4.  流動(dòng)控制及在即時(shí)檢測(cè)中的應(yīng)用

近年來(lái)世界各地艾滋病、登革熱、心臟病、癌癥等疾病的病例逐漸增加。比如，艾滋病導(dǎo)致每年大約兩億人死亡[25]；食源性疾病導(dǎo)致每年大約48億美國(guó)人染上疾病，128,000人入院，3000人死亡[26]；全球每年大約有兩百萬(wàn)人因使用污濁之水、環(huán)境和個(gè)人衛(wèi)生原因死亡，并導(dǎo)致超過(guò)六十萬(wàn)霍亂病例發(fā)生[27]。

病毒和水質(zhì)的檢測(cè)對(duì)于疾病診斷和降低水質(zhì)污染對(duì)健康的危害具有重要意義。傳統(tǒng)上一般采用臺(tái)式檢測(cè)儀器(例如聚合酶鏈反應(yīng)分析儀和酶標(biāo)儀)來(lái)檢測(cè)及分析定量多種病毒、細(xì)菌或食品毒素。但這些分析方法非常昂貴，耗力和耗時(shí)，預(yù)處理的步驟繁瑣[28]。隨著微流體技術(shù)的發(fā)展，低成本、小型化、便捷化檢測(cè)手段日益受到重視。玻璃基微流體芯片需要復(fù)雜的制造工藝和昂貴的設(shè)備進(jìn)行操作[29]。相比而言，檢測(cè)試紙(側(cè)流及微流體試紙)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于攜帶、操作簡(jiǎn)便，適用于發(fā)展中國(guó)家、農(nóng)村、家庭的臨床檢驗(yàn)[30]，作為體外快速檢測(cè)裝置，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷[31]-[33]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[34]和食品安全及營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)[35]等領(lǐng)域。

市場(chǎng)上供應(yīng)的側(cè)流試紙(LFA) (例如艾滋病檢測(cè)試紙)可檢測(cè)血清或血漿里的抗原(Ag)或抗體(Ab)。一般試紙條采用雙抗原夾心法免疫測(cè)定Ag，將制備的抗體(Ab)預(yù)先固定在紙上。當(dāng)檢測(cè)樣本含有Ag時(shí)，Ag先與膠體金(Au)標(biāo)記Ab結(jié)合，通過(guò)毛細(xì)作用前往硝酸纖維膜，與檢測(cè)線上的Ab結(jié)合，在線上形成Ab-Ag-Ab-Au復(fù)合物，使檢測(cè)線顯為紅色，而剩余的金標(biāo)記Ab將與對(duì)照線上的二抗體(Ab’)結(jié)合，形成紅色對(duì)照線(圖11) [36]。因此，檢測(cè)結(jié)果顯示兩條紅線判為陽(yáng)性，一條紅色對(duì)照線則判為陰性。檢測(cè)結(jié)果根據(jù)累積到的量顯現(xiàn)出檢測(cè)線顏色的深淺,從而可以做出臨床判斷[37]。除了檢測(cè)Ab或Ag，LFA也可用于核酸檢測(cè)，采用合成的DNA直擊病毒或其它檢測(cè)物的RNA或DNA結(jié)構(gòu)，通過(guò)分子雜交或堿基互補(bǔ)配對(duì)原理，檢測(cè)血液中是否含有病毒核酸，以診斷有無(wú)病毒感染(圖11) [36] [38]-[40]。

除了LFA，近年來(lái)，多項(xiàng)研究已采用紙(如色譜紙、濾紙、硝酸纖維素膜等)作為芯片主要制作材料，形成紙基微流控芯片(paper-based microfluidics)，簡(jiǎn)稱(chēng)紙芯片。

紙芯片中一般使用疏水材料把親水性的紙材料分割成親水和疏水相間的區(qū)域，形成紙通道。由于毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)，液體便可在紙通道內(nèi)自發(fā)運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)控制紙芯片的流動(dòng)，可以簡(jiǎn)化復(fù)雜的多步驟操作(如多個(gè)樣品前處理步驟和有序化學(xué)反應(yīng))，實(shí)現(xiàn)樣品或檢測(cè)試劑的有效混合，減短檢測(cè)時(shí)間及增強(qiáng)檢測(cè)靈敏度。文獻(xiàn)報(bào)道了采用物理、化學(xué)方法及閥門(mén)等各種流動(dòng)控制方法，下面一一分別介紹。

