閆 宇 許長華 谷東陳

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

紙基微流控芯片的加工及其應用

閆 宇 許長華 谷東陳

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

紙基微流控芯片以其低成本、制作簡易、方便攜帶可以實現(xiàn)現(xiàn)場實時檢測等優(yōu)點得到了廣泛的應用。文章主要介紹紙基微流控芯片的加工技術(shù)，包括蠟印法、紫外光刻法、等離子體處理技術(shù)、噴墨印刷技術(shù)、融蠟浸透技術(shù)、切紙技術(shù)以及紙基微流控芯片的應用，以期為食品快速檢測提供更先進的方法和更高效的途徑，加速紙基微流控芯片的發(fā)展。

微流控紙芯片；微加工技術(shù)；檢測技術(shù)；應用

Abstract： As the core of the miniaturized total analysis system, microfluidic chip has the characteristics of high efficiency separation, rapid analysis, low reagent consumption and miniaturization, provides a new platform for rapid detection analysis. With the development of microfluidic technology, paper based microfluidic chip has been widely used because of its low cost, easy fabrication and convenient carrying. This paper mainly introduces the processing technology of paper based microfluidic chip, including wax printing method, UV lithography and plasma processing technology, inkjet printing technology and wax dipping technology, cutting technology and the application of paper-based microfluidic chip.

Keywords： microfluidic paper chip; microfabrication technology; detection technology; application

微流控芯片技術(shù)又稱芯片實驗室(Lab-on-a-chip)，它以微機電加工技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合生物學、化學、計算機、材料學等多學科將樣品的制備、稀釋、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米的芯片上?？蛇M行一種或多種連續(xù)反應，從而實現(xiàn)高通量快速分析的目的。20世紀90年代Manz A等[1]報道了基于微流控芯片的高效高速毛細管電泳分離系統(tǒng)，即微全分析系統(tǒng)(miniaturized total analysis system，μ-TAS)。作為微流控芯片的基本載體，芯片的制作材料對芯片的加工和功能化的實現(xiàn)具有重大意義。不同的材料必須有相應的加工方法，而且隨著微流控芯片的發(fā)展，對芯片的加工、結(jié)構(gòu)、成本、攜帶等方面提出了更高的要求。當Bruzewicz等[2]提出紙基微流控芯片(microfluidic paper-based analytical devices，μPADs)概念后，紙基微流控芯片已經(jīng)得到了快速發(fā)展。紙基微流控紙芯片是以紙為基底代替?zhèn)鹘y(tǒng)的玻璃、硅、高聚物等材料，通過一定的加工技術(shù)在紙上加工出一定的微通道和相關(guān)的分析器件。紙芯片相比于傳統(tǒng)的硅、玻璃、高聚物等材料，分析系統(tǒng)更易微型化、便攜化，制作成本低、生物兼容性好，能使蛋白質(zhì)[3]，酶等在其表面固定而無需發(fā)生額外的化學反應；此外，由于紙張顏色一般為白色，在比色法、電化學檢測、化學發(fā)光檢測下能清晰地展現(xiàn)反應前后的物質(zhì)變化。

因此，紙基微流控芯片可作為一次性檢測設(shè)備，廣泛應用于疾病診斷[4-5]、食品安全[6]、環(huán)境監(jiān)控[7]等領(lǐng)域。微流控紙芯片的制作是進行芯片檢測分析的基礎(chǔ)，本文將著重介紹紙芯片的制作工藝和其應用。

1 紙張的選擇

雖然紙張資源豐富，品種繁多，但挑選合適的紙張非常關(guān)鍵。除了考慮一定的機械承受力之外，還需具有良好的親/疏水特性，在液體中不發(fā)生顯著變形，不與加入的試劑發(fā)生化學反應等[8]。濾紙因其良好的吸水性成為目前大多數(shù)紙基微流控芯片制作的基底材料。根據(jù)不同的檢測物質(zhì)，可選擇不同規(guī)格的濾紙或其他類型的紙張[9]。例如，血細胞容易變形，可通過比其直徑略大或略小的孔隙。因此當分析需要血細胞過濾時就應該選擇孔徑分布較少且較均勻的WhatmanⅠ號層析紙[10]。薛媛媛等[11]利用掃描電鏡(SEM)和X射線光電能譜(XPS)探究了紙芯片的制備機理，確定了適用于食源性致病沙門氏菌檢測的紙芯片加工工藝。何巧紅等[12]利用比色法檢測葡萄糖和亞硝酸根時發(fā)現(xiàn)，采用WhatmanⅠ號濾紙與國產(chǎn)新華濾紙作為基底所檢測的結(jié)果差異不明顯。另外，除了常用的濾紙外還有各種聚合物濾紙，為紙芯片的發(fā)展提供了廣闊的途徑。

