4.  流動控制及在即時檢測中的應用

近年來世界各地艾滋病、登革熱、心臟病、癌癥等疾病的病例逐漸增加。比如，艾滋病導致每年大約兩億人死亡[25]；食源性疾病導致每年大約48億美國人染上疾病，128,000人入院，3000人死亡[26]；全球每年大約有兩百萬人因使用污濁之水、環(huán)境和個人衛(wèi)生原因死亡，并導致超過六十萬霍亂病例發(fā)生[27]。

病毒和水質(zhì)的檢測對于疾病診斷和降低水質(zhì)污染對健康的危害具有重要意義。傳統(tǒng)上一般采用臺式檢測儀器(例如聚合酶鏈反應分析儀和酶標儀)來檢測及分析定量多種病毒、細菌或食品毒素。但這些分析方法非常昂貴，耗力和耗時，預處理的步驟繁瑣[28]。隨著微流體技術(shù)的發(fā)展，低成本、小型化、便捷化檢測手段日益受到重視。玻璃基微流體芯片需要復雜的制造工藝和昂貴的設備進行操作[29]。相比而言，檢測試紙(側(cè)流及微流體試紙)設計簡單、成本低廉、易于攜帶、操作簡便，適用于發(fā)展中國家、農(nóng)村、家庭的臨床檢驗[30]，作為體外快速檢測裝置，被廣泛應用于醫(yī)療診斷[31]-[33]、環(huán)境監(jiān)測[34]和食品安全及營養(yǎng)監(jiān)測[35]等領域。

市場上供應的側(cè)流試紙(LFA) (例如艾滋病檢測試紙)可檢測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定Ag，將制備的抗體(Ab)預先固定在紙上。當檢測樣本含有Ag時，Ag先與膠體金(Au)標記Ab結(jié)合，通過毛細作用前往硝酸纖維膜，與檢測線上的Ab結(jié)合，在線上形成Ab-Ag-Ab-Au復合物，使檢測線顯為紅色，而剩余的金標記Ab將與對照線上的二抗體(Ab’)結(jié)合，形成紅色對照線(圖11) [36]。因此，檢測結(jié)果顯示兩條紅線判為陽性，一條紅色對照線則判為陰性。檢測結(jié)果根據(jù)累積到的量顯現(xiàn)出檢測線顏色的深淺,從而可以做出臨床判斷[37]。除了檢測Ab或Ag，LFA也可用于核酸檢測，采用合成的DNA直擊病毒或其它檢測物的RNA或DNA結(jié)構(gòu)，通過分子雜交或堿基互補配對原理，檢測血液中是否含有病毒核酸，以診斷有無病毒感染(圖11) [36] [38]-[40]。

除了LFA，近年來，多項研究已采用紙(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)，簡稱紙芯片。

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。由于毛細力驅(qū)動，液體便可在紙通道內(nèi)自發(fā)運動。

通過控制紙芯片的流動，可以簡化復雜的多步驟操作(如多個樣品前處理步驟和有序化學反應)，實現(xiàn)樣品或檢測試劑的有效混合，減短檢測時間及增強檢測靈敏度。文獻報道了采用物理、化學方法及閥門等各種流動控制方法，下面一一分別介紹。

物理流動控制方法包括石蠟打印式通道、中空通道及剃刀制作開放式通道等。一般而言，為改進檢測的靈敏度，流體流速應該稍微降低，以允許樣品和試劑在檢測前達到充分的反應。例如，采用石蠟打印物理方法為LFA制造疏水區(qū)域，延緩流體流動。與一般的LFA相比之下，該模型可提高靈敏度高達三倍。此外，采用中空通道可提高七倍流速，減短了檢測時間，已成功地在紙芯片上實現(xiàn)了牛血清白蛋白(BSA)與葡萄糖的并行快速檢測。剃刀制作開放式通道也用同樣原理實現(xiàn)了環(huán)境檢測，如重金屬離子(total Fe, Fe 3+ 與Ni 3+ )檢測(圖12) 。

化學流動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，簡化多步驟操作，提高檢測效率。例如，在紙上采用干蔗糖通道控制流體流速大小。將紙芯片設計成四通道式，實現(xiàn)瘧疾檢測的四大步驟：分別將樣本-Au結(jié)合物、洗滌緩沖液I、信號增強試劑、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和反應時間，簡化多步操作(圖13)。

閥門裝置被通常設置在流體通道中控制流動開閉，文獻設計了包括按鈕激活閥門、磁驅(qū)動閥門等各種方法。下面重點介紹按鈕激活閥門工作原理。在激活按鈕閥門前，親水通道預先被小空間隔開，使用者可用圓珠筆按壓并結(jié)合親水通道，激活閥門，使流體流通。在生物檢測應用方面(圖14)，該裝置可具有四個閥門，讓使用者有選擇性的檢測尿液里的蛋白質(zhì)、葡萄糖、酮或亞硝酸鹽，適合用于低量樣品下的檢測。

5. 結(jié)論

本文概述了紙內(nèi)宏觀和細觀滲流的理論研究進展，以及檢測試紙和紙基微流控芯片中紙內(nèi)滲流的流 動控制方法及其對檢測效果的影響。紙內(nèi)宏觀毛細滲流主要采用 Washburn 方程及其改進模型描述，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)的細觀滲流模擬可以考慮孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則分 布導致的變化滲透率和動態(tài)接觸角效應，以及非飽和流動現(xiàn)象。細觀模擬中生成紙維結(jié)構(gòu)方法有纖維沉 降動力學、隨機生成法、三維重構(gòu)建模、拓撲網(wǎng)絡模型，流動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)滲流的流動控制方法主要有物理和化學方法，結(jié)合在流道中設計閥門裝置， 可以實現(xiàn)對流動速度和反應時間的控制，從而提高檢測速度和靈敏度。

作者：馮上升，陳玧如，盧天健，徐 峰

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