刷在裝置上[5]。

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

（4）為3D細胞培養和3D細胞分析提供平臺[7]。

3　紙基微流控技術發展需要突破的瓶頸

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勢。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、涉及的檢測方法等均有密切的關系。它的發展不可避免也存在一些需要突破的瓶頸，尚需進一步研究開發。主要表現在以下幾個方面:

（1）樣品留存在紙基微流體通道內（如造成無效的樣品消耗）或樣品在傳輸過程中揮發導致檢測效率降低。實際到達檢測區域的樣品數量與樣品總量的比值通常＜50%。在樣品數量很少且十分昂貴時，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，檢測流體的表面張力應高于某一個值。當流體的表面張力低于某個值時，流體會滲透到親水通道中，同時也會滲透到憎水通道中。這是因為固體蠟和AKD使紙張憎水，是通過降低紙張的表面能，而不是阻隔紙張的孔隙。

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

為了解決這些問題，開展了一系列研究。Tian等人[8]設計了V形凹槽式結構，采用無孔毛細管通道來傳輸樣品。相對于有孔的通道，聚合物薄膜上的V形凹槽式結構的無孔通道能顯著減少樣品用量，降低樣品發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合相結合，固定在紙基上。Hossain等人[9]就是采用這種方法，通過觀察顏色變化，來檢測牛奶和蔬菜中的有機磷酸農藥殘留（濃度很低）。另外一種是基于比色法，采用納米級的金，提高檢測的靈敏度和選擇性。Zhao等人[10]就是采用這種方法，檢測脫氧核糖核酸酶Ⅰ和腺苷酸。

4　紙基微流控技術發展趨勢分析

紙基微流控技術尚處在研究的早期階段，要使其更成熟地應用于疾病診斷、即時檢測、環境監測等領域尚需開展更多更進一步的研究開發。

未來可能會發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用性將在用于即時檢測和診斷時，通過其材料和制造的成本，實現規模化生產的潛力，對其他設備儀器的依賴性，提供可靠準確的分析結果、遠程醫療的相容性，尤其是手機傳輸或識別分析結果等方面得以體現。許多紙基微流控技術由于過于依賴復雜的設備儀器以識別結果，僅僅停留在實驗室研究階段，難以規模化應用。

紙基材料的抄造、后加工、印刷工藝技術將會對紙基微流控裝置的性能帶來越來越重要的影響。通過控制紙張的孔隙結構、引入新的纖維素基材料（如納米纖維素纖維）、生物功能材料、聚合電解質材料，印刷工藝的改進和革新等，將會極大促進紙基微流控技術的發展。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，未來將會開發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異性能。此外，深入研究紙張的表面性能、毛細管作用動力學等，將會有助于精確控制流體在紙張中的行為，進而幫助獲得準確度和靈敏度更高的分析結果。

[1] MANZ A, GRABER N, WIDMER H M. et al. Miniaturized Total Chemical Analysis Systems: A Novel Concept for Chemical Sensing[J]. Sens. Actuators, B, 1990, 1(1-6): 244-248.

[2] MüLLER R H,CLEGG D L.Kinetics of Paper- Chromatogram Development[J]. Anal. Chem, 1949,21(9):1123.

[3] MARTINEZ A W, PHILLIPS S T,BUTTE M J, et al. Patterned Paper as a Platform for Inexpensive, Low- Volume, Portable Bioassays[J]. Angew. Chem. Int. Ed, 2007, 46(8):1318.

[4] BRACHER P J, GUPTA M, WHITESIDES G M. Patterned Paper as a Template for the Delivery of Reactants in the Fabrication of Planar Materials[J].Soft Matter, 2010, 6(18):4303.

[5] CHENG C M, MAZZEO A D, GONG J, et al. Whitesides. Millimeter-Scale Contact Printing of Aqueous Solutions Using a Stamp Made out of Paper and Tape[J].Lab Chip, 2010, 10(23):3201.

[6] LU Y,LIN B, QIN J. Patterned Paper as a Low-Cost, Flexible Substrate for Rapid Prototyping of PDMS Microdevices via“ Liquid Molding”[J]. Anal. Chem., 2011,83(5):1830.

[7] DERDA R, TANG S K Y, LAROMAINE A, et al. Multizone Paper Platform for 3D Cell Cultures[J].PLoS ONE, 2011, 6(5):e18940..

[8] TIAN J, KANNANGARA D, LI X, et al. Lab Chip, Capillary Driven Low-Cost V-Groove Microfluidic Device with High Sample Transport Efficiency[J].Lab Chip, 2010, 10(17):2258.

[9] HOSSAIN S M Z, LUCKHAM R E,MCFADDEN M J,et al. Reagentless Bidirectional Lateral Flow Bioactive Paper Sensors for Detection of Pesticides in Beverage and Food Samples[J]. Anal. Chem, 2009, 81(21):9055.

[10] ZHAO W, ALI M M, AGUIRRE S D, et al. Paper- Based Bioassays Using Gold Nanoparticle Colorimetric Probes[J]. Anal. Chem, 2008, 80(22):8431.

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