紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展

梁斯佳 毛基鍇 龔晨 于東冬 周建光

摘?要?樣品預(yù)處理是分析檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)，尤其對(duì)于原始濃度低的樣品，預(yù)富集技術(shù)有利于提高分析方法的準(zhǔn)確度，拓展應(yīng)用范圍。但是，常規(guī)樣品預(yù)富集技術(shù)往往操作繁瑣，且依賴昂貴設(shè)備，檢測(cè)時(shí)間和成本隨之增加。紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)具有易制備、低成本、高效率等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了操作過程，降低了檢測(cè)成本。本文重點(diǎn)介紹了近年來紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)與應(yīng)用的研究進(jìn)展，包括富集原理、紙基材料選擇與裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，并對(duì)此技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞?紙基微流控; 樣品預(yù)富集; 動(dòng)電堆疊; 評(píng)述

1?引 言

樣品預(yù)處理在分析檢測(cè)中具有至關(guān)重要的作用。相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)面對(duì)突發(fā)事件可進(jìn)行快速應(yīng)急檢測(cè)[1，2]，近年來已廣泛應(yīng)用于臨床診斷[3～5]、食品安全[6～8]和環(huán)境監(jiān)測(cè)[9，10]等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)所面對(duì)的樣品成分通常十分復(fù)雜，并且有效信息物含量較低，如不進(jìn)行樣品預(yù)富集，常難以滿足檢測(cè)需求[11，12]。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室樣品預(yù)處理方式耗時(shí)較長(zhǎng)，且依賴昂貴儀器設(shè)備[13，14]，不僅會(huì)增加分析檢測(cè)的成本，還會(huì)限制現(xiàn)場(chǎng)快檢技術(shù)在資源貧乏地區(qū)的應(yīng)用。為解決上述問題，

研究者致力于易操作、低成本的樣品預(yù)富集技術(shù)的研究。紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)以其易制備、易操作、低成本、高效率、便攜性強(qiáng)、環(huán)境友好、可降解等優(yōu)點(diǎn)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；赪eb of Science的出版數(shù)據(jù)分析（圖1），紙基微流控樣品預(yù)處理的相關(guān)研究近年來發(fā)展迅速，自2010年以來文獻(xiàn)數(shù)呈逐年增多的趨勢(shì)。

紙基微流控技術(shù)以紙為基底，通過特殊加工，利用紙纖維形成的微通道完成微分析過程[15]。紙基材質(zhì)成本低、親水性好，無外力驅(qū)動(dòng)即可完成樣品的儲(chǔ)存、混合和流動(dòng)，并且反應(yīng)活性高，生物相容性好，相對(duì)固相微萃取的填料更易進(jìn)行洗脫[16～18]。研究者充分利用紙基材料的優(yōu)質(zhì)特性，結(jié)合多種富集原理，研發(fā)紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)與裝置，不僅可滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求，還能作為其它先進(jìn)的分析設(shè)備（如液相色譜或質(zhì)譜）的離線樣品預(yù)處理裝置，縮短了分析時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。本文介紹了紙基微流控樣品預(yù)富集原理，總結(jié)了紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)近年來的研究成果，包括紙基材料的選擇與裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及技術(shù)的新應(yīng)用，最后對(duì)本研究領(lǐng)域的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

2?紙基微流控樣品預(yù)富集原理

紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)有效利用紙基材料的特有性質(zhì)達(dá)到富集目的。紙基孔隙率高、孔徑小，可作為攔截吸附的材質(zhì); 紙纖維縱橫交錯(cuò)所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為液體提供了微通道，在無外驅(qū)動(dòng)力時(shí)可依靠毛細(xì)作用力引導(dǎo)流動(dòng); 紙基的主要成分為纖維素，纖維素含有羥基和羧基等活性基團(tuán)，因此可對(duì)紙基進(jìn)行化學(xué)修飾，提高富集的選擇性; 紙基在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生電滲等動(dòng)電效應(yīng)，促進(jìn)帶電分析物的動(dòng)電堆疊[19，20]。紙基微流控樣品預(yù)富集原理主要有以下幾種：過濾吸附、尖端富集、雙相層析、蒸發(fā)濃縮、選擇性捕獲、靜電作用和動(dòng)電堆疊。

