紙基分析芯片（紙芯片）具有成本低、便攜化、操作和后處理簡單無污染等優點，在臨床診斷、食品質量控制和環境監測等領域有著廣闊的應用前景。然而，由于難以制作性能優異的疏脂性屏障，使得紙芯片在涉及有機溶劑和表面活性劑的分析檢測中，其發展受到了限制。針對當前紙芯片開發研究中存在的靈敏度較低、對有機溶劑和表面活性劑敏感等難點問題，研究人員在濾紙基底上制作出了性能優異的疏水隔離圖案和高粘附疏水表面，并驗證了所制備的紙芯片對涉及有機溶劑和表面活性劑的分析檢測具有普適性。本文對此類普適型紙芯片的研究與應用進行評述。紙基分析芯片（紙芯片）具有成本低、便攜化、操作和后處理簡單無污染等優點，在臨床診斷、食品質量控制和環境監測等領域有著廣闊的應用前景。然而，由于難以制作性能優異的疏脂性屏障，使得紙芯片在涉及有機溶劑和表面活性劑的分析檢測中，其發展受到了限制。針對當前紙芯片開發研究中存在的靈敏度較低、對有機溶劑和表面活性劑敏感等難點問題，研究人員在濾紙基底上制作出了性能優異的疏水隔離圖案和高粘附疏水表面，并驗證了所制備的紙芯片對涉及有機溶劑和表面活性劑的分析檢測具有普適性。

隨著人們對小型化傳感器件和低成本診斷技術的大量需求，便攜式傳感微芯片受到了越來越多的關注, 成為當前分析發展的熱點領域之一。傳感微芯片在現代化學和生物醫學領域顯示出誘人的應用前景，尤其適用于傳染病篩查、生物分子靶標的即時檢驗，以及生化戰劑或爆炸物的快速檢測等現場分析應用。

基于表面浸潤性(或浸潤性差異)的生化傳感器件由于具有靈敏度高、易于操作等優勢，吸引了越來越多的關注。浸潤性是指液體在固體表面的潤濕行為，可以通過液體與固體表面的接觸角來衡量。以液體水為例，與水的接觸角大于150°且滾動角小于10°的表面被稱為超疏水表面。研究發現，水溶液在超疏水表面呈圓珠狀，因此，隨著水的蒸發，液滴會發生濃縮，使溶質不斷在水和超疏水表面的接觸點富集。Alam研究組利用納米結構的超疏水表面，將濃度極低的DNA溶液富集到了電極陣列上，實現了DNA的快速超靈敏檢測。這種方法的檢測限比傳統電化學方法提高了5個數量級。Lee等制備了一種由單層Ag納米立方體組裝成的超疏水表面，并將該表面用于表面增強拉曼傳感檢測領域，檢測限降低至10-16 mol/L。

雖然超疏水表面在生化傳感分析時能夠起到富集溶質的作用，但是由于水滴在超疏水表面上通常會形成圓珠狀，且滾動角一般較低，容易導致測試液滴從超疏水表面滾落或移位。逐次加樣時液滴位置極易發生偏移，故不適用于需要多次加樣的生化反應或檢測。為解決這一問題，研究人員通過在超疏水表面上制作超親水微區來實現液滴在表面上的固定。這種具有親-疏水圖案(也稱浸潤圖案)的表面，既保留了超疏水表面抗拒液滴鋪展以約束微斑點大小的作用，又避免了由于液滴移位所導致的檢測結果重現性差等問題。

Xu等通過超親-超疏水圖案(也稱超浸潤圖案)的設計實現了超靈敏DNA微芯片的開發。研究人員將DNA樣品濃縮富集和實時檢測集成于該親-疏水圖案化的微芯片上，實現了超痕量DNA的靈敏檢測。Lo等在超疏水硅片基底上制作了親水SiO2微圖案。由于靶標DNA溶液被約束在修飾有探針分子的親水微區內，利于提高靶標與探針分子的雜交效率，從而實現了痕量核酸分子的檢測。與現有核酸檢測技術(包括PCR放大測試和下一代測序技術)相比較，這種基于親-疏水圖案的DNA微芯片能夠實現高通量檢測，并具有低能耗的特點。

