毛细驱动的印刷微流控器件及其在生物传感中有何应用

纸基微流控器件自发明以来，已经成为一种很有前景的诊断器件平台。纸基微流控器件的主要固有优势在于其可以通过毛细作用（由纸中亲水性纤维素纤维和其间相互连接的微米级孔隙引起）实现对流体的操控。因此，纸基微流控器件中流体的流动不需要依赖外部泵送。进而，利用这种基于毛细作用的平台可以实现低成本和一次性微流控器件的制造。

纸基微流控器件大多是通过在亲水性纸张上构建图案化疏水屏障来制造的，从而将流体流动限制在目标区域内。利用疏水材料（例如蜡、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯）填充或涂覆纸中亲水性纤维素纤维之间的一些孔隙，是实现该目标的一种简单方法。目前，喷墨打印、柔版印刷、丝网印刷、冲压、化学气相沉积和光刻等方法已经被用于将疏水材料沉积在纸上，以形成设计的图案。由于纤维素纤维的表面能远高于疏水材料，因此沉积的溶液很容易润湿纤维，并通过所有未经处理的孔隙渗透到纸中。此外，也可以先用化学涂层对纸的表面进行疏水改性，然后用离子刻蚀或化学刻蚀技术选择性地激活某一区域，以增加其表面能。用这种方法制备的微流控通道，其侧面被一层坚实的疏水屏障包围，而其上下表面没有疏水屏障。暴露的表面可以根据需要用聚合物薄膜保护或密封。

此外，切割技术也被广泛地用于纸基微流控器件的制造。计算机控制的刀片、激光和其它工具可以直接将亲水性纸切割成微通道网络，使流体在通过切割获得的微通道中流动。根据切割技术的不同，聚合物薄膜可以用于从下方对纸构成支撑，也可以保护纸的顶部表面在切割过程中不受损坏。此外，通过切割获得的微流控通道表面全部暴露在外，难以处理，需要机械支撑。通常可以通过在切割之前或之后附着聚合物薄膜来实现这种机械支撑。支撑聚合物层还可以在微流控器件使用前对其通道进行密封和保护。

虽然纸基微流控器件几乎都是用亲水性纸制造的，但能够利用毛细作用驱动流体流动和输送分析物的材料不局限于纸。原则上，任何具有相互连接的亲水性小孔隙的材料应该都能够通过毛细作用驱动流体流动。同样，使用任何易于获取的多孔材料都可以制造出与纸基微流控器件性能相似的新型微流控器件。

据麦姆斯咨询报道，近期，加拿大国家研究委员会先进电子和光子学研究中心（Advanced Electronic and Photonic Research Center, National Research CouncilCanada）的研究人员开发出两种具有亲水性孔隙的特种多孔材料，利用其可以直接在聚合物薄膜上印刷自支撑微流控器件。所制备的微流控器件具有与纸基微流控器件相当的性能，但是其可以用低成本的工艺制造，并且可以处理更小的液体样本量。此外，研究人员通过其在葡萄糖传感中的应用证明了印刷微流控器件的实用性。相关研究成果以“Printed Capillary Microfluidic Devices and Their Application in Biosensing”为题发表在Micromachines期刊上。

具体而言，研究人员利用专门开发出的材料，将具有自支撑结构的毛细作用驱动的微流控器件直接印刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上。印刷器件与PET基材具有足够的附着力和良好的机械稳定性，其上表面和侧表面暴露在空气中。水和水溶液在印刷微流控器件中的流动方式与在纸基微流控器件中的流动方式相同。由于其孔隙率更低、厚度更小，印刷微流控器件可以处理的样品量约为典型纸基微流控器件所需样品量的10%。

图1 利用开发的I型材料和模板印刷工艺在PET薄膜上印刷的微流控器件  

图2 利用开发的II型材料在PET薄膜上印刷的Y型通道微流控器件

 

图3 利用开发的II型材料在PET薄膜上印刷的微流控器件及其流体输送性能

随后，研究人员将开发的印刷微流控器件初步应用于葡萄糖的比色检测和电化学检测。研究结果表明，印刷微流控器件的检测限（LOD）与采用相同检测方法、具有相似器件结构的相应纸基微流控器件的检测限相当。

图4 利用印刷微流控器件检测含有不同浓度葡萄糖的人工尿液溶液

 

图5 印刷电极及其与印刷微流控通道的集成

综上所述，该研究开发的印刷微流控器件可以提供与纸质微流控器件相似的传感性能，可以作为一种替代性的毛细作用驱动的微流控平台。

审核编辑：刘清