图解纸芯片制作及应用进展作者：齐云龙丁永胜来源：《现代仪器与医疗》2013年第03期摘要纸可以作为分离和快速检测技术的支撑材料，采用纸质微流控芯片可实现传统试纸所无法实现的对多组分目标物的同时、定量分析，满足对样品中临床疾病标志物和食品、环境中重要污染物的快速、廉价和便携式分析的需求。
目前已开发许多快速、简便、重复性好、成本低的纸芯片制备方法。
本文以图解方式简要介绍国内外在纸芯片制作及应用方面的研究进展。
关键词图解纸芯片制作应用进展前言微流控芯片（Microfluidic Chip）借鉴半导体微加工技术和（或）微电子工艺在芯片上构建微流路系统（由储液池、微反应室、微通道、微电极、微电路中的一种或几种组成），加载生物样品和反应液后，在压力泵或电场的作用下形成微流路，在芯片上进行一种或连续多种反应，可达到高通量快速分析的目的。
“芯片实验室（Lab-on-a-chip）”或称微全分析系统（Miniaturized Total Analysis System，µ-TAS）意指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单元集成或基本集成到芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析。
功能化芯片实验室大体包括3部分：芯片；分析仪，包括驱动源和信号检测装置；实现芯片功能化方法和试剂盒。
采用微流控芯片分析具有突出优点：（1）系统微型化，芯片面积常为数平方厘米；（2）试样、试剂消耗低，污染少；（3）分析速度快、高通量（通道短，场强高，分离快）；（4）自动化、集成化程度高——反应、分离可控性大大提高，在集成化基础上可制成便携式仪器用于现场分析。
其研究应用日趋广泛，涉及生命科学、化学、材料、生物合成、生化诊断分析、药物筛选等领域[1～9]。
纸芯片（Paper-based microfluidics）或纸芯片分析装置（Microfluidic Paper-based Analytical Devices，μPADs或Lab-on-paper Analytical Systems）是微流控分析系统的新成员，与普通意义上的微流控芯片相比，它成本低、制备简便、无需复杂外围设备，能够进行真正意义上一次性、价格低廉、便携式的分析，已经越来越受到关注[10]，被普遍视为未来现场实时诊断发展趋势之一[11～14]，本文重点介绍纸芯片的制作及应用。
1 纸芯片概述纸质材料在检测装置中可以起到分离和支撑作用，有其独特的、极具吸引力的品质[15～17]：其成分是惰性的纤维素，来源丰富、廉价、可再生、易处理、可循环利用，易于使用和运输，易于化学修饰，有着较好的稳定性和良好的生物相容性。
结合现代的印刷技术可以方便地制备出可用于分离、分析和检测用的微流控装置，是一种可用于检测的极佳材料。
纸一直被用于多种快速检测，pH试纸是其中最突出的实例。
纸介质可以用于色谱法分离[18]，基于纸材料的分离检测提供一类廉价、多功能的平台。
纸和膜材料结合模式在针对现场诊断的商品化层析检测试纸条和试纸卡产品中应用极广[19]。
常规的试纸条（卡）通常是基于酶联免疫显色，近期基于胶体金显色的试纸条发展迅速[20， 21]。
Marbey等[16]在Nature上综述适用于发展中国家的诊断方法，其中特别提到纸上免疫色谱法——在试纸条不同位置标记不同的抗体，可以用一份样本同时检测出多种疾病，检测结果可视化，时间少于10min。
常规试纸检测因其操作简便、易用、价廉而获得巨大成功，但通常不能够做多重分析和定量分析[18]。
纸芯片（纸质微流控芯片装置）则可以解决这一问题，并更趋微型化、集成化、多功能化。
如王方方等[22]采用光刻法制备纸芯片，以化学发光法可同时检测葡萄糖和尿酸。
采用ISI Web of Knowledge检索系统，以“纸芯片（paper-based microfluidics）”等关键词检索相关的文献可知，目前关于纸芯片相关的文献发表正处于不断增长的趋势，并且有着较好的发展前景。
目前关于纸芯片综述还不多[13， 14， 17， 23～25]，本文将结合自己实验工作介绍纸芯片的制作原理及应用。
2 制作材料选择对于纸芯片，纸材质的选择非常关键，需考虑多重因素[26]，如：足够的机械承受力；水相中浸泡无显著变形和解体；合适的亲疏水性便于吸附和固定，形成明确的检测区，又要避免过度散溢[27]；不能降解生物待测物或其他检测试剂；表面须均一，以便重现、修饰和生成信号；降低常规方法中易出现的咖啡环效应（coffee-ring stain effect）[28]，还要考虑与复合材料的封装匹配效果等[29]……Whatman 3MM层析纸具有较高的纯度和一致性，确保毛细管效应的载量均一，使用较为广泛。
其中Grade1型号国际标准色谱纸厚度0.18mm，线性流速（水）130 mm/30min，具有中等颗粒保留度，表面光滑，适合用于普通分析分离并与打印机纸盒匹配较好。
纸与其他材料组合应用也较为常见，如张琼等[29]研发纸与PDMS复合型微流控芯片，利用纸与PDMS表面性质的差异，在纸材料上形成水凝胶液滴，结合液体在微通道中的主动灌流与纸材料中的被动扩散，模拟体内物质运输，形成浓度梯度介导的细胞微环境，成功用于肝癌细胞三维培养。
目前也有研究直接采用丝线、纤维等材料引导流体来制作检测装置[30～32]。
