即时检测试纸内渗流理论及流动控制（下）
4. 流动控制及在即时检测中的应用
近年来世界各地艾滋病、登革热、心脏病、癌症等疾病的病例逐渐增加。比如，艾滋病导致每年大约两亿人死亡[25]；食源性疾病导致每年大约48亿美国人染上疾病，128,000人入院，3000人死亡[26]；全球每年大约有两百万人因使用污浊之水、环境和个人卫生原因死亡，并导致超过六十万霍乱病例发生[27]。
病毒和水质的检测对于疾病诊断和降低水质污染对健康的危害具有重要意义。传统上一般采用台式检测仪器(例如聚合酶链反应分析仪和酶标仪)来检测及分析定量多种病毒、细菌或食品毒素。但这些分析方法非常昂贵，耗力和耗时，预处理的步骤繁琐[28]。随着微流体技术的发展，低成本、小型化、便捷化检测手段日益受到重视。玻璃基微流体芯片需要复杂的制造工艺和昂贵的设备进行操作[29]。相比而言，检测试纸(侧流及微流体试纸)设计简单、成本低廉、易于携带、操作简便，适用于发展中国家、农村、家庭的临床检验[30]，作为体外快速检测装置，被广泛应用于医疗诊断[31]-[33]、环境监测[34]和食品安全及营养监测[35]等领域。
市场上供应的侧流试纸(LFA) (例如艾滋病检测试纸)可检测血清或血浆里的抗原(Ag)或抗体(Ab)。一般试纸条采用双抗原夹心法免疫测定Ag，将制备的抗体(Ab)预先固定在纸上。当检测样本含有Ag时，Ag先与胶体金(Au)标记Ab结合，通过毛细作用前往硝酸纤维膜，与检测线上的Ab结合，在线上形成Ab-Ag-Ab-Au复合物，使检测线显为红色，而剩余的金标记Ab将与对照线上的二抗体(Ab’)结合，形成红色对照线(图11) [36]。因此，检测结果显示两条红线判为阳性，一条红色对照线则判为阴性。检测结果根据累积到的量显现出检测线颜色的深浅,从而可以做出临床判断[37]。除了检测Ab或Ag，LFA也可用于核酸检测，采用合成的DNA直击病毒或其它检测物的RNA或DNA结构，通过分子杂交或碱基互补配对原理，检测血液中是否含有病毒核酸，以诊断有无病毒感染(图11) [36] [38]-[40]。
除了LFA，近年来，多项研究已采用纸(如色谱纸、滤纸、硝酸纤维素膜等)作为芯片主要制作材料，形成纸基微流控芯片(paper-based microfluidics)，简称纸芯片。
纸芯片中一般使用疏水材料把亲水性的纸材料分割成亲水和疏水相间的区域，形成纸通道。由于毛细力驱动，液体便可在纸通道内自发运动。
通过控制纸芯片的流动，可以简化复杂的多步骤操作(如多个样品前处理步骤和有序化学反应)，实现样品或检测试剂的有效混合，减短检测时间及增强检测灵敏度。文献报道了采用物理、化学方法及阀门等各种流动控制方法，下面一一分别介绍。
物理流动控制方法包括石蜡打印式通道、中空通道及剃刀制作开放式通道等。一般而言，为改进检测的灵敏度，流体流速应该稍微降低，以允许样品和试剂在检测前达到充分的反应。例如，采用石蜡打印物理方法为LFA制造疏水区域，延缓流体流动。与一般的LFA相比之下，该模型可提高灵敏度高达三倍。此外，采用中空通道可提高七倍流速，减短了检测时间，已成功地在纸芯片上实现了牛血清白蛋白(BSA)与葡萄糖的并行快速检测。剃刀制作开放式通道也用同样原理实现了环境检测，如重金属离子(total Fe, Fe 3+ 与Ni 3+ )检测(图12) 。
化学流动控制方法包括采用干蔗糖通道，可溶性聚合物桥梁等，这些方法大多是为了降低流体流速，简化多步骤操作，提高检测效率。例如，在纸上采用干蔗糖通道控制流体流速大小。将纸芯片设计成四通道式，实现疟疾检测的四大步骤：分别将样本-Au结合物、洗涤缓冲液I、信号增强试剂、洗涤缓冲液II，依照次序灌入四条含有不同浓度的蔗糖通道，以控制各通道的流体流动和反应时间，简化多步操作(图13)。
阀门装置被通常设置在流体通道中控制流动开闭，文献设计了包括按钮激活阀门、磁驱动阀门等各种方法。下面重点介绍按钮激活阀门工作原理。在激活按钮阀门前，亲水通道预先被小空间隔开，使用者可用圆珠笔按压并结合亲水通道，激活阀门，使流体流通。在生物检测应用方面(图14)，该装置可具有四个阀门，让使用者有选择性的检测尿液里的蛋白质、葡萄糖、酮或亚硝酸盐，适合用于低量样品下的检测。
5. 结论
本文概述了纸内宏观和细观渗流的理论研究进展，以及检测试纸和纸基微流控芯片中纸内渗流的流 动控制方法及其对检测效果的影响。纸内宏观毛细渗流主要采用 Washburn 方程及其改进模型描述，包括 单相渗流、径向渗流、液滴渗流三种情形。基于纸微结构的细观渗流模拟可以考虑孔隙结构的不规则分 布导致的变化渗透率和动态接触角效应，以及非饱和流动现象。细观模拟中生成纸维结构方法有纤维沉 降动力学、随机生成法、三维重构建模、拓扑网络模型，流动方程求解方法包括连续介质的方法以及介 观格子 Boltzmann 方法。纸内渗流的流动控制方法主要有物理和化学方法，结合在流道中设计阀门装置， 可以实现对流动速度和反应时间的控制，从而提高检测速度和灵敏度。
作者：冯上升，陈玧如，卢天健，徐 峰
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