三维纸微流控芯片加工技术

随着临床监测、环境监测、食品卫生的发展，在各个方面的分析检测的要求越来越高。传统的检测方法设备昂贵、步骤繁琐并且耗时较长，所以人们为了解决这些问题而做了许多深入的研究与探索。微流控芯片将样品的分离、反应、检测等步骤都集中在了加工有微尺寸通道的芯片上，使得整个过程快速并且方便。但是传统的微流控芯片的材料一般为玻璃、硅片等，比较昂贵且工序复杂。发展新型芯片材料和加工方法是实现微流控芯片实际应用突破的关键。廉价、轻便以及易于处理的纸被证明是最具有发展潜力的材料。纸芯片将使微流控芯片进入一个新的时代。

1.1纸质微流控芯片简介

纸质微流控芯片的最大特点是基底材料是纸，而纸在化学生物实验中的运用具有十分悠久的历史，比如过滤纸，纸色谱等。纸十分适合作为芯片的基本材料，因此在过去的几年关于纸质微流控芯片的研究越来越多。纸作为制备新型检测装置的基本材料，具有许多的优点^[1]：

（1）纸材料具有很大的厚度范围并且轻、薄，便于储存和运输。

（2）纸具有可弯曲性，其三维结构不会在弯曲时断裂，具有高比刚度和亮度。

（3）纸具有吸水性，可以对化学品进行储存和输送，并且可通过干燥实现样品富集。

（4）纸具有透气性，并且其网络结构可以过滤样品。

（5）纸具有毛细作用，无需使用复杂的泵，允许所有方向上的流体的流动扩散。

（6）纸具有生物兼容性与降解性，对环境无污染。

（7）纸通常是白色的，因此提供了强烈的颜色对比，可以用作比色分析。

（8）纸的价格便宜，并且易于进行表面修饰。

纸的众多优点使得纸质微流控芯片比其它传统材料制成的芯片更具有前景^[2]。

1.2纸芯片的加工及其进展

哈佛大学的Whitesides的科研组首先提出纸质微流控芯片加工与检测应用。现有的纸芯片加工技术可以分为以下10种^[3]：（1）光刻法,（2）绘制绘图仪，（3）喷墨蚀刻，（4）等离子体法，（5）纸张切割，（6）蜡印刷,（7）喷墨印刷，（8）柔版印刷，（9）丝网印刷和（10）激光。这些制造技术的基本原则是在纸上构建亲-疏水区域，液体在其亲水通道内流动，疏水区可限制流体的流动，达到对流体的流向控制。表2列出了一些制造方法及其优缺点^[2]。

近年来，纸质微流控芯片正吸引着越来越多的人的关注。其中两大研究机构分别为加拿大生物活性纸材料实验室和芬兰的VTT技术研究中心，两者均致力于生物活性纸材料的发展应用。同时，世界上的其它一些课题组（如哈佛大学的Whitesides教授课题组）也在这个方面取得了突破性的进展^[26]。使用绘画的方式加工纸芯片是一种简单易行的方法，然而现有的方法存在绘制精度较低的难题。

Nie等^[27]利用激光技术制造米字型的模板。Whitesides课题组^[28]在纸芯片领域有许多的研究，在笔绘法这方面，他们也做出了深入的探索。他们自己制作了一支笔，在中间可添加需要的试剂，再将笔装入绘图仪中进行绘画，从而得到他们需要的图案，形成纸芯片。复旦大学的Kong课题组^[29]也提出了一种简单的制造微流体装置的方法。使用记号笔在硅胶板上进行手动的绘画，他们还设计了一个比较生动的形象#8212;#8212;章鱼章鱼的头部相当于中心进样口，而章鱼的触手相当于检测通道。

1.3 比色检测

纸芯片的设计主要就是为了各项指标的检测，而检测方法十分繁多。如今，已有多种检测方法被纸质微流控芯片所使用，包括：比色检测，电化学（EC）检测和化学发光（CL）检测等。EC检测具有更高的灵敏度，即使在nm范围内的分析物也可以检测和定量。通常与酶或化学物质的颜色变化反应为比色检测法。大多数情况下，通过肉眼即可观察到分析的结果^[30]，有时也需要借助仪器进行测定。总体而言，比色检测更为普遍，简单。

比色检测已被广泛应于纸质微流控芯片中。Martinez等人^[31]首先展示了用于比色检测葡萄糖与蛋白质的纸质微流控芯片。Sarah J. Vella工作组^[32]用微图案纸装置来检测血液从而对肝功能进行分析。

参 考 文 献：

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