紙基微流控芯片的研究進展及趨勢

吳　靜　徐軍飛　石聰燦　何明輝　陳廣學(xué)　田君飛

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

1　紙基微流控芯片的起源

微流控芯片技術(shù)是一種利用微米或亞微米通道控制微量(10-18～10-9L)的液體樣品或檢測劑，進行生化分析或醫(yī)學(xué)診斷的技術(shù)。這項技術(shù)最初起源于20世紀(jì)70年代末，Terry等實現(xiàn)了縮微的氣相色譜在硅片上的構(gòu)建，并演示了其進行混合氣體成分分析的效果[1]。隨后，在20世紀(jì)90年代初，Manz等首次提出微全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total(Chemical) Analysis Systems，μ-TAS)的概念[2]，該系統(tǒng)又被稱為Lab on a Chip(LOC)。微流控芯片作為微型全分析系統(tǒng)的核心技術(shù)，它將生物化學(xué)分析過程構(gòu)建在一個幾平方厘米甚至更小的芯片上，通過微流通道控制試劑的輸送，實現(xiàn)樣品的制備、反應(yīng)、檢測等操作，在醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、生化分析等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。目前，微流控芯片已經(jīng)發(fā)展成為世界上最具代表性的微集成化技術(shù)之一。

以紙張為基底構(gòu)建檢測平臺有著諸多優(yōu)點：造價低廉、環(huán)境友好、易于加工、可回收/再生、生物樣品相容性較好、過濾特性良好、可降解等。此外，由于紙張具有多孔親水性的特點，在僅有毛細(xì)管力的作用下即可實現(xiàn)樣品或試劑流體的輸送[3]。利用紙張制作多孔實驗板和紙基檢測芯片并用于化學(xué)分析的概念可以追溯到19世紀(jì)三四十年代[4- 5]。早在1949年，Muller等就開展了類似于微流控技術(shù)的工作，他們通過印制熱熔蠟的方式制作了用于洗脫混合顏料的紙基檢測裝置[5]。而第一個用于半定量檢測尿液中的葡萄糖的紙基傳感器出現(xiàn)在19世紀(jì)50年代[6]；這項發(fā)明進一步發(fā)展為免疫紙基檢測裝置，并逐漸實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。從2007年起，Martinez等提出的用于檢測葡萄糖和蛋白質(zhì)的多通道紙基微流控芯片[7]，激起了新一輪利用紙張設(shè)計微流控診斷器件的研究熱潮。

2　紙基微流控芯片的工作原理、方法以及所用疏水性材料

紙基微流控芯片的工作原理就是在親水的紙基上制作圖案化的疏水邊界，從而形成微流通道來控制液體的輸送，進行一步或多步生物化學(xué)反應(yīng)過程，進而完成整個檢測診斷的過程。圖1列出了幾種紙基微流控芯片制作方法的示意圖[8]。

根據(jù)疏水性物質(zhì)與紙張結(jié)合的方式可以將微流通道的制作方法分為3類：物理阻隔法、物理沉積法和化學(xué)改性法。其中，物理阻隔法是將疏水性物質(zhì)如光刻膠[9]或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等浸漬到紙張中，阻隔纖維陣列的空隙來達(dá)到疏水的效果；物理沉積法是將蠟、聚苯乙烯(PS)等疏水物質(zhì)沉積在纖維表面，通過降低紙張的表面能，使液體更傾向于滲透到親水通道內(nèi)，從而實現(xiàn)控制液體輸送的效果。

圖1　不同紙基微流控芯片的制作方法

2種方法都是通過疏水物質(zhì)與纖維的物理作用從而改變紙張的潤濕性能。而化學(xué)改性法則是通過使用烷基烯酮二聚體(AKD)等能與—OH親水基團發(fā)生反應(yīng)的試劑，在纖維素分子鏈上引入疏水基團，使紙張形成疏水界限。

3　紙基微流控芯片的結(jié)構(gòu)