與傳統的硅、玻璃、高聚物基芯片相比，紙基芯片或紙基微流控分析芯片(microfluidic paper-based analytical devices, μPADs)具有成本更低、分析系統更易微型化和便攜化、后處理簡單和無污染等優點，在臨床診斷、食品質量控制和環境監測等應用領域具有廣闊的應用前景。紙芯片制備是開展紙基分析研究的基礎，由于濾紙本身具有超親水性，在濾紙的特定區域制造出疏水的隔離帶(或隔離壩，barrier)圖案，便可形成親-疏水性的通道網絡，制得二維微流控紙芯片。目前已報道的主要采用噴蠟打印、噴墨打印/噴墨溶劑刻蝕、融蠟浸透、繪圖、絲網印刷、柔印、紫外光刻，以及激光處理等技術制作疏水圖案。

Whitesides研究組和Lin研究組相繼研發了用于紙芯片制作的噴蠟打印技術。該技術利用商用噴蠟打印機在濾紙的特定區域形成固體蠟圖案，然后將濾紙加熱，使蠟融化并滲透到濾紙中形成疏水圖案，制得紙芯片，用于檢測分析。Shen研究組采用噴墨打印機在濾紙特定區域打印烷基烯酮二聚物溶液，然后通過加熱使烷基烯酮二聚物發生縮合反應結合到濾紙纖維素表面，改變濾紙的浸潤性，而未噴墨的區域保持原濾紙的親水性。

能夠耐受有機試劑的紙芯片具有很多優勢，例如處理和分析不溶于水的化學物質(有機藥物、有機污染物、殺蟲劑、除草劑和化學戰劑，如有機磷酸酯)。然而，當前大多數紙芯片上所制作的疏水屏障容易被有機溶劑溶解或溶脹，導致有機溶劑擴散，即不能對有機溶劑起到約束作用。難以制作性能優異的疏脂性屏障，使得紙芯片在涉及有機溶劑的分析檢測中，其發展受到了限制。針對當前紙芯片研究開發中存在的靈敏度較低、對有機溶劑和表面活性劑敏感等難點問題，國內外在普適型紙芯片的研究與應用方面開展了相關工作。

1 基于高粘附疏水/疏脂表面的紙芯片

針對傳統超疏水表面容易導致測試液滴從表面滾落或移位，限制了疏水表面在生化分析方面的應用，課題組通過設計制作出紙基高粘附疏水表面來實現液滴的原位固定和溶質的濃縮富集，以提高芯片的分析穩健性和靈敏性。我們將濾紙浸漬到全氟辛基二氧化硅溶膠液中，得到高粘附疏水表面。研究了全氟辛基二氧化硅溶膠液的制備及利用其進行濾紙疏水化修飾的機理。在酸性環境下，酸提供的質子會與水分子結合生成水合質子，該物種首先對甲基硅氧烷、全氟辛基硅氧烷或正硅酸乙酯分子中電子云密度相對較高的烷氧基上的O發動親電進攻，導致整個烷氧基發生質子化，從而有利于分子中SiO—C2H5鍵斷裂，進而水解形成羥基化的產物和相應的醇(水解不一定完全)。之后，各個水解產物之間不斷發生縮合反應，形成納米顆粒。當將溶膠液沉積到濾紙表面上，納米材料上未反應完全的OH或Si—OC2H5可以與濾紙表面上的OH進一步發生縮合反應，實現濾紙的疏水化修飾。

