毛細驅(qū)動的印刷微流控器件及其在生物傳感中有何應(yīng)用

紙基微流控器件自發(fā)明以來，已經(jīng)成為一種很有前景的診斷器件平臺。紙基微流控器件的主要固有優(yōu)勢在于其可以通過毛細作用（由紙中親水性纖維素纖維和其間相互連接的微米級孔隙引起）實現(xiàn)對流體的操控。因此，紙基微流控器件中流體的流動不需要依賴外部泵送。進而，利用這種基于毛細作用的平臺可以實現(xiàn)低成本和一次性微流控器件的制造。

紙基微流控器件大多是通過在親水性紙張上構(gòu)建圖案化疏水屏障來制造的，從而將流體流動限制在目標區(qū)域內(nèi)。利用疏水材料（例如蠟、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯）填充或涂覆紙中親水性纖維素纖維之間的一些孔隙，是實現(xiàn)該目標的一種簡單方法。目前，噴墨打印、柔版印刷、絲網(wǎng)印刷、沖壓、化學氣相沉積和光刻等方法已經(jīng)被用于將疏水材料沉積在紙上，以形成設(shè)計的圖案。由于纖維素纖維的表面能遠高于疏水材料，因此沉積的溶液很容易潤濕纖維，并通過所有未經(jīng)處理的孔隙滲透到紙中。此外，也可以先用化學涂層對紙的表面進行疏水改性，然后用離子刻蝕或化學刻蝕技術(shù)選擇性地激活某一區(qū)域，以增加其表面能。用這種方法制備的微流控通道，其側(cè)面被一層堅實的疏水屏障包圍，而其上下表面沒有疏水屏障。暴露的表面可以根據(jù)需要用聚合物薄膜保護或密封。

此外，切割技術(shù)也被廣泛地用于紙基微流控器件的制造。計算機控制的刀片、激光和其它工具可以直接將親水性紙切割成微通道網(wǎng)絡(luò)，使流體在通過切割獲得的微通道中流動。根據(jù)切割技術(shù)的不同，聚合物薄膜可以用于從下方對紙構(gòu)成支撐，也可以保護紙的頂部表面在切割過程中不受損壞。此外，通過切割獲得的微流控通道表面全部暴露在外，難以處理，需要機械支撐。通常可以通過在切割之前或之后附著聚合物薄膜來實現(xiàn)這種機械支撐。支撐聚合物層還可以在微流控器件使用前對其通道進行密封和保護。

雖然紙基微流控器件幾乎都是用親水性紙制造的，但能夠利用毛細作用驅(qū)動流體流動和輸送分析物的材料不局限于紙。原則上，任何具有相互連接的親水性小孔隙的材料應(yīng)該都能夠通過毛細作用驅(qū)動流體流動。同樣，使用任何易于獲取的多孔材料都可以制造出與紙基微流控器件性能相似的新型微流控器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，加拿大國家研究委員會先進電子和光子學研究中心（Advanced Electronic and Photonic Research Center, National Research CouncilCanada）的研究人員開發(fā)出兩種具有親水性孔隙的特種多孔材料，利用其可以直接在聚合物薄膜上印刷自支撐微流控器件。所制備的微流控器件具有與紙基微流控器件相當?shù)男阅?，但是其可以用低成本的工藝制造，并且可以處理更小的液體樣本量。此外，研究人員通過其在葡萄糖傳感中的應(yīng)用證明了印刷微流控器件的實用性。相關(guān)研究成果以“Printed Capillary Microfluidic Devices and Their Application in Biosensing”為題發(fā)表在Micromachines期刊上。

具體而言，研究人員利用專門開發(fā)出的材料，將具有自支撐結(jié)構(gòu)的毛細作用驅(qū)動的微流控器件直接印刷在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上。印刷器件與PET基材具有足夠的附著力和良好的機械穩(wěn)定性，其上表面和側(cè)表面暴露在空氣中。水和水溶液在印刷微流控器件中的流動方式與在紙基微流控器件中的流動方式相同。由于其孔隙率更低、厚度更小，印刷微流控器件可以處理的樣品量約為典型紙基微流控器件所需樣品量的10%。

圖1 利用開發(fā)的I型材料和模板印刷工藝在PET薄膜上印刷的微流控器件

圖2 利用開發(fā)的II型材料在PET薄膜上印刷的Y型通道微流控器件

圖3 利用開發(fā)的II型材料在PET薄膜上印刷的微流控器件及其流體輸送性能

隨后，研究人員將開發(fā)的印刷微流控器件初步應(yīng)用于葡萄糖的比色檢測和電化學檢測。研究結(jié)果表明，印刷微流控器件的檢測限（LOD）與采用相同檢測方法、具有相似器件結(jié)構(gòu)的相應(yīng)紙基微流控器件的檢測限相當。

圖4 利用印刷微流控器件檢測含有不同濃度葡萄糖的人工尿液溶液

圖5 印刷電極及其與印刷微流控通道的集成

綜上所述，該研究開發(fā)的印刷微流控器件可以提供與紙質(zhì)微流控器件相似的傳感性能，可以作為一種替代性的毛細作用驅(qū)動的微流控平臺。

審核編輯：劉清