紙基微流控芯片的結(jié)構(gòu)可以分為二維和三維兩類。二維的紙基微流控芯片主要是在平面上設(shè)計微流通道以完成檢測分析的過程，目前報道的大部分紙基微流控芯片都是基于二維平面的設(shè)計。圖2列舉了部分利用不同方法制作的二維紙基微流控芯片的示例[7,10- 14]。

二維紙基微流控芯片結(jié)構(gòu)簡單，制作方法便捷，但使用效果可能存在一些缺陷。例如液體在流動過程中殘留在毛細(xì)管內(nèi)或者揮發(fā)會導(dǎo)致傳輸效率低，同時黏滯力會嚴(yán)重影響液體在微通道內(nèi)的流動，繼而影響檢測效果。為了解決這些問題，Tian等設(shè)計了V形凹槽結(jié)構(gòu)輸送液體[15]，提高了液體的傳輸效率，同時還降低了樣品在輸送過程中由于毛細(xì)管力等作用發(fā)生色析分離的可能性。

相對于二維紙基微流控芯片，三維紙基微流控芯片能實現(xiàn)空間上的多層同步或不同步的反應(yīng)。而在制作三維紙基微流控芯片時，關(guān)鍵在于實現(xiàn)層與層結(jié)合，并且使上下層特定的親水區(qū)域之間保持連通。目前，主要有2種制作方法：①以層疊的方式依次將各層粘貼起來；②所有的層組合到一起后在外部使用夾子、黏合劑或者防護涂層使層與層之間接觸。圖3(a)所示為第一種方法制作。該芯片由Wang等設(shè)計，他將4層色譜紙使用雙面膠粘在一起，在各層打孔并加填纖維素粉達(dá)到層與層之間的連通，通過添加不同的反應(yīng)劑對反應(yīng)區(qū)域進行預(yù)處理，實現(xiàn)了鎘、銅、鉻、鎳金屬離子的有效檢測[16]。圖3(b)中由Liu等設(shè)計的用于檢測葡萄糖和蛋白質(zhì)的三維紙基微流控芯片則主要使用第二種方法制作，該芯片實現(xiàn)了樣品的水平和垂直輸送[17]。

4　紙基微流控芯片的檢測方法

紙基微流控芯片可以集成多種檢測方法，例如比色法[18]、電化學(xué)法[19]、化學(xué)發(fā)光法[20]以及電化學(xué)發(fā)光法[21]等。其中比色法應(yīng)用最廣泛，在健康診斷、生化分析以及環(huán)境檢測領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，可分析尿液中的葡萄糖、蛋白質(zhì)、尿酸、酮類，檢測乳酸、pH值、致病菌[22]、亞硝酸鹽和ABO抗原等，測定堿性磷酸酶或過氧化物酶等的酶活，以及定量或半定量分析環(huán)境中重金屬的含量及濃度。電化學(xué)法也可以用于檢測葡萄糖、尿酸、乳酸、金屬離子如鉛、金等，此外，還被報道用于健康診斷中抗壞血酸、膽固醇和總鐵量的檢測以及測定食品中乙醇的含量。而化學(xué)發(fā)光法和電化學(xué)發(fā)光法，也曾分別被報道用于葡萄糖、尿酸的檢測和生物醫(yī)療中煙酰胺腺嘌呤三核苷酸[23]等多種樣品的檢測。

2.2 統(tǒng)計學(xué)教學(xué)中的“去數(shù)學(xué)化” 前已述及，統(tǒng)計學(xué)的內(nèi)核在統(tǒng)計思想，而統(tǒng)計學(xué)方法本身呈現(xiàn)給我們的是抽象的數(shù)學(xué)符號。面向數(shù)理功底較差的學(xué)生授課時，如何在講解中，將統(tǒng)計方法“去數(shù)學(xué)化”顯得很重要。所謂的“去數(shù)學(xué)化”實際就是將統(tǒng)計方法呈現(xiàn)給我們的抽象數(shù)學(xué)形式，轉(zhuǎn)換成我們易于理解的語言過程?！叭?shù)學(xué)化”也是對統(tǒng)計方法背后的統(tǒng)計思想的進一步細(xì)化和具體化。我們以因子分析為例來說明“去數(shù)學(xué)化”的重要性。