2 紙基微流控芯片的制作工藝

目前，微流控紙芯片的制作常采用等離子體處理、蠟印、噴墨打印、紫外光刻、絲網(wǎng)印刷、激光處理及融蠟浸透等方法[13]。常用的具有紙上固化性能的材料包括：蠟、SU-8、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯、烷基烯酮二聚體(AKD)等。另外，可通過折疊或紙芯片疊加的方法來制作三維微流控紙芯片。Rattanarat等[14]利用三維紙芯片用比色法在上層檢測了Fe3+、Ni2+、Cr3+和Cu2+離子，在下層用三電極電化學檢測法對Cd2+和Pb2+離子進行了檢測。根據(jù)芯片制作親/疏水化方式的差異，二維紙芯片的制作方法可分為兩大類[12]：① 一步法，即直接在未加工紙張的局部區(qū)域?qū)嵤┮淮涡杂H水化(原為疏水性紙張)或直接疏水化(原為親水性紙張)；② 兩步法，即先采用特殊的物理、化學方法使疏水性材料布滿整個紙張表面，然后再去疏水化。

2.1 蠟印法

Zhong等[15]研究了用不同蠟質(zhì)(油脂鉛筆、蠟筆、蠟燭、)處理廚房用紙、A4紙、餐巾紙、實驗室用紙。用油脂鉛筆、蠟筆等在紙基板上面畫出樣品通道，150 ℃下加熱2 min以便蠟質(zhì)充分擴散。試驗結(jié)果表明，實驗室用紙和餐巾紙有較好的結(jié)果，可以在10 s之內(nèi)將樣品從一個儲液池通過毛細管力輸送到另一個儲液池，而A4紙由于芯吸力較差，孔隙度太小，不能實現(xiàn)樣品的輸送。但餐巾紙由于孔隙太大會發(fā)生樣品的泄露，導致樣品的流失或污染環(huán)境。Carrilho等[16]通過對蠟印技術(shù)的研究，研發(fā)出了和上述類似的蠟印技術(shù)。該方法操作簡單，適合于制作對圖案精確性要求不高的芯片。

2.2 紫外光刻法

紫外光刻技術(shù)很早就被應用于微流控芯片的加工中。紫外光刻技術(shù)首先對濾紙上的光敏試劑進行化學、物理修飾，然后在掩膜的保護下通過紫外光照射光膠，從而使光膠發(fā)生降解或交聯(lián)，在濾紙上形成親/疏水通道。王方方等[17]將提前設(shè)計好通道的掩膜覆蓋在刷有光膠的濾紙上，通過紫外曝光，沒有被通道掩蓋的光膠發(fā)生交聯(lián)，用顯影液洗去被通道掩蓋的光膠區(qū)域，使該區(qū)域恢復親水性，從而得到相應的一維或二維紙芯片。SU-8光刻膠是由美國IBM公司在20世紀90年代中期研制出的一種負性、近紫外光刻膠，具有良好的力學特性、熱穩(wěn)定性及機械特性[18]11-12。馬日紅[18]25-38通過對SU-8系列光刻膠的UV光刻工藝參數(shù)進行分析，優(yōu)化獲得了強度大、側(cè)壁直、深寬比高于10∶1的SU-8光刻工藝結(jié)果。Martinez等[19]用SU-8光膠制作微流控芯片(圖1)，在對曝光和未曝光區(qū)域進行常規(guī)處理后得到紙基微流控芯片，之后又用等離子體對整張紙片進行快速處理，以提高親水通道的毛細作用。另外為了降低用SU-8光膠制作紙芯片的成本，Aw等[20]用SU-8、三芳基硫六氟磷酸鹽和丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)自己配制的一種環(huán)氧負光膠進行紙基微流控芯片的制備，這種方法雖然節(jié)約了成本，但制作步驟過于麻煩。Haller等[21]利用化學氣相法在紙基底上沉積氧化二叔丁基和鄰硝基芐基甲基丙烯酸酯，從而形成具有光敏性質(zhì)的聚鄰硝基芐基甲基丙烯酸酯，最后通過掩膜和紫外光刻處理形成具有親水通道的紙芯片。何巧紅等[22]闡述了一種利用紫外光降解自組裝硅烷化單分子層的紙芯片加工方法。首先將親水性濾紙用十八烷基三氯硅烷(OTS)的正己烷溶液進行浸泡，通過濾紙纖維羥基和OTS的縮合反應在濾紙的纖維素表面組裝OTS單分子層，使濾紙由親水變?yōu)閺娛杷Ｗ詈?，在石英掩膜的保護下通過深紫外光(254，185 nm)及其在空氣中誘導產(chǎn)生的臭氧(UV/O3)選擇性區(qū)域光降解，從而制得微流控紙芯片，見圖2。這種方法簡單易行，對環(huán)境要求低，制得的芯片圖案清晰，穩(wěn)定性較好。

