微流控纸芯片的加工技术及其应用1 (1)

白质
等生物分子。Lu 等 采用硝基纤 维滤膜作为纸芯片的基底， 用于生物大分子的快速
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和 DNA
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了迅猛发展。 与传统的硅、 玻璃、 高聚物微流控芯片相比， 微 流控纸芯片具有如下优点： （ 1 ） 成本更低。首先， 相比之下， 纸张来源更丰 ， 、 / 、 富 且其价格远低于硅 玻璃 石英 甚至高聚物等材
化学进展 （ 4 ） 检测背景低。 纸张通常是白色， 有利于在 。 纸芯片上开展比色分析 （ 5 ） 后处理简单， 无污染。纸可燃， 纸芯片使用 完后， 可以通过简单安全的燃烧方法进行处理 ， 不会 对环境造成污染。 因此， 基于纸的微流控分析芯片可以作为一次 性分析器件， 应用于医学诊断、 食品安全快速检测以 ［14 ～ 16 ］ ， 及环境质量监控等领域 尤其在发展中国家以 μPADs 具有很大的应用前景。 及贫困偏远地区， 纸芯片制作是开展微流控纸芯片分析研究的基 础， 本文着重介绍近年来发展形成的微流控纸芯片 在此基础上， 对微流控纸芯片中的检测方 加工技术， 法及其应用研究作一简单的介绍 。
［1 ～ 3 ］ ［4 ～ 6 ］ 、 、 质； 其次， 可通过简单的光刻 蜡印 喷墨打 ［7 ］ ［8 ， 9 ］ 绘图 等方式制作二维 （ 2D ） 纸芯片， 或通 印 、
Tamimi 等 利用纸芯片检测人的血 分析检测。Al型实验中， 选择吸墨纸、 滤纸以及 Kleenex 纸巾三种 研究它们对凝聚血细胞的固定效果及 不同的纸张， Kleenex 纸 对未凝聚血细胞的洗脱效果。研究发现， 巾具有最佳效果。 另外， 本课题组用比色法检测亚 硝酸根、 葡萄糖等组分时发现， 采用 Whatman 1 号滤 纸与国产的新华定量滤纸作为基底， 测定结果没有 显著性差异。 此外， 还有各种由纤维素和聚合物组成的离子 交换纸和复合纸， 为纸芯片的发展提供了多种可选 择的基底材料。
［1 ］ ［4 ， 12 ］ ［13 ］ 、 蛋白质 和 DNA 等生物大分子。
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微流控纸芯片的加工技术
［1 ～ 3 ， 10 ， 11 ， 19 ～ 30 ］ 、 目前， 文献上主要采用紫外光刻 ［4 ～ 6 ， 17 ， 31 ～ 48 ］ ［49 ， 50 ］ 、等 离 子 体 处 理 、喷 墨 打 蜡印 ［7 ， 51 ］ ［52 ， 53 ］ ［8 ， 9 ］ 、 、绘 图 、丝 网 印 喷墨溶剂刻蚀 印 ［55 ， 56 ］ ［57 ］ ［58 ， 59 ］ 、 、 柔印 激光处理 及融蜡浸透 等 技术， 在滤纸的特定区域制造出疏水的隔离带 （ 或
PＲOGＲESS IN CHEMISTＲY
化学进展
DOI： 10. 7536 / PC130616
微流控纸芯片的加工技术及其应用
蒋 艳 马翠翠 胡贤巧
＊ 何巧红 ＊
*
（ 浙江大学化学系 微分析系统研究所 摘 要
杭州 310058 ）
微流控纸芯片是一种新兴的微流控分析技术平台 ， 具有成本低、 加工简易、 使用和携带方便等优点， 、 ， ， 在临床诊断 食品质量控制和环境监测等应用领域具有很大的应用前景 近年来 引起广大科学工作者极大 的兴趣。本文着重介绍目前文献相继报道的各种纸芯片加工技术 ， 包括紫外光刻、 蜡印、 等离子体处理、 喷墨 打印、 喷墨溶剂刻蚀、 绘图、 柔印和激光光刻等技术。此外， 还介绍了微流控纸芯片分析中的检测方法及其应 用。 关键词 微流控纸芯片 微加工 检测技术 应用 281X（ 2014 ） 01016711 中图分类号： O652. 9 文献标识码： 文章编号： 1005-
过简单的折纸 或多层纸片叠加 的方法制作三 维（ 3D） 纸芯片， 因此纸芯片制作简便， 其加工成本 远低于传统微流控芯片。 （ 2 ） 分析系统更易微型化、 便携化。 滤纸本身 具有很强的毛细管作用， 经图案化疏水性处理即能 引导溶液有序流动， 因此无需外置的驱动泵； 纸张薄 （ 0. 07 ～ 1 mm） ， 质地轻， 且可折叠， 因此易于保存和 运输。 （ 3 ） 生物兼容性好。 滤纸的主要成分为纤维 素， 具 有 良 好 的 生 物 兼 容 性， 可以在其表面固定 酶
＊ He Qiaohong ＊
（ Institute of M icroanalytical Systems， Department of Chemistry ， Zhejiang University ， Hangzhou 310058 ，
