紙由于其成本低、操作簡單、結果易讀等優(yōu)點，在大規(guī)模檢測（例如新冠病毒檢測、流感病毒檢測）中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而紙作為反應基底，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”，在紙基材料上很難做定量分析。因為紙柔軟脆弱的特性，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雜，且大都只能解決存在的單個問題。通過一種簡單策略而能在紙基材料上實現(xiàn)多種功能的裝置是非常稀缺的。

近期，西安交通大學郝南京教授課題組在紙基分析裝置領域發(fā)表了多項研究成果，如利用激光對紙進行表面改性（Chemical Engineering Journal, 2024, 480, 148245），而在本工作中其報道了利用聲流控技術輔助紙基分析裝置，在紙基上實現(xiàn)了多種功能，包括均勻比色檢測、樣品富集、熒光信號增強、均勻混合及納米材料合成。相關成果以“Acoustofluidics-assisted multifunctional paper-based analyticaldevices”為題發(fā)表在國際化學權威雜志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、顆粒/細胞富集、熒光信號增強、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）高速攝像機下在紙上觀察到的由聲波振動引起的法拉第波；（d）法拉第波的模擬；（e）振動周期中的兩個時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驗結果。

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，如易于制造、可重復使用、操作簡單、調(diào)節(jié)靈活、性能卓越等?；诜ɡ诓ǖ臋C理，可以實現(xiàn)均勻的比色檢測，這有助于紙上定量分析的發(fā)展。此外，利用該機理，還實現(xiàn)了均勻和高通量混合，并進一步在紙上合成了氧化鋅納米材料。利用克拉尼圖案的機理，不溶性顆粒/細胞可以在振動反節(jié)點處富集，這為熒光信號的放大提供了應用潛力。

圖2 紙上的均勻比色檢測：（a）示意圖；（b）葡萄糖比色檢測化學反應示意圖；（c）比色檢測的顯色過程和咖啡環(huán)效應的消除；（d）在聲波開啟和關閉的情況下，對不同濃度的葡萄糖（5 ~ 15 mM）進行定量比色檢測；（e）不同葡萄糖濃度和聲波狀態(tài)下（開啟/關閉）被測紙的平均色度；（f）不同葡萄糖濃度和聲波狀態(tài)下（開啟/關閉）被測紙的色度標準差。

圖3 紙上的顆粒/細胞富集和熒光信號增強：（a）示意圖；（b）紙振動幅度的模擬結果；（c）紙振動幅度的實驗結果；（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尺寸的酵母菌細胞的富集過程；（h）富集酵母細胞前后的熒光圖像；（i）富集前后酵母細胞的三維熒光強度圖。

圖4 紙上的均勻混合和納米材料合成：（a）示意圖；（b）利用法拉第波進行交匯區(qū)域（紅圈區(qū)域）的混合；（c）聲波關閉時的混合結果；（d）聲波開啟時的混合結果；（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，以實現(xiàn)其在藥物篩選、生物傳感和即時檢測等多個領域的應用。此外，可以預見這種紙基裝置具有商業(yè)化的可行性，因為一塊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)生很大的改進效果。

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

審核編輯：劉清