圖 1 SU-8光膠光刻技術(shù)制作紙基微流控芯片的流程圖[19]

圖2 紫外光降解自組裝單分子層方法制備

Figure 2 Schematic diagram for the fabrication of microfluidic paper-based device by OTS self-assembling and UV/O3-patterning

2.3 等離子體處理技術(shù)

Kao等[23]提出了在制作過程中不接觸任何液體，一次性完成的用氟碳等離子體聚合法制作紙芯片的方法。制作方法為：以WhatmanⅡ濾紙作為基底，將其夾在2個十字形狀的不銹鋼金屬磨具中(圖3)，置于等離子體發(fā)生器中形成氟碳聚合物涂層。經(jīng)等離子體處理后，暴露于金屬磨具之外的紙基底成為疏水區(qū)，而置于紙基底上方的模具區(qū)成為親水反應區(qū)。此方法操作簡單，制作速度快，化學試劑用量小，但存在的問題是對于不同的反應通道需要制作不同的不銹鋼模具，并且使用等離子體處理系統(tǒng)的成本較高。陳恒武等[24]建立了一種基于OTS自組裝疏水化-等離子體降解OTS單分子層的紙芯片加工方法。將濾紙先經(jīng)OTS疏水化處理，然后將疏水化的濾紙夾在PMMA-PDMS模具中置于等離子體腔內(nèi)區(qū)域性降解OTS単分子層30 s，使濾紙的局部恢復親水性，從而得到微流控紙芯片。

圖3 不銹鋼模具的幾何設(shè)計圖[23]

2.4 噴墨印刷技術(shù)

蠟印技術(shù)制作紙芯片的疏水通道常需要根據(jù)材料孔隙度和厚度的不同來調(diào)整加熱時間和加熱溫度[25]。Lee等[26]卻提出了一種無需加熱，直接將噴墨印刷和紙切法結(jié)合在一起制作紙芯片的方法。該方法將疏水性的聚氯乙烯(PVC)基底和經(jīng)過噴墨印刷的親水性紙圖案用PVC膠帶粘在一起；緊接著又在紙芯片的反應區(qū)域周圍環(huán)繞一圈疏水PVC保護圈，并使紙芯片的連接處添加紫外曝光介質(zhì)對反應區(qū)域進行隔離；最后在反應區(qū)域通過噴墨印刷形成不同濃度的溴酚藍(tetrabromophenol blue，TBPB)反應基底，通過在不同濃度的基底上添加牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)與溴酚藍發(fā)生反應，建立了化學模型。驗證了該噴墨印刷技術(shù)制作紙芯片的可行性以及用于試驗檢測的重現(xiàn)性和靈敏性。Shen等[27]也采用直接在紙基底上打印AKD溶液的方法制作紙芯片，從而改進了用等離子體技術(shù)制作時需要金屬模具的缺點。