potentials for application in clinical diagnosis，food quality control as w ell as environmental monitoring due to its attractive features such as low cost，easytofabricate，easytouse and portable． Its importance and utility are w idely acknow ledged and extensive research has been conducted in the past several years． This paper mainly aims to review the developed techniques for fabrication of microfluidic paperbased chips， including UV photolithography ，w ax printing ， plasma treatment， ink printing ， ink jet etching ， plotting ， screen printing ， flexography printing and laser treatment，and so on． The detection methods for the microfluidic paperbased chip analysis and applications of microfluidic paperbased chips are also review ed． Key words Contents 1 2 3 3. 1 Introduction Paper choices Fabrication techniques of microfluidic paperbased chips UV photolithography technique microfluidic paperbased chips； fabrication； detection methods； applications 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 3. 6 3. 7 Wax printing technique Plasma treatment technique Ink printing technique Ink jet etching technique Plotting technique Screen printing and flexography printing
［17 ］ 且分布均匀的 Whatman 1 号层析纸 。 硝化纤维 素对生物分子有较好的非特异性吸附， 适合固定蛋
微流控纸芯片是近几年发展的一种新型微流控 玻璃、 高聚物等材 芯片。它用纸张作为基底代替硅、 料， 通过各种加工技术， 在纸上加工出具有一定结构 的亲 / 疏水微细通道网络及相关分析器件， 构建“纸 onpaper ） ， 也称微流控纸分析 上微型实验室 ”（ labbased analytical devices， 器 件 （ microfluidic paper［1 ］ μPADs） 。 自 2007 年 Whitesides 组 首 次 提 出 μPADs 概念后， 六年来微流控纸芯片分析技术得到
Ｒeview technique 3. 8 3. 9 3. 10 4 4. 1 4. 2 4. 3 5 5. 1 5. 2 5. 3 6 Wax dipping technique Laser treatment technique Other techniques Detection methods in microfluidic paperbased analytical devices Colorimetric detection Electrochemical detection Chemiluminescence scence detection Applications of microfluidic paperbased analytical devices Clinical diagnosis Food quality control Environmental monitoring Conclusion and perspective and electrochemilumine-
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隔离坝） ， 形成具有亲疏水性的通道网络， 制得二维
Progress in Chemistry ， 2014 ， 26 （ 1 ） ： 167 ～ 177
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蒋