2.1?過濾吸附

過濾吸附富集原理是利用紙基作為濾膜，在流體通道內(nèi)吸附攔截分析物，提高單位體積內(nèi)分析物的含量，該方法常需外界設(shè)備來提供輔助驅(qū)動(dòng)力。Walsh等[21]為從大體積低濃度的樣本中富集目標(biāo)細(xì)胞，外部搭載離心設(shè)備，采用離心力驅(qū)動(dòng)樣品，用帶有一定弧度的紙基作為過濾吸附目標(biāo)細(xì)胞的富集區(qū)。在離心力的作用下，樣品中的細(xì)胞向外擴(kuò)散并被紙基條帶攔截，最終富集在紙基材料上，其濃度可滿足熒光檢測(cè)的要求。上述方法雖能處理大體積樣品，但需外部驅(qū)動(dòng)，便攜性不強(qiáng)。Tang等[22]?將基于膜過濾的透析富集方法與免疫層析試紙條結(jié)合，采用玻璃纖維、半透膜和聚乙二醇溶液制作紙基樣品預(yù)濃縮裝置，富集10 min后，將免疫層析試紙條的進(jìn)樣墊與含有試樣溶液的半透膜接觸，通過毛細(xì)作用力引入樣品產(chǎn)生比色信號(hào)。富集后，HIV病毒核酸和肌紅蛋白的檢測(cè)信號(hào)均明顯增強(qiáng)。該方法簡(jiǎn)單、廉價(jià)且便攜性強(qiáng)。

2.2?尖端富集

尖端富集原理利用紙帶末端尖角的收斂作用結(jié)合層析過程，通過溶劑帶動(dòng)分析物不斷涌向紙基頂端，使分析物最終匯聚在尖端形成高濃度富集區(qū)，Xu等[23]利用此原理（圖2A）對(duì)羅丹明6G和結(jié)晶紫進(jìn)行富集，表面增強(qiáng)拉曼光譜（Surface-enhanced Raman Scattening，SERS）的檢出限分別可達(dá)1×1020 mol/L和1×1019 mol/L。 該富集方法雖然針對(duì)低濃度樣品富集效果好，但是耗時(shí)較長(zhǎng)。

2.3?兩相層析

兩相層析富集原理是不同體積配比的兩相水體系（Aqueous two-phase systems，ATPS）[24]結(jié)合層析過程，最終因不相容而在紙基上分離，分析物會(huì)隨其中一相側(cè)流并富集在紙基的特定區(qū)域上。

Kamei課題組[25，26]利用3D紙墊進(jìn)樣井結(jié)構(gòu)將優(yōu)化后的兩相體系與免疫層析試紙條結(jié)合，使均相溶液在流經(jīng)紙基時(shí)可迅速分離成兩相，完成預(yù)富集過程（圖2B）。相比之前的雙相體系，大大縮短了時(shí)間，避免了預(yù)富集和檢測(cè)間的額外交互。該方法使針對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白和瘧疾蛋白生物標(biāo)志物的檢測(cè)靈敏度提高了10倍，并可處理血清樣本。這種紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)縮短了檢測(cè)時(shí)間，減少了干擾，但需謹(jǐn)慎選擇兩相溶液。

2.4?蒸發(fā)濃縮

當(dāng)樣本量大、濃度低時(shí)，通常采用蒸發(fā)紙基上的載液濃縮分析物。Wong等[27]采用局部加熱促進(jìn)溶劑蒸發(fā)的方法處理百微升級(jí)樣品，從尿液中以20倍富集比提取結(jié)核病標(biāo)志物（圖2C）。該方法要求分析物熱穩(wěn)定性好，且需要外接加熱設(shè)備。針對(duì)溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)的富集過程，Syms[28]結(jié)合毛細(xì)現(xiàn)象、層析過程、滲透蒸發(fā)等物理原理建立紙基蒸發(fā)預(yù)富集數(shù)學(xué)模型分析動(dòng)態(tài)過程，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論推導(dǎo)，得出結(jié)論：紙基性質(zhì)決定佩克雷系數(shù)，并影響富集效果，該過程不僅能富集分析物，還可實(shí)現(xiàn)多種分析物的分離。

