Мікрофлюїди на паперовій основі - це мікрофлюїдні пристрої, які складаються з ряду гідрофільних целюлозних або нітроцелюлозних волокон, які транспортують рідину від вхідного отвору через пористе середовище до потрібного вихідного отвору або області пристрою, за допомогою капілярної дії. Ця технологія базується на традиційному тесті бічного потоку, який здатний виявляти багато збудників інфекцій та хімічних забруднювачів. Основною перевагою цього методу є те, що він є в основному пасивно керованим пристроєм на відміну від більш складних мікрофлюїдних приладів. Розробка мікрофлюїдних пристроїв на паперовій основі почалася на початку 21 століття для задоволення потреби в недорогих і портативних медичних діагностичних системах.

Архітектура

Мікрофлюїдні пристрої на паперовій основі мають наступні області:

Вхід: підкладка (зазвичай целюлоза), де рідини розподіляються вручну. Канали: гідрофільні субміліметрові мережі, які направляють рідину по всьому пристрою. Підсилювачі потоку: області з різною геометрією, де швидкість потоку змінюється, щоб забезпечити стаціонарний потік з контрольованою швидкістю. Резистори потоку: капілярний елемент, який використовується для надання зниженої швидкості потоку з метою контролю часу перебування рідини в мікрофлюїдному пристрої Бар'єри: гідрофобні області, які перешкоджають виходу рідини з каналу. Виходи: місце, де відбувається хімічна або біохімічна реакція.

Течія

Рух рідини через пористе середовище, таке як папір, регулюється проникністю (науки про Землю), геометрією і ефектом випаровування. У сукупності ці фактори призводять до того, що випаровування обмежує капілярне проникнення, яке можна регулювати, контролюючи пористість і геометрію пристрою. Папір є пористим середовищем, в якому рідина транспортується в основному за рахунок гніту та випаровування. Капілярна течія при змочуванні може бути апроксимована рівнянням Уошберна, яке виводиться із закону Юріна і рівняння Хагена-Пуазейля. Середня швидкість течії рідини в узагальненому вигляді має вигляд,

де - поверхневий натяг, - кут контакту, - в'язкість, і - відстань, яку пройшла рідина. Більш розширені моделі враховують звивистість паперу, радіус пор та деформацію паперу. Після повного змочування середовища подальша течія є ламінарною і підпорядковується закону Дарсі. Середня швидкість потоку рідини узагальнено визначається як,

де - проникність середовища, а - градієнт тиску. Одним з наслідків ламінарної течії є те, що перемішування ускладнене і базується виключно на дифузії, яка в пористих системах відбувається повільніше.

Виробництво Мікрофлюїдні пристрої можуть бути виготовлені з використанням різних варіантів воскового друку, струменевого друку, фотолітографії, флексографічного друку, плазмової обробки, лазерної обробки, травлення (мікрофабрикація), трафаретного друку, 3-D принтера з цифровою обробкою світла (DLP) та воскового екранування. Кожен метод спрямований на створення гідрофобних фізичних бар'єрів на гідрофільному папері, які пасивно переносять водні розчини. Біологічні та хімічні реагенти повинні потім вибірково наноситися вздовж пристрою шляхом занурення підкладки в розчин реагенту або локального нанесення реагенту на підкладку.

Друк воском Восковий друк використовує простий принтер для нанесення воску на папір у потрібному дизайні. Потім віск розплавляється за допомогою гарячої плити для створення каналів. Цей метод є швидким і недорогим, але має відносно низьку роздільну здатність через ізотропність розплавленого воску.

Струменевий друк

Струменевий друк вимагає покриття паперу гідрофобним полімером, а потім вибіркового нанесення чорнила, яке протравлює полімер, щоб розкрити папір. Ця технологія має низьку вартість і високу роздільну здатність, але обмежена швидкістю нанесення однієї краплі чорнила за раз.

Фотолітографія

Фотолітографія схожа на струменевий друк, використовуючи фотомаску для вибіркового травлення полімеру фоторезисту. Ця техніка має високу роздільну здатність і є швидкою, але має високі витрати на обладнання та матеріали.

DLP-друк

Цей метод використовує техніку DLP-друку, в якій фотоотверджувані полімери смоли піддаються впливу світла для формування гідрофобних меж відкритих мікроканалів у пористому папері. Якщо вплив випаровування викликає занепокоєння в конкретному застосуванні, то можна використовувати два додаткові шари затверділої смоли зверху і знизу каналу. Надлишок незатверділої смоли потім видаляється за допомогою етанолу. Ця технологія має відносно низьку вартість обладнання і використовує легкодоступні матеріали, що робить її перспективним кандидатом для масового виробництва діагностичних приладів на місці надання медичної допомоги.