艳等： 微流控纸芯片的加工技术及其应用
综述与评论
（ 2D） 微流控纸芯片。在此基础上， 利用多层滤纸的 ［11 ］ ［10 ］ 叠加 或是折纸 等方法制作三维 （ 3D ） 微流控 2D 纸芯片的 纸芯片。根据亲疏水图案化方式不同， 制作方法可分为两大类： 一是两步法， 即先采用物理 沉积、 物理堵塞或化学键合等途径使疏水性材料均 然后通过一定的技术使局部区域 匀修饰整片纸张， 去疏水化； 二是一步法， 即直接在纸张的局部区域一 次性进行疏水化（ 原亲水性纸片 ） 或亲水化 （ 原疏水 性纸片） 处理。前者主要有整个纸片疏水化后用紫 外光刻、 等离子体处理、 喷墨溶剂刻蚀等技术局部去 疏水化； 后者主要以蜡印、 喷墨打印、 绘图、 丝网印 刷、 柔印和 激 光 刻 蚀 等 技 术 实 现 区 域 疏 水 化 或 亲 水化。 3. 1 紫外光刻技术 首先通过物理吸附、 物理沉积或化学键合等方 式在滤纸上修饰光敏试剂 （ 如光胶 ） ， 然后在掩模的 保护下， 紫外光辐照特定区域， 曝光区的光敏试剂发 从而在滤纸上图案化亲 / 疏水通 生光聚合或光降解， 道网络。 SU8 是一种常用的负光胶。 Whitesides 小组［1］ 8 光胶均匀涂覆在滤纸上， 将 SU然后在掩模的保护 下进行紫外光刻， 曝光区的光胶发生交联聚合， 形成 “坝” 。显影除掉未曝光的光胶， 即形成亲水区 疏水 域， 从而在滤纸上形成了亲疏水通道网络 ， 制得微流 控纸芯片。为除净残留在纸基底中的光胶， 他们在 紫外光刻之后将整个纸片进一步用等离子体进行快 速处理， 提高了亲水通道的毛细作用。 具体制作过 程如图 1 所示。如此制得的纸芯片具有较高的图案 8 光胶试剂价格昂贵。为降低制 但所需 SU分辨率， Whitesides 小组采用 SC （ 环化的聚异戊二烯 作成本， ［21 ］ 8、 衍生物） 光胶 或用 SU三芳基硫六氟磷酸盐和 丙二醇甲醚醋酸酯 （ PGMEA ） 自己配制的一种环氧 ［23 ］ 都需要在洁净实验 负光胶 。不论采用何种光胶， 而且制作步骤繁琐。 室中进行， Haller 等［2］将化学气相沉积与紫外光处理技术 相结合， 制作纸芯片。 首先通过化学气相沉积将过 氧化二叔丁基 （ 引发剂 ） 和邻硝基苄基甲基丙烯酸 酯（ 单体） 沉积在多孔滤纸上， 通过聚合反应形成具 有光 敏 性 质 的 聚 邻 硝 基 苄 基 甲 基 丙 烯 酸 酯 （ PoNBMA） ， 使整片滤纸由亲水变为疏水。 疏水化 滤纸在掩模的保护下， 局部区域紫外光降解。 曝光 区的 PoNBMA 降解为聚甲基丙烯酸， 可用 pH = 8 的 缓冲溶液漂洗除去， 从而制得具有亲疏性通道网络 。 的纸芯片
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纸张的选择
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引言
纸张资源丰富、 种类繁多。滤纸因吸水性强、 生 物相容性好、 廉价易得等特点， 是目前微流控纸芯片 中最常用的基底材料。 针对不同的应用， 可选择不 用于全血分析的 同类型的滤纸或其他纸张。 例如， 血细胞过滤时， 因血细胞易变形， 可以穿过孔径比其 因此须选用空隙率低、 孔径小 直径大或略小的滤纸，
Fabrication Techniques of Microfluidic PaperBased Chips and Their * Applications
Jiang Yan China） Abstract M icrofluidic paperbased chip analysis is a burgeoning microfluidic technique． It possesses great Ma Cuicui Hu Xianqiao
收稿： 2013 年 6 月，收修改稿： 2013 年 10 月，网络出版： 2013 年 12 月 25 日 * 国家自然科学基金项目 （ No． 20890020 ） 和国家科学技术支撑项目（ No． 2012BAI13B06 ） 资助 The work was supported by the National Natural Science Foundation of China （ No． 20890020 ） and the National Key Technology Ｒ＆D Program of China （ No． 2012BAI13B06 ） ＊ ＊Corresponding author email： heqh@ zju． edu． cn http： / / w w w ． progchem． ac． cn Progress in Chemistry ， 2014 ， 26 （ 1 ） ： 167 ～ 177