纸基微流控技术的发展现状及趋势分析

黄小雷　刘　文　刘群华　陈雪峰

（1.中国制浆造纸研究院，　北京　100102； 2.制浆造纸国家工程实验室，　北京　100102）

纸基微流控技术的发展现状及趋势分析

黄小雷1,2刘文1,2刘群华1,2陈雪峰1,2

（1.中国制浆造纸研究院，北京100102； 2.制浆造纸国家工程实验室，北京100102）

纸基微流控技术自2007年问世以来，发展迅速，可用于健康诊断、环境监测和食品质量分析等诸多领域。重点介绍纸基微流控装置的制造方法、主要应用、发展需要突破的瓶颈以及未来的发展前景这四方面的内容。

纸基微流控分析生物化学

0　前　言

自从20世纪90年代提出微型全分析系统(Miniaturized Total Analysis Systems，μ-TAS)的概念[1]以来，微流控芯片作为其中的核心技术己经逐渐发展为世界上最先进的科学技术之一。它将化学和生物等领域所涉及的样品选择、制备、进样、反应、分离、检测等基本操作集成到一个几cm2(甚至更小)的微芯片上，由微通道形成基本结构来控制流体，用以完成不同的化学或生物反应过程，并对其产物进行分析。它为生物化学分析新局面的开创提供了一个新的研究平台。纸基微流控是近几年来在微流控芯片上的进一步发展。它多以滤纸为基材，运用光刻、喷墨印刷等技术制作而成，己经成功地用于比色分析、电化学分析、生物样品分析等领域。这种低成本的纸基微流控诊断和分析装置对于一些发展中国家、偏远地区，或者是家庭式的床前检验是很有帮助和吸引力的。由于它具有重量轻、携带方便、可一次性使用、成本低廉、所需样品的体积小、分析速度快、可以进行多种物质同时检测等优点，己经被越来越多地应用于化学、生物、医学等领域，有着很好的发展前景。然而到目前为止，关于纸基微流控的国内外文献报道还很少，造纸行业更是鲜有人关注，而纸张作为纸基微流控装置的重要基材，生产纸张的原材料、抄造工艺以及纸张自身的物理孔隙结构、孔径分布等都可能对纸基微流控装置的检测分析效率、效果有不同程度的影响。本文将重点介绍纸基微流控装置的制造方法、主要应用、发展需要突破的瓶颈、未来的发展前景这四方面的内容。期望能引起造纸行业相关人士的更多关注和重视，为逐步推进纸基微流控装置的应用从实验室走向社会生活的方方面面贡献绵薄之力。

1　纸基微流控装置的制造方法

2007年哈佛大学的Whitesides团队发明了纸基微流控装置[2]，如图1所示。M üller等人早在1949年就已经开展了类似的工作[3]，他们研究如何优先洗脱纸上通道内的染料混合物。他们在滤纸上浸渍固体蜡以形成设计好的图案，形成流体的通道。这种带固体蜡图案的纸被认为是纸基微流控装置的雏形。

图1　2007年发明的纸基微流控装置示意图

“纸基微流控装置”，也称为“纸上实验室”，可以处理和分析流体。自问世以来，发展迅速，可用于健康诊断、环境监测和食品质量分析等诸多领域。纸可以作为微流控装置的基材，主要原因如下:

（1）纤维素基材料来源广泛、价格低廉。

（2）兼容性强，可用于化学、生物化学和医疗领域。

（3）无外力时，可以利用毛细管作用力传输流体。

纸上可以建立多种2D和3D的微流体通道，流体可以被控制在预先设计的通道内流动。

纸基微流控装置具有成本低、便于携带、可回收利用、无需检测设备等特点，尤其是在一些紧急的情况下以及偏远、欠发达地区，人们在不需要医生在场时自己就能即时检测显得十分重要。纸基微流控装置主要围绕以下这两方面开展研究，一是开发低成本、简单的制造方法；二是与高效的检测方法相结合开发出更多新用途。

根据文献报道，纸基微流控装置的制造方法共分为以下9种:①光刻法；②绘图仪打印法；③喷墨蚀刻法；④等离子体处理法；⑤蜡染印刷法；⑥喷墨印刷法；⑦柔性版印刷法；⑧丝网印刷法；⑨激光处理法。这些制造方法的基本原则是，用憎水性化合物在亲水性的纸上形成不同图案，以划分界限从而形成纸基微流控通道，由此形成的通道为μm级（几百至几千μm）的毛细管通道，详见表1。

表1　9种不同的纸基微流控装置制造方法对比分析

表1简要列出了9种不同制造方法所用的憎水化合物、图案绘制原理和方法。许多种憎水化合物被用来绘制图案，在纸上形成憎水的微米级通道。以100 cm2滤纸上绘制图案的试剂成本来计算，较贵的光刻胶SU-8，其成本≤0.60元；略便宜的试剂，如固体蜡，其成本≤0.06元；成本特别低的，如AKD，成本≤0.000 06元。

根据这些憎水化合物与纸张的结合状态，可将其分为三类:

（1）物理阻隔纸张中的孔隙[采用光刻胶和聚二甲基硅氧烷(PDMS)]。

（2）在纤维表面物理沉积憎水化合物（聚苯乙烯或蜡）。

（3）对纤维表面进行化学改性（采用如造纸工业中的施胶剂AKD或其他憎水化合物）。

物理阻隔纸张中的孔隙和纤维表面的物理改性。这两种方式中憎水化合物与纤维素纤维之间不发生化学反应。这些试剂通过浸渍进入纸张孔隙中或沉积在纤维表面，改变了纸张的润湿性能，纸张中形成了憎水-亲水区域。对纤维表面进行化学改性，是采用一些能与纤维素上的—OH反应的试剂，向纤维素分子链上引入憎水基团。采用这种方法改性的纸张，通过有机溶剂抽提也不会影响其憎水性；然而纤维表面物理沉积改性的纸张，通过有机溶剂冲洗后纸张的憎水性会大幅度降低。