另一種蒸發(fā)富集是利用咖啡環(huán)效應(yīng)使分析物富集在咖啡環(huán)邊界處，從而完成定點(diǎn)檢測(cè)。Huang等[29]在室溫下干燥SERS紙基底上的羅丹明6G液滴，形成咖啡環(huán)，比較咖啡環(huán)上與咖啡環(huán)內(nèi)的SERS信號(hào)強(qiáng)度（圖2D），發(fā)現(xiàn)分析物在咖啡環(huán)上的預(yù)富集效應(yīng)對(duì)信號(hào)增強(qiáng)與復(fù)現(xiàn)性起關(guān)鍵作用，檢出限可達(dá)3.75 nmol/L。但是，咖啡環(huán)的形成會(huì)受多種因素影響，且可控性低。

2.5?選擇性捕獲

選擇性捕獲富集原理是在紙基上修飾一些可特異性結(jié)合分析物的物質(zhì)，利用化學(xué)鍵、極性、靜電結(jié)合等作用力捕獲分析物造成堆疊，提高富集選擇性。如Byrnes等[30]在硝化纖維素和玻璃纖維制備的紙基上修飾一種通過靜電作用而對(duì)DNA具有捕獲效果的線性多糖殼聚糖。利用吸水襯底帶動(dòng)含有DNA的樣品側(cè)流，流經(jīng)特定區(qū)域時(shí)，DNA與殼聚糖結(jié)合并停止流動(dòng)，達(dá)到富集目的（圖2E）。該方法可通過控制調(diào)節(jié)pH值，使DNA從紙基富集區(qū)洗脫釋放。洗脫后的DNA濃度無需純化，可直接進(jìn)入下游分析過程，進(jìn)行擴(kuò)增操作。

2.6?靜電作用

靜電作用富集是利用靜電力富集分析物，Abbas等[31]創(chuàng)新性地在SERS檢測(cè)紙基上修飾帶電聚合物，如帶正電的聚丙烯胺鹽酸鹽或帶負(fù)電的聚苯乙烯磺酸鈉，紙基被裁剪為帶有尖端的多角形狀，樣品滴加在紙基中心（圖2F）。當(dāng)分析物電性與修飾的聚合電解質(zhì)相同時(shí)，會(huì)在靜電斥力作用下富集在角狀分支的底部; 反之則會(huì)在靜電引力作用下富集在角狀分支的尖端。研究者還利用這種現(xiàn)象，完成了混合物的富集與分離。該富集方法對(duì)SERS檢測(cè)信號(hào)具有明顯增強(qiáng)作用，但無法應(yīng)用于電中性物質(zhì)。

2.7?動(dòng)電堆疊

動(dòng)電堆疊（Electrokinetic stacking，ES）利用電壓驅(qū)動(dòng)帶電分析物，在多種動(dòng)電效應(yīng)下完成富集過程，常用于生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸等）可帶電的分析物的富集分離。

紙基材料除了提供毛細(xì)管路也會(huì)引發(fā)電滲現(xiàn)象參與動(dòng)電堆疊。利用動(dòng)電堆疊進(jìn)行樣品富集是近年紙基微流控樣品預(yù)富集的研究熱點(diǎn)。該類方法富集效率高、可控性強(qiáng)、耗時(shí)短，很大程度縮短了整個(gè)分析過程的時(shí)間。應(yīng)用在紙基微流控樣品預(yù)富集的動(dòng)電堆疊有以下幾種模式：等速電泳（Isotachophoresis，ITP）、等電聚焦（Isoelectric focusing，IEF）、場(chǎng)放大樣品堆疊（Field amplified sample stacking，F(xiàn)ASS）和離子濃差極化（Ion concentration polarization，ICP）。

2.7.1?ITP?等速電泳（ITP）是毛細(xì)管電泳常用的富集方法，也是較早在紙基微流控上成功實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。ITP是一種不連續(xù)介質(zhì)電泳技術(shù)，依靠各介質(zhì)間離子淌度的差異完成樣品富集。分析物經(jīng)過電泳分離達(dá)到穩(wěn)定后，最終被壓縮為一個(gè)極窄的區(qū)帶，以達(dá)到富集目的，并可通過調(diào)控分析物前后介質(zhì)的離子淌度控制富集效果[32，33]，原理如圖3A所示。