物理流動(dòng)控制方法包括石蠟打印式通道、中空通道及剃刀制作開(kāi)放式通道等。一般而言，為改進(jìn)檢測(cè)的靈敏度，流體流速應(yīng)該稍微降低，以允許樣品和試劑在檢測(cè)前達(dá)到充分的反應(yīng)。例如，采用石蠟打印物理方法為L(zhǎng)FA制造疏水區(qū)域，延緩流體流動(dòng)。與一般的LFA相比之下，該模型可提高靈敏度高達(dá)三倍。此外，采用中空通道可提高七倍流速，減短了檢測(cè)時(shí)間，已成功地在紙芯片上實(shí)現(xiàn)了牛血清白蛋白(BSA)與葡萄糖的并行快速檢測(cè)。剃刀制作開(kāi)放式通道也用同樣原理實(shí)現(xiàn)了環(huán)境檢測(cè)，如重金屬離子(total Fe, Fe 3+ 與Ni 3+ )檢測(cè)(圖12) 。

化學(xué)流動(dòng)控制方法包括采用干蔗糖通道，可溶性聚合物橋梁等，這些方法大多是為了降低流體流速，簡(jiǎn)化多步驟操作，提高檢測(cè)效率。例如，在紙上采用干蔗糖通道控制流體流速大小。將紙芯片設(shè)計(jì)成四通道式，實(shí)現(xiàn)瘧疾檢測(cè)的四大步驟：分別將樣本-Au結(jié)合物、洗滌緩沖液I、信號(hào)增強(qiáng)試劑、洗滌緩沖液II，依照次序灌入四條含有不同濃度的蔗糖通道，以控制各通道的流體流動(dòng)和反應(yīng)時(shí)間，簡(jiǎn)化多步操作(圖13)。

閥門(mén)裝置被通常設(shè)置在流體通道中控制流動(dòng)開(kāi)閉，文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了包括按鈕激活閥門(mén)、磁驅(qū)動(dòng)閥門(mén)等各種方法。下面重點(diǎn)介紹按鈕激活閥門(mén)工作原理。在激活按鈕閥門(mén)前，親水通道預(yù)先被小空間隔開(kāi)，使用者可用圓珠筆按壓并結(jié)合親水通道，激活閥門(mén)，使流體流通。在生物檢測(cè)應(yīng)用方面(圖14)，該裝置可具有四個(gè)閥門(mén)，讓使用者有選擇性的檢測(cè)尿液里的蛋白質(zhì)、葡萄糖、酮或亞硝酸鹽，適合用于低量樣品下的檢測(cè)。

5. 結(jié)論

本文概述了紙內(nèi)宏觀和細(xì)觀滲流的理論研究進(jìn)展，以及檢測(cè)試紙和紙基微流控芯片中紙內(nèi)滲流的流 動(dòng)控制方法及其對(duì)檢測(cè)效果的影響。紙內(nèi)宏觀毛細(xì)滲流主要采用 Washburn 方程及其改進(jìn)模型描述，包括 單相滲流、徑向滲流、液滴滲流三種情形。基于紙微結(jié)構(gòu)的細(xì)觀滲流模擬可以考慮孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則分 布導(dǎo)致的變化滲透率和動(dòng)態(tài)接觸角效應(yīng)，以及非飽和流動(dòng)現(xiàn)象。細(xì)觀模擬中生成紙維結(jié)構(gòu)方法有纖維沉 降動(dòng)力學(xué)、隨機(jī)生成法、三維重構(gòu)建模、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型，流動(dòng)方程求解方法包括連續(xù)介質(zhì)的方法以及介 觀格子 Boltzmann 方法。紙內(nèi)滲流的流動(dòng)控制方法主要有物理和化學(xué)方法，結(jié)合在流道中設(shè)計(jì)閥門(mén)裝置， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)速度和反應(yīng)時(shí)間的控制，從而提高檢測(cè)速度和靈敏度。

作者：馮上升，陳玧如，盧天健，徐 峰

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