圖2　利用不同方法制作的二維紙基微流控芯片

圖3　2種三維紙基微流控裝置[16- 17]

5　紙基微流控芯片的不足及改進措施

紙基微流控芯片由于具有體積小、攜帶方便、檢測快速準(zhǔn)確等突出的優(yōu)勢，因此特別適合在資源有限的地區(qū)或家庭式的床邊檢驗中使用。但是紙基微流控芯片的性能、使用以及存儲等方面仍存在一定的不足，例如，靈敏度不高、普通用戶的使用障礙、結(jié)果讀取仍需要外部設(shè)備、由于存儲條件差導(dǎo)致的貨架期短或穩(wěn)定性不佳等問題。為了突破這些瓶頸，一些研究小組對紙基微流控芯片進行了改進，下面從5個方面進行介紹。

5.1　提高紙基微流控芯片的靈敏度和特異性

從2007年起，大量的研究致力于研發(fā)能夠高效、靈敏分析復(fù)雜樣品的紙基微流控芯片，提高芯片的靈敏性也成為研究的一個重要部分[24]。Hossain等采用將分析試劑與溶膠凝膠衍生物相結(jié)合的方法，檢測到了牛奶和蔬菜中濃度很低的有機磷酸農(nóng)藥殘留[25]。Zhao以及Shiroma等分別基于比色法和電化學(xué)法提高了紙基微流控芯片檢測的靈敏度和選擇性[26- 27]。Sun等將分子印刷和照片電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，為五氯苯酚的檢測提供了敏感且特定的平臺[28]。這些紙基診斷的研究可以達(dá)到較高的靈敏度和特異性，但是其中一些必須依賴既昂貴又耗時的先進復(fù)雜設(shè)備的支持。

5.2　簡化紙基微流控芯片的操作過程

大多數(shù)診斷測試，在不同試劑之間反應(yīng)時需要多步過程，因此需要技術(shù)人員來操作。然而，對于非專業(yè)用戶，有必要探索更加滿足用戶友好需求的設(shè)計。研究人員通過以下幾個方面的研究，進一步簡化了紙基微流控芯片的操作使用流程。

5.2.1控制紙張的潤濕條件和液體的輸送速度

紙張中液體輸送的速度可以通過利用不同的材料對紙張進行處理，設(shè)計不同尺寸的通道以及引導(dǎo)液體在紙張上垂直流動或橫向流動等方法來控制。Jahanshahi等分別通過使用膠片覆蓋紙張上的親水通道和用支鏈淀粉建立膠片橋的方法提高和減緩液體的傳輸速度來控制反應(yīng)的時間[29]。Schonhorn等設(shè)計了一種控制方法，通過限制液體在3D芯片中沿垂直和橫向通道輸送，來控制逐步反應(yīng)和清洗的時間[30]，從而簡化了多步順序即時檢測實驗的操作要求。Giokas等使用了類似的方法滿足了多步實驗和時間控制的需求[31]。Akyazi 等在紙基微流控芯片上使用離子凝膠來實現(xiàn)液體在紙基通道中流動延緩的控制[32]。這些可控機制可以實現(xiàn)選擇性或者順序性地引導(dǎo)試劑進入紙基微流控芯片傳感區(qū)域，從而減少了用戶參與檢測過程的需要，增加了芯片的用戶使用友好性。

紙張表面改性也可以用來設(shè)計時間可控的紙基芯片。Lutz等利用可溶性的糖對微流體通道進行功能化并通過簡單的紙張折疊來實現(xiàn)樣品傳輸?shù)臅r間延緩的控制[33]。Jahanshahi等使用改性的紙張設(shè)計了一種用戶友好并無需設(shè)備的傳感器來檢測殺蟲劑[29]，使得在可控的情況下減緩樣品在紙基通道中的流動。

