基于聲流控技術(shù)的多功能紙基分析裝置開發(fā)

紙由于其成本低、操作簡(jiǎn)單、結(jié)果易讀等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模檢測(cè)（例如新冠病毒檢測(cè)、流感病毒檢測(cè)）中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而紙作為反應(yīng)基底，還存在著許多缺陷阻礙其發(fā)展，例如，由于著名的“咖啡環(huán)效應(yīng)”，在紙基材料上很難做定量分析。因?yàn)榧埲彳洿嗳醯奶匦?，在紙基上很難做樣品處理，比如樣品富集。此外，由于紙不均勻的特性，在紙上很難實(shí)現(xiàn)特定功能，比如均勻混合。為了解決這些問題，研究人員提出了各種策略，但方法大多都較為復(fù)雜，且大都只能解決存在的單個(gè)問題。通過一種簡(jiǎn)單策略而能在紙基材料上實(shí)現(xiàn)多種功能的裝置是非常稀缺的。

近期，西安交通大學(xué)郝南京教授課題組在紙基分析裝置領(lǐng)域發(fā)表了多項(xiàng)研究成果，如利用激光對(duì)紙進(jìn)行表面改性（Chemical Engineering Journal, 2024, 480, 148245），而在本工作中其報(bào)道了利用聲流控技術(shù)輔助紙基分析裝置，在紙基上實(shí)現(xiàn)了多種功能，包括均勻比色檢測(cè)、樣品富集、熒光信號(hào)增強(qiáng)、均勻混合及納米材料合成。相關(guān)成果以“Acoustofluidics-assisted multifunctional paper-based analyticaldevices”為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)權(quán)威雜志Analytical Chemistry上。

圖1 紙基聲流控裝置的制作過程與工作原理：（a）多功能示意圖，包括均勻比色檢測(cè)、顆粒/細(xì)胞富集、熒光信號(hào)增強(qiáng)、均勻混合和納米材料合成；（b）紙基聲流控裝置的制作過程；（c）高速攝像機(jī)下在紙上觀察到的由聲波振動(dòng)引起的法拉第波；（d）法拉第波的模擬；（e）振動(dòng)周期中的兩個(gè)時(shí)刻紙上粒子所受作用力示意圖；（f）紙上形成的克拉尼圖形的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

研究人員開發(fā)的聲流控輔助的紙基分析裝置具有許多前所未有的優(yōu)點(diǎn)，如易于制造、可重復(fù)使用、操作簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)靈活、性能卓越等?；诜ɡ诓ǖ臋C(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)均勻的比色檢測(cè)，這有助于紙上定量分析的發(fā)展。此外，利用該機(jī)理，還實(shí)現(xiàn)了均勻和高通量混合，并進(jìn)一步在紙上合成了氧化鋅納米材料。利用克拉尼圖案的機(jī)理，不溶性顆粒/細(xì)胞可以在振動(dòng)反節(jié)點(diǎn)處富集，這為熒光信號(hào)的放大提供了應(yīng)用潛力。

圖2 紙上的均勻比色檢測(cè)：（a）示意圖；（b）葡萄糖比色檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)示意圖；（c）比色檢測(cè)的顯色過程和咖啡環(huán)效應(yīng)的消除；（d）在聲波開啟和關(guān)閉的情況下，對(duì)不同濃度的葡萄糖（5 ~ 15 mM）進(jìn)行定量比色檢測(cè)；（e）不同葡萄糖濃度和聲波狀態(tài)下（開啟/關(guān)閉）被測(cè)紙的平均色度；（f）不同葡萄糖濃度和聲波狀態(tài)下（開啟/關(guān)閉）被測(cè)紙的色度標(biāo)準(zhǔn)差。

圖3 紙上的顆粒/細(xì)胞富集和熒光信號(hào)增強(qiáng)：（a）示意圖；（b）紙振動(dòng)幅度的模擬結(jié)果；（c）紙振動(dòng)幅度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（d）150 ~ 180 μm尺寸的黃銅粉末的富集過程；（e）75 μm尺寸的銅粉末的富集過程；（f）30 μm尺寸的金剛石粉末的富集過程；（g）5 μm尺寸的酵母菌細(xì)胞的富集過程；（h）富集酵母細(xì)胞前后的熒光圖像；（i）富集前后酵母細(xì)胞的三維熒光強(qiáng)度圖。

圖4 紙上的均勻混合和納米材料合成：（a）示意圖；（b）利用法拉第波進(jìn)行交匯區(qū)域（紅圈區(qū)域）的混合；（c）聲波關(guān)閉時(shí)的混合結(jié)果；（d）聲波開啟時(shí)的混合結(jié)果；（e）紙上合成納米材料的示意圖；（f）紙上合成的氧化鋅納米片的掃描電鏡圖像。

綜上所述，作為一種初始形態(tài)，該聲流控輔助的紙基裝置填補(bǔ)了體聲波聲流控和紙基分析裝置之間的空白，并帶來了許多其他紙基分析裝置難以企及的成果。然而，該裝置仍有很大的優(yōu)化和發(fā)展空間，以實(shí)現(xiàn)其在藥物篩選、生物傳感和即時(shí)檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，可以預(yù)見這種紙基裝置具有商業(yè)化的可行性，因?yàn)橐粔K帶有電路和小型電池的壓電陶瓷片很容易與現(xiàn)有的商業(yè)化裝置進(jìn)行集成。這種集成的額外成本很低，卻可以產(chǎn)生很大的改進(jìn)效果。

該研究的第一作者是西安交大化工學(xué)院博士生趙雄，通訊作者為西安交大化工學(xué)院郝南京教授。該課題組主要從事聲學(xué)微流控在傳熱傳質(zhì)中的研究工作。

審核編輯：劉清