Moghadam 等[34，35]將ITP應(yīng)用在紙基微流控上，通過降低表面蒸發(fā)與焦耳熱進(jìn)行優(yōu)化，在短時(shí)間內(nèi)高效富集，甚至可從100 μL的大體積樣品中萃取出60%的分析物。該裝置僅靠電池供電，具有較強(qiáng)的便攜性。此富集方法還可應(yīng)用在免疫層析試紙條上，在90 s內(nèi)完成免疫球蛋白的富集，并使比色法的檢出限改進(jìn)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.7.2?IEF?等電聚焦（IEF）主要用于蛋白質(zhì)的預(yù)濃縮。該方法是根據(jù)蛋白質(zhì)分子等電點(diǎn)的不同，在一系列pH梯度中，蛋白質(zhì)通過電場(chǎng)作用遷移到與其等電點(diǎn)相同的pH區(qū)域，此時(shí)蛋白質(zhì)不再帶電，停止遷移，由此完成分離與富集[36，37]（圖3B）。Niu等[38]利用IEF原理，在紙基上完成了蛋白質(zhì)富集與分離過程。利用紙基條帶形成IEF通道，侵潤(rùn)羥乙基纖維素以避免快速蒸發(fā)。在紙帶上形成穩(wěn)定的pH梯度，并施加直流高壓進(jìn)行富集操作。該紙基微流控預(yù)富集裝置可在6 min內(nèi)完成對(duì)牛血紅蛋白的富集。當(dāng)不同蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)差異高于0.03時(shí)，還可利用IEF在紙基上進(jìn)行分離。該樣品預(yù)處理方法經(jīng)濟(jì)有效，在臨床疾病診斷和生物標(biāo)志物分析方面具有潛在用途。

2.7.3?FASS?場(chǎng)放大樣品堆疊（FASS）是基于電場(chǎng)強(qiáng)度不同，引起分析物電泳速度的改變，從而堆疊富集在毛細(xì)管區(qū)帶電泳界面處[39，40]。該富集原理需要保證被富集物的電導(dǎo)率低于背景緩沖液（圖3C）。

Wu課題組[40～42]首次將場(chǎng)放大樣品堆疊引入紙基微流控，并產(chǎn)生反向電滲促進(jìn)樣品富集，成功地在300 s內(nèi)完成了的對(duì)熒光探針和雙鏈DNA的富集，并實(shí)現(xiàn)了3個(gè)數(shù)量級(jí)的信號(hào)增強(qiáng) [40]。該課題組還驗(yàn)證了背景緩沖液中陽陰離子與電解水中的OH/H+離子的酸堿滴定反應(yīng)在富集過程中的重要作用[41]。

2.7.4?ICP?離子濃度極化（ICP）是動(dòng)電堆疊領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)，具有操作容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且富集倍數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，在2～10 min內(nèi)可富集102～103倍。ICP富集的原理如圖3D所示，在外部施加電壓時(shí)，具有離子選擇性的膜會(huì)使其表面附近的電解液中離子濃度產(chǎn)生變化，膜一側(cè)濃度降低形成耗盡區(qū)，造成通道內(nèi)電場(chǎng)分布不均，最終導(dǎo)致帶電分析物在不同位置遷移速度不同。在電滲和電泳的作用下，分析物運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡并堆積在耗盡區(qū)邊緣形成富集[43～45]。

Sinton課題組[44～46]最早將ICP富集方法應(yīng)用在紙基微流控上，利用蠟打印法制備紙基微流控預(yù)富集芯片，將離子選擇性透過材料噴涂在紙基微流控預(yù)富集芯片的特定區(qū)域。該芯片針對(duì)熒光探針的富集可達(dá)40倍，對(duì)蛋白質(zhì)、色素的富集可有效改善檢出限，而單片紙基微流控預(yù)富集芯片成本僅0.015美元。