相比二維紙基微流控芯片，三維紙基微流控芯片使得實驗過程對于用戶更加容易且無需特定的儀器，因此可以使用可折疊的紙張制作操作簡單的芯片。Fridley等制作了一種功能化紙片并用于檢測瘧疾[34]。完成這項檢測，用戶只需添加樣品和水以激活干燥的試劑，然后關(guān)閉卡片，橫向射流通道使樣品輸送到不同的反應(yīng)和檢測區(qū)域。通過這項技術(shù)，用戶可以通過一步操作實現(xiàn)多步測試。另外，Jayawardane 等通過使用鋅微粒將硝酸鹽轉(zhuǎn)換為亞硝酸鹽沉積在紙基通道中，實現(xiàn)了同一芯片亞硝酸鹽和硝酸鹽的同步檢測[35]。

圖4　基于時間測量和計算彩色條數(shù)目設(shè)計的紙基傳感器[43- 44]能夠簡化測試結(jié)果的讀取

5.2.3提高紙基微流控芯片對樣品的預(yù)處理能力

為了簡化紙基微流控芯片的操作過程，需要加強芯片自身進行樣品預(yù)處理的能力(例如凈化、離心、分離)。Pollock等報道了一種使用蠟印花紋紙設(shè)計樣品傳輸通道用來半定量分析血清轉(zhuǎn)氨酶的集成3D紙基傳感器[36]，用戶僅需將樣品引入樣品區(qū)，然后讀取比色結(jié)果。該方法能夠很好地分離抗體陽性紅細(xì)胞，但對于抗體陰性紅細(xì)胞的分離效果不佳。Nilghaz等使用濃度比生理緩沖液濃度高50%的鹽溶液從全血中分離血漿[37]，該方法適用于所有類型的紅細(xì)胞。Noiphung等報道了一種結(jié)合等離子隔離芯片的電化學(xué)紙基微流控芯片，將樣品的預(yù)處理芯片整合到芯片上，成功地用于全血樣品中葡萄糖濃度的測定[38]。另外，Connelly 等還介紹了“紙質(zhì)機器”的概念[39]，通過使用環(huán)介導(dǎo)等溫擴增法設(shè)計傳感器，用于細(xì)胞的分析、DNA的分離和樣品的制備等。他們的設(shè)計都大大減少了用戶在使用芯片時的工作。

5.3　提高結(jié)果讀取技術(shù)

紙基微流控芯片另一個需要更多研究的重要方面是結(jié)果的讀取和解釋，為了盡可能簡單和清晰地將結(jié)果展示給用戶，提高比色分析的量化能力已經(jīng)成為紙基微流控芯片研究的目標(biāo)。

除了計數(shù)和計時的方法之外，長度測量的半定量法[45]是一個簡單的概念，操作過程更簡單方便。Cate等報道了一種通過使用尺子測量通道中指示顏色變化長度取代色強度測量的半定量方法[46](圖5a)，長度的測量可以在不同的光照條件下進行，而且可以獲得比比色測量法更一致的結(jié)果。Wei等同樣利用基于長度的量化方法檢測了尿液中的可卡因[47]。目前，該傳感器已經(jīng)經(jīng)過優(yōu)化，可用于酶、無機離子以及諸如腺苷等小分子物質(zhì)的定量分析?；谑褂贸咦訙y量長度以及彩色條計數(shù)和時間測量的傳感器的設(shè)計在很大程度上簡化了測試結(jié)果的解釋，使之更清晰明了地呈現(xiàn)給用戶，達(dá)到了用戶友好的要求。

此外，為了實現(xiàn)用戶無需打印校正曲線就可以實現(xiàn)檢測的目的，Wang 等設(shè)計了一種可以檢測分析物樣品同時提供校正曲線的傳感器[48]，用戶可以不需要打印的校正曲線隨時讀取結(jié)果。這一研究成果減少了用戶在使用傳感器時的工作，同時滿足了檢測物的定量檢測和分析。