Плазмова обробка

У цій технології папір спочатку робиться гідрофобним за допомогою гідрофобізуючого агента, такого як АКД або фторвуглецевої плазмової полімеризації, а потім використовується плазмове травлення О2 з маскою для створення гідрофільних малюнків на папері. Однією з переваг плазмових процесів є те, що складні конструкції та функціональні можливості, такі як повністю та напівзакриті канали, перемикачі потоку та канали управління потоком рідини, можуть бути відносно легко інтегровані. Однак вартість виробництва є відносно вищою, ніж при інших методах виготовлення.

Аналітичні застосування

Мас-спектрометрія

Іонізація розпиленням паперу швидко розвивається як інтерфейс для аналітичних пристроїв на основі мікропаперу μPAD і мас-спектрометрії. Методика, вперше описана групою Грема Кукса з Пердью, полягає в подачі напруги на трикутний аркуш вологого паперу біля входу в мас-спектрометр. Хоча точний механізм недостатньо вивчений, можуть мати місце два режими роботи: багатоконусне розпилення при високій швидкості потоку і одноконусне розпилення, яке відбувається, коли розчинник вичерпується. Це частина великих зусиль, спрямованих на поєднання складних мікрофлюїдних маніпуляцій з мас-спектральним детектуванням. Нанесення воскових гідрофобних бар'єрів є поширеним методом для створення чітких каналів потоку в паперових пристроях, і він був поширений на μPAD-MS для підвищення ефективності іонізації (за рахунок фокусування потоку аналіту) і уможливлення реакційного змішування за допомогою воскового друку на трикутній поверхні паперу. Хроматографічне розділення також було продемонстровано на μPAD до виявлення розпилення на папері. Спочатку іонізація розпиленням паперу застосовувалася для виявлення малих молекул, таких як фармацевтичні препарати та наркотичні речовини. Однак було також показано, що іонізація розпиленням паперу може іонізувати великі білки, зберігаючи при цьому нековалентні взаємодії.

Методи розділення

Небагато аналітичних детекторів є дійсно специфічними для одного виду; тому перед виявленням часто необхідна певна стадія розділення. Крім того, розділення дозволяє виявляти декілька аналітів в межах однієї платформи. Поділ на основі планарної хроматографії (ТШХ), мабуть, найпростіший у виконанні, оскільки багато μPAD виготовлені з використанням хроматографічного паперу. Як правило, канал розділення визначається шляхом нанесення воском двох гідрофобних бар'єрів. Електрохімічне детектування є, мабуть, найбільш поширеним, ймовірно, через простоту реалізації, хоча колориметрія, хемілюмінесценція і мас-спектральне детектування також використовувалися в поєднанні з хроматографічним розділенням на основі паперу. Незважаючи на простоту реалізації, планарній хроматографії перешкоджає відносно низька висота пластин (тобто низька ефективність розділення). З тих пір, як група Чакраборті продемонструвала можливість електрокінетичного потоку на μPAD, в літературі з'явилося кілька застосувань електрофоретичного розділення на μPAD. Група Крукса з UT-Austin успішно продемонструвала, що електрофоретичне розділення на μPAD може бути здійснене при відносно низьких прикладених напругах у порівнянні зі звичайними електрофоретичними пристроями завдяки високій напруженості поля, яке може бути створено на дуже тонких (180 мкм) аркушах паперу для оригамі. Простіші методи розділення також можуть бути використані на μPAD, наприклад, група Генрі продемонструвала відділення плазми від цільної крові за допомогою мембран для розділення крові.

Контроль потоку

Існують різні способи контролю потоку рідини в каналах. Вони включають зміну ширини і довжини каналу, зміну змочуваності паперу, відведення частини рідини через паралельний канал або зміну в'язкості рідини. Потік в PAD можна вимкнути за допомогою розчинних цукрових містків, обробки коронним розрядом для зміни покриття на папері з гідрофобного на гідрофільний стан, або використання полімеру, що розширюється під дією потоку, щоб закрити шлях потоку.

Електронна інтеграція

Інтеграція мікрофлюїдних платформ та електронних компонентів має потенціал для створення систем мікрототального аналізу (µTAS), які є пристроями, що включають і автоматизують всі основні етапи підготовки та аналізу зразків. Паперова електроніка покладається на функціональні структури, такі як провідники, які виготовляються на поверхні паперу, але мікрофлюїди на основі паперу покладаються на канали і бар'єри, які виготовляються всередині підкладки. Ця несумісність призвела до того, що більшість µTAS були розроблені з використанням традиційних мікрофлюїдних платформ з каналами на основі полімерів. Однак у 2009 році в мікрофлюїдний пристрій на паперовій основі були інтегровані електроди з трафаретним друком, що дозволило створити біосенсор для глюкози, лактату та сечової кислоти. Цей перший звіт про електронну інтеграцію для мікрофлюїдів на паперовій основі проілюстрував, як цей матеріал може покращити конструкцію цих µTAS завдяки своїй гнучкості і низькій вартості. З'єднання електронних компонентів з гідрофобними каналами, створеними в мікрофлюїдних пристроях на основі паперу, ґрунтується на методах фізичної та хімічної інтеграції; ці дві стратегії обговорюються в наступних розділах.

Фізична інтеграція