圖 1 全氟辛基二氧化硅溶膠液的制備及利用其進行濾紙疏水化修飾的反應原理

分別測試了浸漬有甲基二氧化硅和全氟辛基二氧化硅溶膠液的濾紙疏水表面，對水、常用表面活性劑水溶液和有機溶劑的限域能力。如圖2所示，只有全氟辛基二氧化硅修飾的表面能夠約束所有測試液滴，甲基二氧化硅修飾的表面只能夠約束水和十六烷基三甲基溴化銨溶液。

圖 2 甲基二氧化硅和全氟辛基二氧化硅溶膠液修飾的濾紙疏水表面對各種液體的限域能力比較

(a)水；(b)十二烷基磺酸鈉；(c)曲拉通X-100；(d)十六烷基三甲基溴化銨；(e)乙二醇；(f)N, N二甲基甲酰胺；(g)氯仿；(h)丙酮；(i)甲醇；(j)乙醇

課題組還測試了全氟辛基二氧化硅疏水/疏脂表面對溶液的濃縮富集能力。如圖 3(a)所示，當將20 μL染料水溶液和乙醇溶液分別滴加到原始濾紙上時，液滴迅速鋪展；而當將同體積溶液滴加到全氟辛基二氧化硅疏水表面上時，液體保持球型不鋪展，隨著溶劑蒸發，染料在固液接觸面上不斷富集，1 h以后溶劑完全蒸發留下染料斑點。這里引入限域因子(CF=V1/V2) 的概念來表征疏水表面的濃縮富集能力，V1和V2分別為相同表面積疏水化濾紙和原始濾紙所能約束的溶液體積。利用相同體積(20 μL)染料溶液在原始濾紙和疏水化濾紙上鋪展面積比值，計算得到該疏水表面對水和乙醇的限域因子分別為32.5和19.5。疏水/疏脂表面對液滴的粘附力也是重點考察的性質之一。如圖 3(b)所示，全氟辛基二氧化硅疏水/疏脂表面對液滴展現出高粘附力，即使當該表面旋轉180°時，依然能夠粘附10 μL的液滴保證其不移位、不滑落。這一結果表明該疏水表面屬于Wenzel模型，液滴能夠充分滲透到表面的凹槽內，緊緊地粘附在表面上。高粘附疏水表面有利于多次加樣的化學反應或分析測試，保證了化學反應的可重復性和分析結果的可靠性。

圖 3 (a)染料水溶液和乙醇溶液分別滴加到原始濾紙上和全氟辛基二氧化硅修飾的濾紙上，及(b)水滴在不同旋轉角度全氟辛基二氧化硅修飾的濾紙表面上的照片

課題組選用1, 5-二苯羰酰肼作為探針，利用全氟辛基二氧化硅修飾的紙基疏水表面檢測重金屬Cr(Ⅵ)離子。1, 5-二苯羰酰肼(無色)能夠和Cr(Ⅵ)離子形成紫色配合物。由于1, 5-二苯羰酰肼不溶于水，此處選擇水/丙酮作為溶劑。為實現Cr(Ⅵ)離子的定量分析，利用具有疏水/疏脂表面的紙芯片分析了含有不同濃度Cr(Ⅵ)離子的樣品溶液。利用Photoshop對顯色結果進行分析，獲得色度數值并繪制標準曲線。

如圖 4所示，所制備的紙芯片能夠實現Cr(Ⅵ)離子的定量分析，檢測限低至0.035 mg/L。這一結果優于大多數先前報道的利用紙芯片檢測Cr(Ⅵ)離子的結果。根據飲用水質量國家標準(GB 5749-2006)，自來水中Cr(Ⅵ)濃度上限為0.05 mg/L(長期飲用)，因此該紙芯片適用于生活用水中Cr(Ⅵ)離子的監測。

