基于激光直写（Laser Direct-Write, LDW）图案化石棉纸（Cellophane）微流控器件的比色生物传感低成本制备方法

《Biosensors and Bioelectronics: X》：Low-cost colourimetric biosensing using laser-patterned cellophane-based fluidic devices

　　

赛璐玢（Cellophane，再生纤维素薄膜）因可生物降解而成为环境可持续型微流控（Microfluidics）器件的理想低成本基底。本研究报道一种激光直写（Laser Direct-Write, LDW）方法，其依靠光敏聚合物（Photo-polymer）的光聚合（Photo-polymerisation）原理快速制备赛璐玢基微流控器件。该方法先将光敏聚合物按预设图形沉积于赛璐玢基底，再用405 nm激光照射使预沉积图案发生光聚合，形成构成开放孔井（Open wells）及封闭流道（Enclosed flow channels）壁的疏水性聚合物结构。通过调节聚合物沉积速率及"沉积—光聚合"循环次数，可在未涂层及聚合物涂层赛璐玢上重复制各宽度0.5–2 mm、高度0.1–2 mm的聚合结构。以涂层赛璐玢作上、下层的封闭流道可支持50–250 μL min-1泵驱动流动；以未涂层为底、涂层为顶层的杂化（Hybrid）流道可实现无泵毛细管自驱传输。在开放孔井内实现了葡萄糖（葡萄糖氧化酶/辣过氧化物酶–邻联茴香胺法，GOx/HRP–o-dianisidine assay）与亚硝酸盐（格里斯反应，Griess reaction）的定量比色检测，检出限（Limit-of-Detection, LOD）与定量限（Limit-of-Quantification, LOQ）分别为葡萄糖7.31/23.8 μg mL-1（线性范围10–100 μg mL-1）及亚硝酸盐6.57/21.9 μM（线性范围5–200 μM）。研究人员亦在开放孔井及封闭流道中检测人工尿液（Artificial urine）中的葡萄糖与亚硝酸盐。该LDW制备策略为快速原型开发用于比色传感的一次性赛璐玢基微流控器件提供了实用且灵活的途径。

论文解读：基于激光直写图案化赛璐玢的微流控比色生物传感器件研究

《Biosensors and Bioelectronics: X》

研究背景与意义

传统微流控（Microfluidics）器件多采用聚二甲基硅氧烷（PDMS, Polydimethylsiloxane）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA, Poly(methyl methacrylate)）及环烯烃类聚合物（COP, Cyclic Olefin Polymer）等非可降解材料，存在制作成本高、需专用设备、环境不可持续等问题，限制了其在资源受限地区及大规模一次性使用的即时检测（POCT, Point-of-Care Testing）中的应用。纸基微流控虽具低成本与可降解优势，但光学透明度不足，不利于可见光/紫外光学检测。赛璐玢（Cellophane，再生纤维素薄膜）兼具廉价（＜1 USD m^-2）、可生物降解、全可见/紫外波段透光（可比玻璃/塑料）、耐常用水相/有机相溶剂及本征亲水性（未涂层态），是纸基材料的良好补充。然而既往赛璐玢微流控器件依赖热压印模具、双面胶带层压或多步印刷-切割-贴合工艺，步骤繁琐耗时，抵消了材料成本优势。为此，研究人员开发了一种激光直写（LDW, Laser Direct-Write）光聚合图案化方法，可在赛璐玢上一步成型疏水聚合物壁结构，实现开放孔井与封闭流道的快速制备，并验证其在葡萄糖与亚硝酸盐比色检测中的应用。

主要关键技术方法

研究人员采用未涂层赛璐玢（42NP, 42 μm）与疏水聚合物涂层赛璐玢（45NK, 45 μm）为基底，以丙烯酸酯类负性光敏聚合物（DeSolite? 3471-3-14, 粘度10000 mPa·s, 25℃）为壁材。通过非接触喷射阀（Jetting valve）将光聚合物按设定轨迹沉积于赛璐玢表面，随后用集成于机械臂的405 nm连续波（c.w., Continuous Wave）半导体激光（~40 mJ cm^-2）扫描同一轨迹引发光聚合固化，形成疏水壁垒。通过调控沉积速率（30–100 mm s^-1）、激光固化速率（30–60 mm s^-1）及沉积-固化循环次数（1–20次）控制壁宽（0.5–2 mm）与壁高（0.1–2 mm）。开放孔井以五循环制得直径7.5 mm、壁高0.5 mm的阵列；封闭流道分两型——全涂层赛璐玢（上+下）双层键合泵驱动型，及未涂层底/涂层顶"杂化（Hybrid）"无泵毛细管自驱型。流道性能以染料示踪观察及压力爆破（Burst-pressure）测试评估。比色检测采用葡萄糖氧化酶/辣过氧化物酶–邻联茴香胺（GOx/HRP–o-dianisidine）体系测葡萄糖，格里斯（Griess）试剂测亚硝酸盐，预干燥试剂于开放孔井或杂化流道检测区，平板扫描仪采集图像后用ImageJ分析平均灰度值（Mean Grey Value, MGV）建立校准曲线并计算LOD/LOQ，并在人工尿液基质中做加标回收验证。