3?預(yù)富集裝置中紙基的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1?紙基的選擇

紙基材料成本低、易制備、易折疊、結(jié)構(gòu)疏松多孔且比表面積大，在無需外驅(qū)動(dòng)的情況下，即可引導(dǎo)液體流動(dòng)，同時(shí)又具有一定的反應(yīng)活性，這些良好的特性使其成為分析檢測(cè)及樣品預(yù)富集的理想平臺(tái)。傳統(tǒng)意義的紙基材料是指由纖維素構(gòu)成，通過浸潤(rùn)、烘干、壓膜成型等一系列造紙技術(shù)制備的材料。隨著材料科學(xué)中柔性基材的發(fā)展，研究者對(duì)“紙基”的定義不再局限于傳統(tǒng)意義的紙基材料，已擴(kuò)展至具有適當(dāng)柔性或多孔結(jié)構(gòu)的紙和膜。具有優(yōu)異特性的新型膜材料已在微流控等眾多研究領(lǐng)域中引起廣泛關(guān)注[47]。在紙基微流控樣品預(yù)富集裝置中，常用的材料包括濾紙、硝化纖維素膜、玻璃纖維素紙、醋酸纖維素膜等。

通常根據(jù)被分析物和富集原理選取紙基材料，以保證有效富集。其中較為常用的是Whatman系列濾紙，該濾紙吸水性強(qiáng)，層析速度適中，價(jià)格低廉。如針對(duì)生物大分子進(jìn)行富集檢測(cè)，會(huì)選用生物兼容性較好、對(duì)生物分子結(jié)合能力強(qiáng)的硝化纖維素膜，該材質(zhì)已廣泛應(yīng)用于制備免疫層析試紙條。商品化的硝化纖維素膜的結(jié)構(gòu)和孔隙度可控，比色分析對(duì)比度高，已經(jīng)被驗(yàn)證為動(dòng)電堆疊的良好基材。玻璃纖維素紙則具有生物兼容性好、毛細(xì)管結(jié)構(gòu)優(yōu)良、耐燃性好、潤(rùn)濕性好、電滲透性能好等優(yōu)點(diǎn)，常在動(dòng)電堆疊和兩相層析中被選為基材。有時(shí)為了減少對(duì)蛋白質(zhì)的吸附，會(huì)采用醋酸纖維素膜作為基材。

3.2?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

根據(jù)不同的富集原理，紙基微流控樣品預(yù)富集分析裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也各有不同。采用紙基作為濾膜進(jìn)行過濾吸附富集時(shí)，需考慮適配外界驅(qū)動(dòng)設(shè)備。當(dāng)利用離心力驅(qū)動(dòng)液體樣品[21]，通常將一定弧度的紙基通過壓敏膠帶圍成樣品通路，夾在兩層塑料圓盤中，圓盤中心流入樣品（圖4A）。當(dāng)用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)液體時(shí)[48]，可將微型離心管蓋子打孔，作為過濾吸附濾紙的支架和進(jìn)樣管通過塞子連接（圖4B）。為了利用紙基尖端的收斂作用，尖端富集的紙基微流控裝置常采用一端尖角的結(jié)構(gòu)[23]。

近年來，紙基動(dòng)電堆疊樣品預(yù)富集引起研究者的關(guān)注?；A(chǔ)的紙基動(dòng)電堆疊裝置通常采用單通道連接雙儲(chǔ)液池的結(jié)構(gòu)。然而，此類結(jié)構(gòu)易受焦耳熱影響，引發(fā)底液蒸發(fā)，甚至紙基燒灼。高效率與焦耳熱間的綜合考量成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)方向。為了減少焦耳熱的產(chǎn)生，Bercovici課題組[49～51]利用數(shù)學(xué)建模與仿真對(duì)紙基上的ITP富集過程進(jìn)行分析，最終通過降低紙基通道深度，使大電場(chǎng)與焦耳熱間達(dá)到平衡（圖4C）。該課題組還研究了電滲和ITP富集的之間的平衡模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)分析物帶負(fù)電時(shí)，可利用紙基的電滲作用縮短通道長(zhǎng)度，同時(shí)，采用圓弧形電極代替直線電極進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，富集效果明顯提升。Yang的課題組[52～54]在ICP紙基微流控預(yù)富集芯片上引入多通道結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多通道結(jié)構(gòu)收斂作用和匯集處的流動(dòng)聚焦效應(yīng)會(huì)促進(jìn)樣品的富集。該小組還通過雙面蠟打印將紙基通道深度控制在50 μm，以此降低電滲速度與電壓需求，改善富集效果（圖4D）。