2.5 切紙技術(shù)

Cassano等[28]使用剪切和熱層壓技術(shù)制作微流控紙芯片。其制作方法與身份證的制作方法類似，首先通過數(shù)字化手工切刀得到設(shè)計好圖案的紙帶，然后將其夾在兩張塑料底板中間，覆蓋在紙帶上方的塑料底板需要有和紙帶一樣的圖案，并將三者對齊放置；最后將紙板通過輥式層壓機后得到紙芯片產(chǎn)品，見圖4。這種產(chǎn)品增強了紙芯片的機械強度，延長了芯片的使用壽命，使紙芯片的攜帶更加方便，并且制作方法操作簡單，制作速度快。

圖4 切紙層疊技術(shù)制作紙芯片流程圖[28]

2.6 融蠟浸透技術(shù)

Temsiri等[29]提出了一種用融蠟浸透來制作微流控芯片的方法。首先將WhatmanⅠ號試紙置于載玻片上面，然后將一定形狀的鐵模具放置在濾紙上方，再在載玻片下面放置一塊磁鐵用于固定載玻片，濾紙和鐵模具。從而形成了一個磁鐵—載玻片—濾紙—鐵模具的4層立體結(jié)構(gòu)；然后將該裝置放入120～130 ℃的液體蠟中約1 s后拿出并冷卻至室溫，最后拆下載玻片和鐵模具，得到制備好的紙芯片。被模具覆蓋的地方依然保持其親水性，其他暴露在液體蠟中的部分因表面布滿固體蠟而具有疏水性，見圖5。這種制作方法快速、操作簡單、不需要復雜的儀器、成本低，也不涉及任何有機溶劑，但紙芯片圖案的分辨率較低，精確性不佳。

2.7 激光刻蝕和繪圖技術(shù)

Girish等[30]提出了利用激光刻蝕技術(shù)制作紙芯片的方法。通過CO2激光刻蝕在疏水性紙基底上加工出親水性通道，但液體樣品借助毛細管作用并不能在該通道上很好的流動，因此又在該通道內(nèi)覆蓋了一層SiO2納米顆粒以增強其親水性，從而實現(xiàn)了液體的快速流動。這種制作方法適合用各種疏水性紙基底制作紙芯片，圖案分辨率較高，但所需設(shè)備昂貴。聶靜芳等[31]提出了用油性記號筆在濾紙上通過繪圖法一次性制作紙芯片的方法。將設(shè)計好圖案的鏤空模具置于濾紙上方，用記號筆按照圖案進行描摹，待油墨變干之后即形成疏水區(qū)。這種方法制作快速，但所得芯片圖案簡單，并且不耐有機溶劑。

圖5 融蠟浸透技術(shù)制作紙芯片流程圖[29]

以上所述為幾種常用的紙基微流控芯片的加工方法，具體優(yōu)缺點見表1。目前，紙基微流控芯片被廣泛地應用在生物學、材料、疾病診斷、食品安全、水質(zhì)監(jiān)測等方面。雖然紙芯片的制作有不同的方法，所得紙芯片也具有差異，但均滿足現(xiàn)場實時快速檢測的目標。

表1 紙芯片制作方法及優(yōu)缺點比較

3 紙芯片在檢測分析中的應用

3.1 疾病診斷

目前，紙芯片在臨床診斷和疾病預測方面已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用。AI-Tamimi等[32]研發(fā)了一種可用于快速、高通量鑒定血型的紙芯片。在1 min內(nèi)可以鑒定100個血樣，包括8種AB型和RhD型血。Sarah等[33]研制了一種自組裝多功能芯片，將極少量指尖血樣置于芯片檢測區(qū)域后即可實現(xiàn)全血中堿性磷酸酶(ALP)和天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)2種肝功能酶及全血清蛋白的快速檢測。