圖 4 Cr(Ⅵ)離子的定性可視化檢測及定量分析

課題組選用大腸桿菌(E.coli)作為模式細菌，測試了具有疏水/疏脂表面的紙芯片在細菌檢測方面的潛在應用。大腸桿菌內存在β-半乳糖苷酶，而β-半乳糖苷酶能夠催化黃色底物氯酚紅β-半乳糖苷(CPRG)生成棕色產物。利用這一原理，設計了紙基細菌檢測芯片。首先，用表面活性劑和氯仿破壞大腸桿菌細胞膜使其釋放β-半乳糖苷酶，然后在紙基疏水表面上依次滴加酶底物和破膜后的細菌分散液，進行酶促顯色反應。由于甲基二氧化硅疏水表面不能約束表面活性劑和氯仿溶液(細菌破膜試劑)，表面不能富集破膜后的細胞分散液，導致顯色效果不明顯。而全氟辛基二氧化硅疏水/疏脂表面不僅能夠約束酶底物溶液，而且能夠約束破膜后的細菌分散液，最終得到理想的顯色結果。

圖 5 在全氟辛基二氧化硅(a~d)和甲基二氧化硅(e)修飾的疏水表面上進行細菌檢測(a)E.coli +破膜劑, 無CPRG；(b)E.coli + CPRG, 無破膜劑；(c)E.coli +破膜劑+ CPRG；(d)E.coli(2倍用量)+破膜劑(2倍用量) + CPRG；(e)E.coli +破膜劑+ CPRG(標尺=5 mm)

2 基于疏水隔離圖案的紙芯片

Brennan研究組采用噴墨打印機在濾紙上打印高濃度甲基倍半硅氧烷(MSQ)溶膠液形成了疏水隔離帶圖案，并測試了該疏水隔離帶圖案在液體約束(liquid confinement)方面的性能。如圖 6所示，該圖案不僅能夠約束水溶液，而且對所測試表面活性劑和部分有機溶劑(丙三醇、二甲基亞砜和甲苯)也能起到約束作用，較傳統固體蠟(Wax)和烷基烯酮二聚物(AKD)材料所形成的疏水隔離帶圖案具有一定的優勢。但是該圖案并不能實現對醇類有機溶劑的限域作用。

圖 6 NaOH刻蝕的甲基倍半硅氧烷、甲基倍半硅氧烷、固體蠟(Wax)和烷基烯酮二聚物(AKD)材料形成的疏水通道對各種液體的限域能力比較

Gupta研究組利用過渡金屬離子能夠阻止含氟有機單體發生聚合反應的原理，先將銅離子溶液涂覆到濾紙基底上形成特定圖案，然后通過引發劑誘導的化學氣相沉積方法，在濾紙基底上制作了疏水隔離帶圖案。圖 7(a)、(b)展現了疏水圖案制作過程和圖案的限域能力，該疏水隔離帶圖案能夠對己烷、乙酸乙酯、丙酮和甲醇起到約束作用。利用所制作的疏水圖案對兩種親脂染料進行紙層析分離，通過改變洗脫液水和甲醇的比例，兩種染料的比移值(Rf)也隨之變化，如圖 7(c)所示。通過優化洗脫液成分比例，實現了兩種親脂染料蘇丹黑和尼羅紅的有效紙層析分離。但是，該紙基疏水圖案制作過程需要復雜化學氣相沉積實驗設備，而且制作的浸潤圖案的精準度還有待進一步提高。

圖 7 (a)紙基氟聚物疏水圖案制作過程示意圖；(b)氟聚物和蠟疏水圖案對有機溶劑的限域能力比較；(c)氟聚物疏水圖案用于層析分離水/甲醇混合液中蘇丹黑和尼羅紅染料時的比移值