與2D紙基芯片相比，折疊式3D紙基芯片流速快，儲(chǔ)液能力強(qiáng)，每層都可實(shí)現(xiàn)不同功能，這些優(yōu)勢(shì)為動(dòng)電堆疊紙基微流控預(yù)富集芯片的設(shè)計(jì)提供了新思路。Li等[55]用折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款基于ITP原理的紙基微流控預(yù)富集芯片，便于對(duì)富集后的樣本進(jìn)行回收和分析（圖4E）。 Chou等[56]采用折疊結(jié)構(gòu)增大了儲(chǔ)液體積，并對(duì)離子選擇性透過膜覆蓋面積加以控制，減少樣品損耗，降低電壓需求（圖4F）。Lee等[57]構(gòu)建了折疊結(jié)構(gòu)的ICP紙基微流控預(yù)富集芯片，通過折疊將進(jìn)樣區(qū)和富集區(qū)聯(lián)通，富集后可減掉進(jìn)樣區(qū)，只保留富集區(qū)進(jìn)行下一級(jí)檢測(cè)。

研究者采用多種策略對(duì)ICP紙基微流控預(yù)富集芯片進(jìn)行簡(jiǎn)化制備，有的甚至可省略蠟打印步驟和選擇性透過膜的噴涂過程。Lee課題組[58，59]通過將蠟打印的紙基底與印有特定形狀離子選擇性透過膜的膠帶粘和，制備ICP紙基微流控預(yù)富集芯片 （圖4G）。他們還將離子選擇性透過膜獨(dú)立出來，嵌套在市售的免疫層析試紙條上，以提高檢測(cè)靈敏度（圖4H）[60]。Phan等[61]將裁剪好的紙基、鉑電極與離子選擇性透過膜貼合，并層壓在有兩個(gè)儲(chǔ)液池開放口的塑料片上，制備一種不需要蠟打印的ICP紙基微流控預(yù)富集芯片; 利用Parafilm封口膜，只通過裁剪的方式制備ICP紙基微流控預(yù)富集芯片?（圖4I）[62]，該方法增加了芯片的機(jī)械強(qiáng)度，相比開放式的芯片具有更好的富集效率，降低樣品污染與表面樣品蒸發(fā)。這種簡(jiǎn)單易操作的制備方法在大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

4?紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)的應(yīng)用

在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的分析檢測(cè)中，紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)可作為一些分析設(shè)備的快速、低成本的離線樣品預(yù)處理方法[42]。Niu等[38]采用紙基等電聚焦IEF預(yù)富集裝置處理的蛋白質(zhì)，利用基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，通過這種離線樣品前處理后，復(fù)雜樣品內(nèi)含量極低的生物標(biāo)志物可通過質(zhì)譜進(jìn)行高靈敏、高識(shí)別性的分析。近年來，基于紙基材料制備的SERS基底備受關(guān)注，研究者將紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)集成在SERS檢測(cè)紙基底上，不僅可提高檢測(cè)靈敏度，還在很大程度上改善了SERS檢測(cè)的重現(xiàn)性[23，29，31]。