3.2 食品安全檢測

近幾年食品安全問題備受關(guān)注，建立一種快速、高效、靈敏的可實時檢測食品質(zhì)量的檢測手段已成為必然趨勢，紙芯片在這一領(lǐng)域已得到越來越多的應用[34-36]。肖良品等[37]用濾紙作為基底制作得到三維紙芯片，以63.4 g/L檸檬酸溶液、8.61 g/L對氨基苯磺酰胺、2.59 g/LN-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽作為顯色劑用于亞硝酸鹽的快速檢測，最低檢測限為2 mg/L。竇斌等[38]采用噴蠟法制作了三維紙芯片，更好地實現(xiàn)了樣品的富集，最后在檢測區(qū)加入3 μL Au納米粒子，同時進行SERS光譜的測定，檢測過程中紙與納米粒子的復合產(chǎn)生的等離子耦合可以猝滅干擾信號而增強分析物的信號。試驗證明，當上樣次數(shù)達到50次時，克倫特羅的檢測限為20 ng/mL，可滿足實際要求。Hossain等[39]研發(fā)了一種生物活性紙基固相生物檢測芯片，并將該芯片用于農(nóng)藥殘留的快速檢測，在5 min內(nèi)定量檢測了惡蟲威、胺甲萘、對氧磷和馬拉硫磷4種農(nóng)藥，檢測限分別為1，10，1，10 nmol/L。

3.3 環(huán)境監(jiān)控

工業(yè)廢水中的重金屬對水體和人們的健康都有很大的危害。利用紙芯片對水體中重金屬進行快速檢測已經(jīng)得到相關(guān)部門的認可[14, 40]。王虎等[41]將3D紙芯片和智能手機拍照技術(shù)結(jié)合在一起利用比色法對Cu2+、Ni2+、Cr6+、Cd2+等幾種常見重金屬進行了檢測，各自的檢測限分別為：0.029，0.033，0.035，0.019 mg/kg，與原子吸收所測結(jié)果保持一致。

4 展望

紙基微流控芯片作為一種快速、高效、試劑用量小、低成本的微型試驗裝置，它的優(yōu)勢在各個檢測領(lǐng)域已經(jīng)逐步凸顯出來，尤其在紙芯片的加工和相應的檢測方法方面已經(jīng)取得了突破性進展。紙芯片在食品安全檢測、環(huán)境監(jiān)控等方面的應用已展現(xiàn)出了巨大潛力，具有良好的發(fā)展前景。但作為一種微全分析系統(tǒng)，紙芯片在樣品的分離、富集、反應、檢測方面的功能并不是很完備，尤其對于復雜多體系的組分很難實現(xiàn)同步檢測，因此，積極研發(fā)三維紙芯片并同步相應檢測方法來對復雜體系進行同步高效地檢測是今后的研究方向之一；另外，雖然比色檢測、化學發(fā)光檢測、電化學檢測等方法已應用于紙基微流控芯片，但不需成套檢測設(shè)備的比色檢測無疑最容易被接受。改進傳統(tǒng)固有的顯色反應，開發(fā)適用于紙芯片的比色分析技術(shù)，提高紙芯片檢測靈敏度具有較好發(fā)展前景。在芯片親/疏水通道的制作過程中，部分制作方法會涉及到化學試劑的使用，因此可能對芯片的檢測效果造成影響，在紙芯片的制作過程中盡量避免或減少化學試劑的使用，研發(fā)合理的親—疏水材料，進一步改善紙芯片的分析檢測性能，避免非特異性吸附也是研究的一個方向。目前紙芯片更多的還是用于實驗室檢測，隨著手機等智能設(shè)備的發(fā)展，利用電子設(shè)備進行檢測數(shù)據(jù)的實時傳遞，進而實現(xiàn)實時檢測，使其更好地向著商業(yè)化發(fā)展，更好地應用于生活中，成為一種必然趨勢。相信隨著加工技術(shù)和檢測技術(shù)的快速發(fā)展，微流控紙芯片技術(shù)將會有更大的發(fā)展，成為現(xiàn)場快速檢測的重要手段。

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Fabrication and application of paper based microfluidic chip

YAN YuXUChang-huaGUDong-chen

(CollegeofFoodScience&Technology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.044

“十二五”國家科技支撐計劃重點項目(編號：2015BAD17B01，2015BAD17B02)

閆宇，男，上海海洋大學在讀碩士研究生。

許長華(1981—)，男，上海海洋大學副教授，博士。 E-mail：chxu@ shou.edu.cn

2017—05—31