結(jié)果顯示的文本化進一步提高了結(jié)果解釋的簡易性。在血型研究中，紙基傳感器根據(jù)細(xì)胞的凝集情況，使用生物活性和非生物活性的字母或符號，例如“A”“B”“C”和“+”進行圖案化來鑒定人的血型[49](圖5b)。另外，還可以利用指示劑與金屬離子反應(yīng)形成的具有特定顏色的復(fù)合物在紙張上進行圖案化形成目標(biāo)金屬的化學(xué)符號表達(dá)檢測結(jié)果。Li等已成功將該方法用于銅、鐵、鎳離子的檢測(圖5c)。使用文本報告的方法對金屬離子進行檢測和量化有一個很明顯的優(yōu)勢。這是因為一些金屬離子-指示劑復(fù)合物具有相似的顏色，那么對于用戶來說，用化學(xué)符號讀取測試結(jié)果比用不同卻相似的顏色讀取要更容易一些[50]。

圖5　為了提高紙基微流控芯片的用戶友好性和無需設(shè)備特性而設(shè)計的幾種不同的結(jié)果讀取技術(shù)的示意圖[45，49- 51]

圖6　使用夾心法將生物分子固定在紙張上以提高其穩(wěn)定性[52- 53]

除了以上技術(shù)，Wei等研制出一種采用目標(biāo)-響應(yīng)水凝膠系統(tǒng)作為障礙開關(guān)來開關(guān)樣品通道的紙基微流控芯片[51]。這項技術(shù)通過“on”和“off”信號展示了樣品中可卡因、腺苷以及鉛離子的可視化鑒定(圖5d)。

5.4　延長紙基微流控芯片的保質(zhì)期，提高其穩(wěn)定性

為了保證紙基微流控芯片在資源有限或存儲條件較差的地區(qū)正常使用，紙張表面生物分子和化學(xué)試劑的穩(wěn)定性以及芯片保質(zhì)期的研究至關(guān)重要。

延長紙基微流控芯片保質(zhì)期的途徑主要可以分為2種，一種是將試劑進行處理，使之與其他物質(zhì)混合或直接包裹試劑制成膠囊，達(dá)到與外界隔離的效果；另一種是改進芯片的材料，將紙張進行處理以提高與生物分子的相容性，使之能夠更好地保存試劑。例如，Mitchell等將聚乙二醇和石墨與辣根過氧化物酶通過研磨法混合均勻，擠壓成柱狀，制成試劑鉛筆用于檢測葡萄糖的濃度，研究發(fā)現(xiàn)，試劑鉛筆不但可以有效地達(dá)到實驗效果，而且在常溫常壓條件下存儲63天后酶的活性未出現(xiàn)明顯的下降[52]。另外，將生物分子例如酶包裹在水解或濃縮的二氧化硅溶膠-凝膠基質(zhì)材料或其他陰陽離子聚合物中也能很好地提高生物分子的穩(wěn)定性，并可以實現(xiàn)生物分子的多層封裝(圖6a)。Yamada等使用噴墨印刷逐層打印疊層結(jié)構(gòu)(圖6b)，通過夾心法將酪氨酸酶置于陽離子殼聚糖和陰離子藻朊酸鹽之間[53]，結(jié)果證明，酪氨酸酶在室溫下存儲260天后仍有92%的酶保持良好的活性。此外，Jahanshahi等報道生物分子的活性可以通過支鏈淀粉的使用得到很好的保護[54]。以上方法均基于對試劑進行處理從而實現(xiàn)其穩(wěn)定性的提高。

