微流控紙芯片專利技術(shù)綜述

微流控（Microfluidics）是一種在微米尺度上操作、控制流體的技術(shù)。微流控芯片是微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)。通過(guò)分析儀器的集成化、微型化，可把實(shí)驗(yàn)室中的分析儀器功能集成到幾個(gè)平方厘米大小的芯片上。傳統(tǒng)的微流控芯片主要以玻璃、 硅片、高聚物等材料作為基底，以微通道為網(wǎng)絡(luò)，將微泵、微閥、微電極、微反應(yīng)器、檢測(cè)元件等功能器件像集成電路一樣集成在微芯片上。

紙基微流控芯片即“微流控紙分析器件”（microfluidic paper-based analytical devices, μPADs）的概念，通過(guò)各種微細(xì)加工技術(shù)，在濾紙上構(gòu)建流體通道網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)分析器件，建立“紙上微型實(shí)驗(yàn)室”（lab-on-paper）。μPADs將濾紙廉價(jià)易得、生物相容性好等特點(diǎn)與微流控芯片的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，一經(jīng)提出就引起了廣泛的關(guān)注。

紙基微流控芯片特別適于制作“用后即棄”的一次性分析傳感器，具有巨大的應(yīng)用潛力。

紙基微流控芯片的加工技術(shù)

紙芯片的加工技術(shù)，除了光刻等傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)之外，還包括紙質(zhì)的常規(guī)加工工藝，如印刷技術(shù)等。濾紙的加工方式豐富，與微流控芯片的技術(shù)需求相結(jié)合，形成了很多區(qū)別于傳統(tǒng)微流控芯片加工手段的獨(dú)特工藝。

紙芯片得以實(shí)現(xiàn)流體控制和分析檢測(cè)的前提，是在濾紙基底上形成親/疏水通道網(wǎng)絡(luò)。基片加工技術(shù)從疏水物質(zhì)與濾紙的結(jié)合方式上，可分為物理吸附與化學(xué)結(jié)合；從疏水材料的分配和處理手段上，可分為光刻、等離子體處理、印刷、繪圖、激光刻蝕；還可根據(jù)對(duì)濾紙本身的處理，分為裁切、疊加、雕刻、粘貼等技術(shù)。在紙芯片的加工過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)同一紙基進(jìn)行不同的加工技術(shù)結(jié)合處理。尤其是三維紙芯片，在完成了表面疏水區(qū)域的圖案化之后，還需要將多片紙基質(zhì)裁切、疊加、打孔、粘貼，以形成三維尺度上的微流控通道。

紙基微流控芯片的檢測(cè)技術(shù)

微流控紙芯片的檢測(cè)技術(shù)包括比色法、化學(xué)發(fā)光法、熒光檢測(cè)、電化學(xué)發(fā)光法、電化學(xué)法、表面增強(qiáng)拉曼光譜等。

比色分析法以分析物和底物之間的顯色反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)比較或測(cè)量有色產(chǎn)物的顏色變化或顏色強(qiáng)度來(lái)定性或定量檢測(cè)待測(cè)組分。

化學(xué)發(fā)光法是依據(jù)反應(yīng)過(guò)程中某一時(shí)刻的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度來(lái)定量的一種分析方法，當(dāng)被測(cè)物接觸到檢測(cè)區(qū)時(shí)，產(chǎn)生明顯的發(fā)光效果。

熒光分析法是利用熒光物質(zhì)經(jīng)激發(fā)光照射所發(fā)出的熒光對(duì)其進(jìn)行定性或定量分析的方法，紙基中可能存在的增白劑對(duì)檢測(cè)會(huì)造成一定干擾，但熒光分析本身仍具有很高的適用性。紙基微流控芯片的熒光檢測(cè)通常與生物親和吸附作用結(jié)合。

電化學(xué)發(fā)光又稱電致化學(xué)發(fā)光，采用電化學(xué)發(fā)光法進(jìn)行分析物檢測(cè)的微流控芯片，在檢測(cè)區(qū)需要構(gòu)建電極體系，通常采用絲網(wǎng)印刷或電子束蒸發(fā)、光刻法等技術(shù)產(chǎn)生三電極體系，并負(fù)載化學(xué)發(fā)光試劑，通過(guò)施加一定電壓，待測(cè)物與發(fā)光試劑發(fā)生電化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，獲得發(fā)光信號(hào)后，可由信號(hào)強(qiáng)度得到待測(cè)物濃度。電化學(xué)法同樣是在紙基上構(gòu)建三電極體系，使用伏安法等具體檢測(cè)方法檢測(cè)樣品中待測(cè)物的含量。

電化學(xué)檢測(cè)是以電極為傳感器，將待測(cè)組分的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)定的方法，相較于光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，該方法所受的背景干擾更小，靈敏度更高。

表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）是指吸附在粗糙金屬表面或膠質(zhì)金屬顆粒上樣品的拉曼信號(hào)放大現(xiàn)象。濾紙因其微米級(jí)的粗糙度和多孔纖維結(jié)構(gòu)，在作為金屬納米粒子的負(fù)載基底時(shí)，表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。

