紙基微流控芯片的發(fā)展成為近年來分析傳感科學(xué)研究關(guān)注的重點(diǎn)之一

嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人民的健康帶來了巨大的影響，同時(shí)，生物分析與醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)可直接造福人類健康與疾病治療。目前，環(huán)境與生物分析都亟需更低成本、高效率、快速即時(shí)的分析傳感方法。微流控紙芯片的發(fā)展為構(gòu)建新型分析平臺(tái)提供了思路，尤其是在環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)學(xué)診斷方面，紙基裝置的低成本、高效便捷等優(yōu)勢(shì)有利于快速分析檢測(cè)，因此，紙基微流控芯片的發(fā)展成為近年來分析傳感科學(xué)研究關(guān)注的重點(diǎn)之一。

中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所“海岸帶環(huán)境分析監(jiān)測(cè)與生態(tài)修復(fù)”研究團(tuán)隊(duì)陳令新、李博偉等為提高基于微流控紙芯片的傳感裝置在環(huán)境與生物分析中的分析效率、選擇性、靈敏性，提升紙芯片裝置上合成與分析全過程的可操作性，研究基于先進(jìn)功能材料的紙基傳感機(jī)制，探索了熒光傳感、電化學(xué)傳感以及比色傳感機(jī)制在紙芯片平臺(tái)上的構(gòu)建，研究設(shè)計(jì)了一系列低成本、便捷化、靈敏性、選擇性的快速分析方法與紙芯片裝置，并用于環(huán)境與生物分析應(yīng)用研究，在微流控紙芯片的環(huán)境分析、生物分析與器件化方面獲得了系列進(jìn)展。

環(huán)境分析方面，在團(tuán)隊(duì)的分子印跡技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)之上，將微流控紙芯片平臺(tái)與分子印跡熒光傳感技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓展紙基移動(dòng)閥設(shè)計(jì)，構(gòu)建旋轉(zhuǎn)式熒光傳感紙芯片，實(shí)現(xiàn)了海水與湖水環(huán)境中，重金屬離子、藻藍(lán)蛋白、酚類污染物的選擇性、靈敏性的多通路樣品檢測(cè)。同時(shí)，利用紙芯片配合團(tuán)隊(duì)研發(fā)的手持式比色分析儀器，實(shí)現(xiàn)了多通路重金屬離子的比色檢測(cè)。

圖1 （A）應(yīng)用于環(huán)境污染物分析的分子印跡熒光傳感旋轉(zhuǎn)式微流控紙芯片實(shí)物圖與使用操作過程示意圖，（B）該工作以封面論文發(fā)表于期刊《Analytical Chemistry》；（C）應(yīng)用于腫瘤標(biāo)志物分析的離心式全血檢測(cè)微流控紙芯片示意圖。

生物分析與臨床診斷方面，團(tuán)隊(duì)首先研制了旋轉(zhuǎn)式電化學(xué)發(fā)光免疫分析紙芯片，利用旋轉(zhuǎn)閥控制方便操作，完成了紙基多通路的復(fù)雜夾心式免疫分析洗滌過程。進(jìn)一步采用電化學(xué)方式，結(jié)合移動(dòng)閥設(shè)計(jì)，在紙芯片平臺(tái)上構(gòu)建生物分子印跡聚合物，形成了一種基于可移動(dòng)閥紙裝置原位合成分子印跡聚合物的無抗體生物標(biāo)志物的電化學(xué)分析策略，實(shí)現(xiàn)了人體血清中腫瘤標(biāo)志物癌胚抗原的臨床分析。在利用紙芯片離心全血獲取血清方面也進(jìn)行了研究，受拉力與繩驅(qū)動(dòng)離心機(jī)的啟發(fā)，將手動(dòng)離心方式與旋轉(zhuǎn)閥紙基免疫分析方法集成于一個(gè)紙芯片上，構(gòu)建了同時(shí)具備全血離心功能與免疫分析功能的微流控紙芯片，配合智能手機(jī)或便攜式比色分析儀器，在一個(gè)紙芯片上實(shí)現(xiàn)了從全血離心到免疫分析結(jié)果呈現(xiàn)的全過程。研制該芯片用于人體血液中癌胚抗原與甲胎蛋白兩種腫瘤標(biāo)志物的分析，并在臨床應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和重復(fù)性考察上達(dá)到較好的效果。

圖2 用于生物分析腫瘤標(biāo)志物的電化學(xué)分析微流控紙芯片（A）利用旋轉(zhuǎn)閥的電化學(xué)發(fā)光免疫傳感紙芯片的原理、操作示意圖與檢測(cè)性能結(jié)果圖；（B、C）利用移動(dòng)閥的分子印跡電化學(xué)傳紙芯片的設(shè)計(jì)組成示意圖與實(shí)物圖，及其傳感原理與操作使用過程示意圖。

紙芯片器件化方面，該團(tuán)隊(duì)首先研發(fā)了靈活控制紙基平臺(tái)流體開關(guān)的紙基移動(dòng)閥，并進(jìn)一步擴(kuò)展成為書頁式移動(dòng)閥，更為靈活可拆卸更換，并取得了較好的應(yīng)用效果。在紙芯片制作方面，利用新型廉價(jià)的高聚物材料，作為紙芯片疏水屏障的構(gòu)建材料，實(shí)現(xiàn)了紙芯片上有機(jī)溶液的輸送通道的構(gòu)建，并為紙芯片的制作提供了更廉價(jià)的可能，該新型材料制作的紙芯片，在構(gòu)建紙芯片在環(huán)境致病菌的檢測(cè)方面得到較好的應(yīng)用驗(yàn)證。進(jìn)一步將紙基與3D打印芯片結(jié)合，形成混合微流控裝置系統(tǒng)，利用該微流控系統(tǒng)器件檢測(cè)了H2S對(duì)癌細(xì)胞的影響。發(fā)現(xiàn)持續(xù)暴露于低濃度H2S可通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來抑制癌細(xì)胞SMMC-7721的生長，此外還發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞中有兩個(gè)氣態(tài)分子H2S和NO存在串?dāng)_，它們?cè)诎┘?xì)胞中形成具有生物活性的中間多硫化物。

圖3 紙芯片器件化方面的相關(guān)研究成果（A）書頁式移動(dòng)閥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之意圖；（B）采用高聚物材料構(gòu)建紙芯片的方法示意圖與實(shí)際應(yīng)用效果；（C、D）紙基與3D打印芯片混合微流控裝置系統(tǒng)的實(shí)物圖、設(shè)計(jì)原理示意圖以及在癌細(xì)胞生物特性研究中的應(yīng)用效果。
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