而在針對裝置進行改進方面，Guan等探索了延長紙基微流控芯片上IgM抗體生物活性保質(zhì)期的不同方法[55]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在沒有保護的情況下，濾紙上抗體的生物活性會迅速下降，但活性喪失的速度可以通過使用聚合物添加劑例如甘油等的保護以及凍干處理而顯著減緩。這項研究表明，在分子水平上抗體分子的保護對于生物活性傳感器是必要的。Jayawardane等也開發(fā)了一種用于檢測自然中和污染水體中銅的紙基傳感器[56]，該裝置的性能在4個不同的條件儲存了超過5個月之后并未觀察到惡化。Zhang等報道了一項用于細(xì)菌檢測的試紙條設(shè)計的研究[57]；他們展示了該試紙條在-18℃的條件下儲存超過12個月仍可以保持相同水平的活性。然而，為了使該傳感器在發(fā)展中地區(qū)更有用，還需要研究如何放寬傳感器的存儲條件。除了上述研究，文獻(xiàn)還表明納米微粒的使用可以提高紙張上某些化學(xué)藥品和試劑的穩(wěn)定性。這些概念已經(jīng)由Liu 等提出來，他們開發(fā)了一種使用ZnFe2O4-多壁碳納米管檢測癌胚抗原的紙基免疫傳感器[58]。他們表示，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，納米復(fù)合材料提高了一些酶的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)也表明，使用干試劑而非試劑溶液可以幫助放寬傳感器的存儲條件，消除了冷凍鏈的需要，而且使傳感器的保質(zhì)期更長。

5.5　增加紙基的附加功能，賦予紙基微流控芯片的特異性

由于很多待測樣品都攜帶了復(fù)雜和不均勻的微粒和高分子，為了分析這些樣品，紙張的附加功能，例如特定微粒尺寸范圍的分離、過濾、抗體蛋白吸附等都是需要的，因此需要對紙張進行特定的設(shè)計，例如制作生物活性紙等。Deng等使用聚乙二醇對紙張表面進行改性來減少紙張上的非特異性蛋白吸附[59]，結(jié)果表明，與未被改性的濾紙相比，表面改性后的紙基酶聯(lián)免疫吸附測試的性能顯著提高。而Wang等指出，使用殼聚糖改性的紙張的敏感性和特異性提高[60]。Zhang等通過在紙漿中加入含有指示劑和顏色增強劑的孵化微膠囊制作了一個生物活性傳感器來測定與唾液酸酶相關(guān)的疾病[57]，結(jié)果顯示，由于紙張功能性的提高顏色也隨之增強了。另外，根據(jù)Li等的報道可知，紙張的纖維組分和厚度會影響紅細(xì)胞在紙張纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的傳輸[61]。這些研究人員使用壓汞孔隙率測定法來分析由不同纖維組成的紙張上毛細(xì)孔的結(jié)構(gòu)，并評估了紅細(xì)胞在纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳輸[62]，研究表明，自由紅細(xì)胞和凝集紅細(xì)胞簇的分離會通過造紙過程中纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制而得到顯著提高。

6　結(jié)語及展望

紙基微流控芯片已集中研究了近10年，其應(yīng)用涉及生物化學(xué)分析、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域。研究人員使用紙張作為基材制作分析裝置，最初目的是為了充分利用這種來源廣泛的材料，來制作一種適用于低資源配置的國家和地區(qū)使用的分析檢測平臺。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的要求，此類快速檢測不但要求成本低廉、反應(yīng)靈敏、結(jié)果相對準(zhǔn)確，而且要便于使用，從而減少用戶在操作過程中的工作，使得非專業(yè)用戶在沒有專業(yè)援助的情況下能夠完成實驗并獲得明確的解釋測試結(jié)果；另外，增強裝置的穩(wěn)定性、延長其保質(zhì)期也是必不可少的要求。目前，盡管該領(lǐng)域的部分研究成果能夠滿足實際使用的要求，但大多數(shù)的紙基微流控芯片依然停留在實驗室階段，因此圍繞紙基微流控芯片市場化的技術(shù)開發(fā)仍需進一步探究，以促進技術(shù)的改進和革新，建立具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)工業(yè)制造與商業(yè)化。