基于声流控技术的多功能纸基分析装置开发

纸由于其成本低、操作简单、结果易读等优点，在大规模检测（例如新冠病毒检测、流感病毒检测）中发挥着越来越重要的作用。然而纸作为反应基底，还存在着许多缺陷阻碍其发展，例如，由于著名的“咖啡环效应”，在纸基材料上很难做定量分析。因为纸柔软脆弱的特性，在纸基上很难做样品处理，比如样品富集。此外，由于纸不均匀的特性，在纸上很难实现特定功能，比如均匀混合。为了解决这些问题，研究人员提出了各种策略，但方法大多都较为复杂，且大都只能解决存在的单个问题。通过一种简单策略而能在纸基材料上实现多种功能的装置是非常稀缺的。

近期，西安交通大学郝南京教授课题组在纸基分析装置领域发表了多项研究成果，如利用激光对纸进行表面改性（Chemical Engineering Journal, 2024, 480, 148245），而在本工作中其报道了利用声流控技术辅助纸基分析装置，在纸基上实现了多种功能，包括均匀比色检测、样品富集、荧光信号增强、均匀混合及纳米材料合成。相关成果以“Acoustofluidics-assisted multifunctional paper-based analyticaldevices”为题发表在国际化学权威杂志Analytical Chemistry上。

图1 纸基声流控装置的制作过程与工作原理：（a）多功能示意图，包括均匀比色检测、颗粒/细胞富集、荧光信号增强、均匀混合和纳米材料合成；（b）纸基声流控装置的制作过程；（c）高速摄像机下在纸上观察到的由声波振动引起的法拉第波；（d）法拉第波的模拟；（e）振动周期中的两个时刻纸上粒子所受作用力示意图；（f）纸上形成的克拉尼图形的模拟和实验结果。

研究人员开发的声流控辅助的纸基分析装置具有许多前所未有的优点，如易于制造、可重复使用、操作简单、调节灵活、性能卓越等。基于法拉第波的机理，可以实现均匀的比色检测，这有助于纸上定量分析的发展。此外，利用该机理，还实现了均匀和高通量混合，并进一步在纸上合成了氧化锌纳米材料。利用克拉尼图案的机理，不溶性颗粒/细胞可以在振动反节点处富集，这为荧光信号的放大提供了应用潜力。

图2 纸上的均匀比色检测：（a）示意图；（b）葡萄糖比色检测化学反应示意图；（c）比色检测的显色过程和咖啡环效应的消除；（d）在声波开启和关闭的情况下，对不同浓度的葡萄糖（5 ~ 15 mM）进行定量比色检测；（e）不同葡萄糖浓度和声波状态下（开启/关闭）被测纸的平均色度；（f）不同葡萄糖浓度和声波状态下（开启/关闭）被测纸的色度标准差。

 

图3 纸上的颗粒/细胞富集和荧光信号增强：（a）示意图；（b）纸振动幅度的模拟结果；（c）纸振动幅度的实验结果；（d）150 ~ 180 μm尺寸的黄铜粉末的富集过程；（e）75 μm尺寸的铜粉末的富集过程；（f）30 μm尺寸的金刚石粉末的富集过程；（g）5 μm尺寸的酵母菌细胞的富集过程；（h）富集酵母细胞前后的荧光图像；（i）富集前后酵母细胞的三维荧光强度图。

 

图4 纸上的均匀混合和纳米材料合成：（a）示意图；（b）利用法拉第波进行交汇区域（红圈区域）的混合；（c）声波关闭时的混合结果；（d）声波开启时的混合结果；（e）纸上合成纳米材料的示意图；（f）纸上合成的氧化锌纳米片的扫描电镜图像。

综上所述，作为一种初始形态，该声流控辅助的纸基装置填补了体声波声流控和纸基分析装置之间的空白，并带来了许多其他纸基分析装置难以企及的成果。然而，该装置仍有很大的优化和发展空间，以实现其在药物筛选、生物传感和即时检测等多个领域的应用。此外，可以预见这种纸基装置具有商业化的可行性，因为一块带有电路和小型电池的压电陶瓷片很容易与现有的商业化装置进行集成。这种集成的额外成本很低，却可以产生很大的改进效果。

该研究的第一作者是西安交大化工学院博士生赵雄，通讯作者为西安交大化工学院郝南京教授。该课题组主要从事声学微流控在传热传质中的研究工作。

审核编辑：刘清