本課題組分別利用蠟、甲基二氧化硅溶膠液、全氟辛基二氧化硅溶膠液，繪制空心隔離圖案，并且考察了這些隔離圖案對水、表面活性劑水溶液及有機溶劑的限域能力。如圖 8所示，3種隔離圖案都能夠約束水溶液，但是只有全氟辛基二氧化硅圖案能夠約束所有測試液滴。甲基二氧化硅隔離圖案不能約束SDS和Triton溶液，蠟隔離圖案對3種表面活性劑溶液均不能起到限域作用。全氟辛基二氧化硅隔離圖案能夠約束所有測試有機溶劑，而甲基二氧化硅隔離圖案對所有測試有機溶劑都不能實現限域。蠟隔離圖案對氯仿、甲醇和乙醇不能實現限域。

圖 8 不同疏水隔離圖案對水、表面活性劑水溶液和有機溶液的限域能力比較

課題組選用丁二酮肟作為探針，利用具有疏水隔離圖案的紙芯片檢測重金屬Ni離子。丁二酮肟(無色)可與Ni(Ⅱ)離子形成玫紅色配合物。由于丁二酮肟不溶于水，選擇乙醇作為溶劑。同時比較了3種紙基隔離圖案用于檢測Ni(Ⅱ)離子的可用性，如圖 9所示。由于蠟和甲基二氧化硅疏水隔離圖案不能約束丁二酮肟乙醇溶液，丁二酮肟擴散到隔離圖案外，導致顯色效果不明顯。而全氟辛基二氧化硅疏水隔離圖案不僅能夠約束探針溶液(丁二酮肟/乙醇)，而且能夠約束待檢測目標溶液(含Ni(Ⅱ)離子水樣)，所以探針分子和目標分子都在疏水隔離圖案內濃縮富集，促進配位反應的發生，最終得到理想的顯色結果。此外，選用大腸桿菌(E.coli)測試了這些具有疏水隔離圖案的紙芯片在細菌檢測方面的可用性。如圖 9所示，基于蠟和甲基二氧化硅疏水隔離圖案的細菌測試顯色效果不明顯。而基于全氟辛基二氧化硅疏水/疏脂隔離圖案的細菌測試展現了理想的顯色結果。

圖 9 分別利用三種隔離圖案進行Ni(Ⅱ)離子和細菌檢測

為進一步實現Ni(Ⅱ)離子的定量分析，我們利用具有全氟辛基二氧化硅隔離圖案的紙芯片，分析了含有不同濃度Ni(Ⅱ)離子的樣品溶液。用Photoshop對顯色結果進行分析，獲得色度數值并繪制標準曲線，見圖 10。所制備的具有全氟辛基二氧化硅疏水隔離圖案的紙芯片能夠實現Ni(Ⅱ)離子的定量分析，檢測限低至8.5 μmol/L。得益于該紙芯片的濃縮富集作用，使得這一分析結果優于大多數先前報道的利用紙芯片檢測Ni(Ⅱ)離子的結果。

圖 10 Ni(Ⅱ)離子的定性可視化檢測(a)及定量分析(b)

紙芯片由于具有成本低、便攜化、后處理簡單和無污染等優點，在臨床診斷、食品質量控制和環境監測等領域具有廣闊的應用前景。能夠耐受有機試劑和表面活性劑的紙芯片具有很多優勢，不僅能夠用于水體系中的傳感分析，而且能夠進行涉及有機溶劑和表面活性劑的分析檢測。本文評述的國內外在開發普適性紙芯片方面的部分研究工作, 為發展便攜式和通用型的紙基傳感微芯片提供了一種新途徑。此外，噴墨打印的方法由于具有操作可控、節約原料、易實現復雜紙基圖案的精細設計制作等優點，在紙芯片研究方面展現了良好的前景，未來工作將集中在利用噴墨打印法實現微流控紙芯片的設計制作方面的研究，以期發展出高效率、低能耗、性能穩健和可批量生產的普適型紙芯片。

（文章節選自：張躍, 賀軍輝. 普適型紙芯片的研究與應用[J]. 影像科學與光化學, 2017, 35(4): 506-515.轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）

原文獻地址：http://www.yxkxyghx.org/CN/abstract/html/20170413.htm