除了應(yīng)用于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的分析檢測(cè)，紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、便攜的預(yù)處理技術(shù)，更適用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。如在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，為了檢測(cè)水中重金屬的含量，Satarpai等[48]利用化學(xué)修飾后的紙基高選擇性富集水中的Pb2+，隨后將富集后的紙基作為進(jìn)樣端接入紙基芯片中進(jìn)行比色檢測(cè)，使水中Pb2+的檢出限降低至μg/L級(jí)。Ouyang等[63]利用FASS富集原理，在6通道的紙芯片上并行分離和富集多個(gè)樣品，結(jié)合顯色反應(yīng)，可高通量檢測(cè)多種重金屬離子，顯著改善了檢出限。在臨床診斷中，紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)常用于核酸及蛋白質(zhì)的檢測(cè)分析。Tiwari等[64]在紙基上原位合成棒狀ZnO納米粒子，由于該納米粒子具有很高的縱橫比和表面覆蓋率，為蛋白質(zhì)的結(jié)合提供了更大的有效面積。結(jié)合蛋白質(zhì)的酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定，修飾ZnO納米粒子的紙基對(duì)肌紅蛋白的富集可達(dá)3倍。 Gong等[45]利用ICP紙基微流控預(yù)富集芯片直接進(jìn)行DNA分析，在10 min內(nèi)完成乙肝病毒靶點(diǎn)DNA的富集、分離與檢測(cè); 之后，利用該芯片對(duì)精子染色質(zhì)的完整性進(jìn)行了檢測(cè)[46]，定量分析了精子DNA碎片率和包裝質(zhì)量，該研究結(jié)果與臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果相同，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，分析快速靈敏。在食品安全領(lǐng)域，Wu等[42]利用FASS富集原理，制備出集成了樣品富集與分離的紙基微流控分析裝置，便攜性好、速度快，適用于小分子食品染料和大分子蛋白質(zhì)的富集。除上述應(yīng)用外，Ma等[65]以織物纖維為基底，采用ICP技術(shù)開展了海水淡化的應(yīng)用研究，該技術(shù)僅需施加15 V電壓即可去除50 mmol/L NaCl溶液中85%的鹽分，可用于在偏遠(yuǎn)或欠發(fā)達(dá)地區(qū)海水淡化。

基于智能手機(jī)的便攜式現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)裝置已經(jīng)成為紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要發(fā)展方向（圖5A），這類裝置由紙基微流控樣品預(yù)富集芯片、智能移動(dòng)終端和外設(shè)硬件構(gòu)成，其中智能移動(dòng)終端具有控制計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互等功能，并且可利用手機(jī)攝像頭拍攝光學(xué)信號(hào); 外設(shè)硬件可提供分析檢測(cè)所需的光學(xué)通路與電學(xué)結(jié)構(gòu)等。這類裝置便攜性強(qiáng)、成本低，是資源貧乏地區(qū)理想的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)。Wu課題組以FASS紙基微流控預(yù)富集芯片為核心集成了一種便攜式熒光增白劑的定量檢測(cè)裝置[66]，成像檢測(cè)系統(tǒng)由LED、光學(xué)顯微鏡片和智能手機(jī)固定集成，成功用于餐巾樣品中熒光增白劑的快速測(cè)定（圖5B）。該課題組通過引入其它光學(xué)檢測(cè)元件提高靈敏度和線性范圍，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)比色反應(yīng)。新集成的檢測(cè)裝置可完成唾液或水樣本中亞硝酸鹽的檢測(cè)以及重金屬離子的檢測(cè)[67，68]。該課題組還研究了多種離子選擇性透過膜的 ICP效應(yīng)[69]，擴(kuò)展了ICP紙基微流控預(yù)富集的應(yīng)用，搭載LED和智能手機(jī)構(gòu)建熒光圖像檢測(cè)系統(tǒng)。Li等[70]將ICP紙基微流控預(yù)富集芯片適配智能手機(jī)。利用智能手機(jī)的攝像頭拍攝熒光圖像，并開發(fā)圖像處理專用應(yīng)用程序，對(duì)熒光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析（圖5C）。

5?總結(jié)與展望

本文介紹了近年來紙基微流控樣品預(yù)富集方面的研究進(jìn)展，包括富集原理、預(yù)富集裝置中紙基選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)應(yīng)用。這項(xiàng)富集技術(shù)不僅可應(yīng)用于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的分析檢測(cè)，還可用于現(xiàn)場(chǎng)分析檢測(cè)，降低檢出限，提高靈敏度，拓寬了現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。研究者通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化制備方法、積極擴(kuò)展與其它檢測(cè)平臺(tái)的聯(lián)用等多種方式不斷完善紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)。紙基微流控樣品預(yù)富集技術(shù)搭載智能手機(jī)構(gòu)建便攜式現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)裝置已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，是社區(qū)醫(yī)療、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及資源貧乏環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的理想平臺(tái)。

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