若采用电化学检测方式，还需要考虑电极材料的选择。
电极与纸芯片的组装可以采用2种方式：（1）绝缘塑料基板（如聚邻苯二甲酸乙二醇酯PET）上固化金、铜等金属电极材料，然后与纸芯片贴附接触[33]；（2）采用丝网印刷技术等将导电碳墨、Ag浆、Ag/AgCl浆等直接印刷在纸上之后加热固化。
在塑料基底上镀金、镀铜电极也适合于纸基质电化学装置，并在某些应用中灵敏度更高，如纸芯片上采用金或铜电极用循环伏安法检测效果较好，但因为产物的吸附作用会使电极钝化而不如碳墨电极耐用，且成本较高。
导电碳墨电极有多方面优势：（1）价格便宜；（2）持久耐用；（3）易于制造；（4）工业和研究中应用广泛[37]。
丝网印刷电极（Screen-Printed Electrodes，SPE）技术设计灵活，非常适用于批量生产低成本、可再生以及较为灵敏的一次性电极，在实验室研究和产品开发上，受到越来越多的关注。
本实验室采用丝网印刷技术在纸芯片上固定电极材料如导电碳墨、Ag浆、Ag/AgCl浆，并对电极进行各种修饰，如可采用纳米材料[34， 35]、Nafion膜、分子印迹[36]等。
电极应与所采用的电化学分析仪器组装灵活，应考虑与普通电化学工作站或手持便携式电化学分析仪等各接口的适用性。
3 纸芯片制作方法3.1 制作方法分类纸芯片制作通常是采用能固化的疏水性材料形成通道来限制和引导流体，这些材料包括蜡[38]、聚二甲基硅氧烷（poly （dimethylsiloxane），PDMS）[39～42]、SU-8[43， 44]、聚苯乙烯[45]、烷基烯酮二聚体（AKD）[24]、聚甲基丙烯酸甲酰胺（PoNBMA）[46]等。
方法有光刻[22]、手绘[38， 47]、打印[48， 49]等。
也有的采用等离子体[50]、激光[51， 52]等对纸质材料处理后形成特殊的亲、疏水通道。
除此之外，文献中[38， 49， 53]还报道其他纸芯片的制作方法。
为使纸上流体成为相对密封的体系，除外加密封罩外也可采用热压塑封机，以双层透明膜把芯片塑封起来[54]。
基于打印机的纸芯片制备方法[38， 49， 55] 易于与前端设计步骤衔接，操作简单，并能方便地利用最新的打印工艺打印包括电极部分在内的芯片。
本实验室利用Xerox Phaser 8560DN喷蜡打印机制作纸芯片，制作过程如后。
3.2 打印法制作纸芯片本实验室打印法基本制作流程：图 1 喷蜡打印法制作流程示意图3.2.1 纸芯片设计先用电脑辅助设计和绘图软件（如FreeCAD等）绘制芯片图样，使蜡打印部分形成对液流的限制通道。
设计须保证在芯片上完成进样、分离，与电极接口界面友好，避免加样后散溢，并有一定的支撑强度，从而实现完整的芯片检测功能。
3.2.2 采用喷蜡打印机打印采用特殊的喷蜡打印机装置制作，下图为打印后的样图：图 2 精细打印的芯片样图3.2.3 精确数控加热板加热蜡渗透在纸层中形成限制性通道，视蜡的材质，一般采用100℃，10min左右（以蜡层恰好均匀渗透到下层而不过度扩散为宜），大连化物所Lu等[55]曾进行过相关参数优化。
也可将打印好的芯片置于90℃恒温干燥箱20min左右。
3.2.4 电极制作和修饰制作好纸芯片后采用丝网印刷法[41]用下面的模具印刷电极：图 3 用于制作电极的铜板掩膜3.2.5 控制元件或三维芯片设计为达到精细控制的目的，可以再加入一些控制管道、阀门等。
制作复杂的如三维立体多层的芯片，其制作原理与上述方法类似。
3.3 复杂纸芯片制作三维立体纸芯片的制作思路是通过防水双面胶带等形成多层间的隔离，中间采用不同孔道形成不同的连通效果[56， 57]。
多层立体纸芯片制作流程示例：图 4 多层立体纸芯片制作流程示意图[56]，通过“纸-双面胶带-纸”及不同孔道的多层组合控制液流4 纸芯片检测方法4.1 光学手段光学检测是较简单直观也是最常用的方法[58]，通常是利用化学反应、酶联免疫反应的显色效应[59～64]、基于纳米粒子或量子点[64～67]的颜色指示等。
基于不同的显色指示剂，可显示一种待检物多个指标如pH、葡萄糖、蛋白、核酸等，可裸眼观察也可据色度值定量。
也有研究[68]采用对热电敏感的墨水，将不同热电信号显示为色度指示信号（见图5）。
图 5 利用热敏感墨水将电热信号转化为颜色指示[68]荧光法[15]、化学发光法或电致化学发光法[69～73]、表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy， SERS）法[74， 75]等可能需要特定仪器检测的在本文也归为光学检测类。
济南大学Yu等采用电致化学发光法检尿酸[69]和葡萄糖[72]，Delaney等[71]采用电致化学发光法在纸芯片上通过显色反应检测2-N-二丁氨基乙醇和NADH，通过手机摄像头等采集激发红光的色度数据进行远程定量检测。
纸芯片与商品化血糖仪[76]或手机[77， 78]等便携设备结合非常有利于家庭护理和远程诊断技术的发展。
纸芯片与手机结合远程诊断的应用，如下图：图 6 利用手机拍照功能采集色度数据进行远程分析的实验平台示例4.2 电化学手段采用电化学方法检测[58]，其流程示意图：图 7 电化学检测流程示意图电化学检测装置所需仪器简单、价格适中、携带方便[18]，其与纸芯片整合极具优势[18，79， 80]，电化学检测也可以与酶联免疫反应相结合[81]。