專利分析

本文通過(guò)非專利庫(kù)、專利庫(kù)檢索獲得常用的中英文檢索詞，在CNABS、CNTXT、DWPI中構(gòu)建檢索式進(jìn)行檢索，數(shù)據(jù)截止到2016年6月，獲得的全部500篇左右專利文獻(xiàn)進(jìn)行人工篩選和標(biāo)引。

可以看出，中國(guó)與世界申請(qǐng)量的年趨勢(shì)基本趨同，在2008年之前緩慢發(fā)展，2008 年之后快速提升。這是因?yàn)檎嬲奈⒘骺丶埿酒鳛橐粋€(gè)獨(dú)立的概念在2007年才被提出。在此前的微流控芯片中雖然也用到了紙，但是主要作為流體驅(qū)動(dòng)器件，或是普通的基片。真正的紙基紙芯片，是在紙質(zhì)基片上加工出疏水區(qū)和親水通道。

微流控制芯片領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人

圖1 全球/中國(guó)年申請(qǐng)量趨勢(shì)

圖2 本領(lǐng)域主要申請(qǐng)人

本領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人集中在高校和科研院所。其中，本領(lǐng)域基礎(chǔ)專利的申請(qǐng)人哈佛學(xué)院和莫納什大學(xué)均未在微流控紙芯片領(lǐng)域進(jìn)行大量布局。說(shuō)明當(dāng)前微流控紙芯片領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化程度較低，還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。這可能是因?yàn)槲⒘骺丶埿酒诔杀竞托阅苤g還沒(méi)有取得一個(gè)較好的平衡，在操作性能，集成度上無(wú)法與傳統(tǒng)的微加工硅片基、玻璃基、高聚物基或金屬基的微流控芯片競(jìng)爭(zhēng)。相對(duì)于普通的試紙分析技術(shù)也無(wú)法形成全面的優(yōu)勢(shì)。

紙芯片基片處理技術(shù)分布

圖3 主要紙芯片基片處理技術(shù)

從上圖可以看出，紙芯片的主流處理技術(shù)仍為噴蠟打印。這是紙芯片的定位決定的。紙本身屬于廉價(jià)的材料，而工業(yè)用的疏水蠟的成本相對(duì)于紙更是可以忽略不計(jì)。蠟印加工步驟簡(jiǎn)單，僅需設(shè)計(jì)圖案，噴蠟打印然后烘烤即可形成成品的二維紙芯片。雖然蠟印存在圖案化不夠精確的問(wèn)題，但其成本優(yōu)勢(shì)巨大，與紙芯片的固有優(yōu)勢(shì)結(jié)合穩(wěn)固。以目前的微流控紙芯片的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，蠟印仍是一種有前途的基片加工方法。

微流控紙芯片檢測(cè)方法專利分布

圖4 微流控紙芯片的檢測(cè)方法

可以看出，比色法檢測(cè)為主要的紙芯片檢測(cè)方法，可能因?yàn)楸壬ǖ姆磻?yīng)條件較為簡(jiǎn)單，也不需要額外的檢測(cè)設(shè)備，僅需要將顯色試劑負(fù)載于紙上，肉眼或普通的相機(jī)即可進(jìn)行分析。比色法也是傳統(tǒng)的試紙檢測(cè)中常用的檢測(cè)方法，與紙基的適應(yīng)性非常好。電化學(xué)法、熒光法、電化學(xué)發(fā)光法在紙芯片檢測(cè)方法中也占據(jù)重要地位。其中，電化學(xué)法與電化學(xué)發(fā)光法是微流控領(lǐng)域常規(guī)的檢測(cè)方法，當(dāng)紙基引入微流控領(lǐng)域時(shí)，也沿用了這些檢測(cè)手段。熒光法、化學(xué)發(fā)光法、表面增強(qiáng)拉曼光譜屬于傳統(tǒng)的分析檢測(cè)技術(shù)在紙芯片領(lǐng)域中的新應(yīng)用，均具有靈敏度高、檢測(cè)限低的特點(diǎn)，其中化學(xué)發(fā)光法由于設(shè)備簡(jiǎn)單，更易微型化、集成化，在微流控紙芯片檢測(cè)中的應(yīng)用日益增多。

結(jié)語(yǔ)

大量的關(guān)于紙基微流控芯片的新的加工技術(shù)和應(yīng)用，以技術(shù)文獻(xiàn)而非專利的形式呈現(xiàn)，這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了紙基微流控芯片的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還不成熟。當(dāng)前的紙基微流控芯片僅為微流控技術(shù)的一個(gè)非主要分支，但紙基作為一種廉價(jià)、易加工的多孔親水材料，在微流控材料中有著不可替代的地位，隨著新的加工工藝的進(jìn)展，以及檢測(cè)精度的提高，紙基微流控芯片將會(huì)有更廣闊的前景。