文献综述

随着临床检验、环境监测、食品卫生的发展,分析检测的要求也逐渐提高。传统的检测方法存在设备昂贵、步骤繁琐、耗时过长等问题;因此人们在简化步骤和减少设备成本上做了深入的研究和探索。芯片实验室[1],把样品制备、反应、分离、检测等步骤集成在一块芯片上,实现了快速检测、方便携带等目的。然而,传统的芯片材料如硅片、玻璃等仍然需要复杂的刻蚀技术[2]和昂贵的设备。因此,在发展便携式检测装置的过程中,对材料的改进显得尤为重要。纸材料,以其廉价、轻便、易于处理及其他理化性质,在快速检测的发展中具有很大的发展潜力。

纸材料已在分析和临床化学领域广泛应用[3]。纸色谱,起源于20世纪,已经广泛用于小分子、氨基酸、蛋白质、抗体的分离分析[4]。尿检试纸条和石蕊试纸是检验中应用最广泛的设备;在涉及到临床检验、有机无机化学分析、环境地球化学分析、药物食品化学中纸材料都作为定量检测的一个载体[5]。流动免疫检测可以给出定性的结果。纸材料还用在肽和小分子检测中。

研究者们将基于纳米金胶的比色传感器[6]引入到纸及其类似材料当中去。与其他的纳米材料(量子点,纳米线,纳米管)一样,纳米金胶有着非常独特的物理性质,可根据其尺寸、形态和粒子间距离而改变。基于纳米金胶的比色传感器利用了金胶纳米粒子分散时为红色、聚集时为蓝色或紫色的性质。换句话说,能够使得纳米金胶粒子聚沉^[7]或分散的物质可以通过颜色变化检测出来。纳米金胶检测方法通常具有较高的灵敏度。近年来,这种方法在溶液中的应用有着非常广泛的研究,但是将它用于纸材料检测却并不多见。

Lu及其同事首先在平流装置上通过在分散良好的金胶纳米中加入特殊的目标分析物实现了金胶的聚沉[8]。这些分散的金胶用生物素进行修饰,并且流到纤维膜上被膜上含有链霉素组成的线条拦截住[9]。如果链霉素组成的线条上呈红色,就说明目标分析物的存在。

在微流控纸分析装置上（μPAD），Whitesides课题组集中研究了基于纸材料的微流控检测装置(μPAD,microfluidic paper-based analytical devices)在检验中的应用。在制备μPAD的过程当中,刻蚀是非常重要的一步,即通过各种方法在纸材料上形成亲水的管道和疏水的管道壁,从而使得液体在纸材料上的流动控制在一定的区域内。Whitesides课题组将光刻技术应用在了μPAD纸材料的刻蚀上。首先,将整张纸在光胶中充分浸没,然后在一个半透明掩膜下有选择性地对紫外灯曝光,最后把多余的光胶洗掉。由于纸材料和光胶有着相近的折射系数,含有光胶的纸材料呈半透明状并且散射的光线要少些,这种方法刻蚀得到的线条非常精确。该方法的缺点是用到了有机溶剂并且在纸表面留下了一层疏水的有机浮渣(通过在氧等离子体的照射可变得亲水)[11]。Whitesides课题组还利用一种桌面绘图装置在纸材料上用溶解在己烷中的PDMS来建立亲水通道和疏水管壁。管道尺寸最小可达1mm,足以构建便携、可视的免疫反应装置。由于PDMS本身的弹性,该装置在烘干后仍然具有伸展性。比起光胶光刻的方法,这种方法成本更低,操作也非常简便[2]。Abe等人利用喷墨刻蚀法除去了纸片上的疏水聚苯乙烯涂层[7]。而Li等人则利用金属掩膜等离子体氧化法除去纸材料上的疏水涂层[10]。Fenion等人则利用一种计算机控制的刀片在纸材料和硝酸纤维材料上划出了二维平流装置,有星型、烛台型和其他一些结构[9]。Lu及其同事发展了一种固体蜡刻蚀法(就是把固体低熔点的蜡装在喷墨打印机里面,喷出来之前熔化成液体,喷到纸上以后又立刻凝固起来)[12]。首先将蜡喷在纸上,然后使其熔化渗透到纸片内部充分形成疏水型拦坝。Whitesides课题组利用光刻得到的μPAD装置进行尿样中葡萄糖和蛋白质的检测[11]。只要将该纸装置的底部插到样品溶液中,毛细管作用就会使得溶液沿着管道向上渗透,最后到达检测区域,30分钟以后从颜色上就可以读出结果。这些检测方法是依据尿检试纸条中常用的化学和酶联反应而设定的。

Whitesides课题组还将该装置与手持光学比色计结合起来,实现了生物液体总分析物质的浓度定量化。该装置包含一个三色LED和内置的开关,并且将LED阵列、检测器和μPAD集成在一起,电池等所需装置也都是内置的。这种透明度比色计廉价、耐用,在环境和资源有限的地方非常具有应用潜力[14]。Whitesides课题组还研发了一种纸微孔板来取代检验装置中的塑料微量滴定板[2]。纸微孔板是在一张纸上刻蚀出一系列深度和分布与塑料板上一样的圆形或者方形小孔。Whitesides预言这种纸微孔板将在发展中国家实验室和发达国家高通量检测中都有十分广泛的应用,同时提供了把样品收集传送到实验室的新途径。在单层纸上生成的μPAD装置上有二维的管道和检测区域;基于传统微流控

芯片的3D构造,Whitesides课题组在μPAD上也发展了相似的三维孔道,并且用胶带作为相邻两层纸底板之间的联结。三维μPAD装置比二维μPAD装置有许多优胜之处:在一个装置中,每个纸底板都可以采用不同的材料和管道设计,因而不同纸底板的功能可以集中在一个装置上。例如,装置的最上层可以将血红细胞从血样中滤走;当样品沿着中间层向下渗透时,可以与光敏试剂反应;而底层的检测区域则可以显示检测结果。根据经验,三维μPAD装置的管道复杂性要远大于PDMS装置[15]。

Li等利用等离子体处理方法在纸材料表面刻蚀出了微流控管道。首先将纸材料浸没在AKD(alkyl ketene dimmer)溶液中使其成为疏水介质,然后罩上模板用等离子体进行处理,从而在纸材料表面形成亲水的管道。这种方法保留了纸材料的弹性,因而可以在多形式上应用;并且这种处理方法不改变纸材料的颜色,该方法有望用于比色检验"在这种材料上,可以引入许多其他元素诸如开关、过滤以及反应等[14]。

Reehes等人将棉线与纸材料结合起来,在纸上用棉线制作出了可用于临床生物检验的矩阵。棉线在生物医药装置的制备上有其独特的优势:(1)棉线非常便宜易得;(2)棉线有弹性,轻巧,不容易折坏或弄断,因此便于储存和运输;(3)棉线亲水,因此可以作为液体流动的载体而无需其他外力;(4)用过的棉线经燃烧易于处理。Reehes等人设计了棉线在纸上不同的联结交叉方式,并且利用这些设计制成的三种不同装置用比色法检测了尿样中的蛋白质、亚硝酸盐和酮类[9]。