2　纸基微流控装置的主要应用

传统的实验室仪器虽然可以对样品进行定量分析，但是这些分析仪器往往是大型的、昂贵的，而且需要专业技术人员，以及对样品体积的需求也很大。在一些偏远地区，比如那些工业不发达的城市，或者紧急情况，亦或是家庭健康检测是很难实施的。纸基微流控装置可能是最集简单的、廉价的、好操作、需要液体量小等优点于一体的分析装置。它为检测、分析、诊断提供了很好的平台，比简单的试纸检验更多元化，而且可以同时进行多个样品的平行检测试验，并在较短时间内完成，更快速、方便。表2为纸基微流控装置的主要应用举例、所用检测方法及所属领域。涉及的主要检测方法有比色法、电化学法、化学发光法、电化学发光法。主要应用领域包括:健康诊断、生物化学分析、环境监测、生物医疗分析等。

表2　纸基微流控装置的主要应用举例

除了用于分析检测领域，纸基微流控装置还可以用于其他领域:

（1）作为离子移变凝胶等薄膜材料的制作模板，离子移变凝胶可用于药物传输、伤口绷带处有毒物质的吸附剂等[4]。

（2）纸基微流控装置作为承印物，将生物试剂、抗原、蛋白质、DNA等生物化学物质印刷在装置上[5]。

（3）作为灵活设计的基材，快速定型PDMS微装置，有助于简化程序、降低成本[6]。

（4）为3D细胞培养和3D细胞分析提供平台[7]。

3　纸基微流控技术发展需要突破的瓶颈

如前所述，纸基微流控装置在成本、可操作性等方面均具有突出优势。纸基微流控装置的性能与纸基材料的性能、装置的制造方法、涉及的检测方法等均有密切的关系。它的发展不可避免也存在一些需要突破的瓶颈，尚需进一步研究开发。主要表现在以下几个方面:

（1）样品留存在纸基微流体通道内（如造成无效的样品消耗）或样品在传输过程中挥发导致检测效率降低。实际到达检测区域的样品数量与样品总量的比值通常＜50%。在样品数量很少且十分昂贵时，高效的传输显得十分重要。

（2）一些憎水剂的憎水能力有限，对于低表面张力的样品失去作用。如采用固体蜡或AKD作为憎水剂制造的纸基微流控装置，检测流体的表面张力应高于某一个值。当流体的表面张力低于某个值时，流体会渗透到亲水通道中，同时也会渗透到憎水通道中。这是因为固体蜡和AKD使纸张憎水，是通过降低纸张的表面能，而不是阻隔纸张的孔隙。

（3）检测范围大。采用传统的光比色法，很难对浓度非常低的样品进行检测分析。比如，饮用水或食品中的污染物质或有害物质通常是ppb（十亿分之一）甚至是ppt（兆分之一）级。

为了解决这些问题，开展了一系列研究。Tian等人[8]设计了V形凹槽式结构，采用无孔毛细管通道来传输样品。相对于有孔的通道，聚合物薄膜上的V形凹槽式结构的无孔通道能显著减少样品用量，降低样品发生色析分离的可能性，因此提高了样品的传输效率。一些研究主要集中于提高纸基微流控装置检测分析的灵敏度和选择性。其中之一是将分析试剂与溶胶凝胶结合相结合，固定在纸基上。Hossain等人[9]就是采用这种方法，通过观察颜色变化，来检测牛奶和蔬菜中的有机磷酸农药残留（浓度很低）。另外一种是基于比色法，采用纳米级的金，提高检测的灵敏度和选择性。Zhao等人[10]就是采用这种方法，检测脱氧核糖核酸酶Ⅰ和腺苷酸。

4　纸基微流控技术发展趋势分析

纸基微流控技术尚处在研究的早期阶段，要使其更成熟地应用于疾病诊断、即时检测、环境监测等领域尚需开展更多更进一步的研究开发。

未来可能会发明出一些新的纸基微流控装置的制造方法。这些新方法和已有方法的实用性将在用于即时检测和诊断时，通过其材料和制造的成本，实现规模化生产的潜力，对其他设备仪器的依赖性，提供可靠准确的分析结果、远程医疗的相容性，尤其是手机传输或识别分析结果等方面得以体现。许多纸基微流控技术由于过于依赖复杂的设备仪器以识别结果，仅仅停留在实验室研究阶段，难以规模化应用。

纸基材料的抄造、后加工、印刷工艺技术将会对纸基微流控装置的性能带来越来越重要的影响。通过控制纸张的孔隙结构、引入新的纤维素基材料（如纳米纤维素纤维）、生物功能材料、聚合电解质材料，印刷工艺的改进和革新等，将会极大促进纸基微流控技术的发展。截止到目前为止，纸基微流控装置大部分都是以滤纸为基材，未来将会开发出更适合的其他种类的纸张用作基材，使得纸基微流控装置获得意想不到的优异性能。此外，深入研究纸张的表面性能、毛细管作用动力学等，将会有助于精确控制流体在纸张中的行为，进而帮助获得准确度和灵敏度更高的分析结果。

[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

黄小雷, E-mail: xiaoleicoolcool@126.com