研究结果

3.1. Fabrication Control and Device Optimisation（制备控制与器件优化）

通过参量实验发现沉积速率与单线聚合壁尺寸呈反比：30 mm s^-1时在涂层赛璐玢上壁宽~1.4 mm、高~350 μm，100 mm s^-1时缩至宽~0.5 mm、高~150 μm；未涂层基底略低但趋势一致。沉积-固化循环次数与壁高呈准线性关系（50 mm s^-1下单循环~220 μm，20循环＞2.1 mm于涂层赛璐玢），可精确调控通道高度。优化参数为沉积速50 mm s^-1、激光固化速30 mm s^-1，可稳定制备宽0.5–2 mm、高0.1–2 mm疏水结构。

3.2. Device Morphology and Interfacial Properties（器件形貌与界面性质）

光学显微镜横截面显示光聚合壁与赛璐玢界面无缝紧密结合、无气泡或脱层，可耐受操作压力。未涂层赛璐玢因表面富羟基利于极性相互作用辅助粘附；涂层赛璐玢主要靠机械锚定。制得的开放孔井、直线/S形/ T形流道边缘平滑，表明光聚合均匀完整。

3.3. Fluidic performance evaluation of open wells and enclosed flow channels（开放孔井与封闭流道流体性能评价）

3.3.1 开放孔井可容纳50 μL液体30分钟无渗漏，涂层基底无溶胀，未涂层基底轻微吸水溶胀但不影响密封及相邻孔井无交叉污染。

3.3.2 全涂层封闭流道在50–250 μL min^-1泵驱动下无泄漏变形，爆破压力143–352 mbar（失效位于外接端口聚合物-胶界面而非流道本体），T形口双染料共流呈稳定层流，蛇形流道内可见扩散混合。

3.3.3 杂化（未涂层底/涂层顶）封闭流道借助底面亲水/顶面疏水润湿性反差实现无泵毛细自驱填充，液面前锋25秒内推进41.0 mm，L²–t关系R²=0.942符合Washburn毛细驱动模型；T形杂化流道亦可实现稳定层流共流。

3.4. Colourimetric Detection of Nitrite and Glucose（亚硝酸盐与葡萄糖比色检测）

3.4.1 开放孔井中葡萄糖在10–100 μg mL^-1呈线性（y=0.3816x–0.254, R²=0.9888, n=9），LOD=7.31 μg mL^-1，LOQ=23.8 μg mL^-1；人工尿加标回收率97.0%–106.4%。亚硝酸盐在5–200 μM呈线性（y=0.3426x+7.6957, R²=0.971, n=9），LOD=6.57 μM，LOQ=21.9 μM；人工尿加标回收率84.6%–117.4%。预干燥试剂室温储存一周后仍可显色反应。

3.4.2 杂化封闭流道内预存试剂并引入人工尿样亦产生可见显色，证明封闭流道体系兼容比色反应与试剂预存，为概念验证（Proof-of-concept）。

3.5. Overall Assessment of the LDW Method（LDW方法总体评估）

96孔井格式制备耗时约12.5分钟、耗聚合物~4.0 g，材料成本＜$0.50；直通封闭流道耗时约2分钟、耗聚合物＜0.5 g，成本＜$0.10。胶带剥离试验显示80%–90%器件结构完好。LDW无需模具及层压步骤，支持软件定义图形快速迭代，适合一次性器件原型开发与小批量制备。

讨论与结论翻译（Conclusion部分浓缩及译文）

该研究开发的LDW光聚合图案化技术解决了既往赛璐玢微流控多步层压/模具工艺复杂的问题，免去双面胶带及额外不可降解层压材料，更符合可持续一次性器件理念。LDW可在赛璐玢上直接成型可控尺寸的疏水聚合物壁，所制器件既支持泵驱动全涂层封闭流道也支持无泵毛细自驱杂化流道；开放孔井内完成葡萄糖与亚硝酸盐定量比色检测，性能与纸/膜基比色器件相当。预干燥试剂在器件内室温保存一周仍功能正常。局限含干燥试剂长期稳定性及临床样本验证待后续研究。未来将拓展至多组分检测（Multiplexing）、复杂基质测试及集成便携读出（如智能手机成像分析）。

原文结论节译：

"综上所述，研究人员开发并演示了一种激光直写（LDW）制备方法，用于赛璐玢基微流控器件的快速低成本制造。该方法通过消除多步组装（如模具、双面胶带及层压片），克服了既往赛璐玢微流控制备的局限。LDW允许软件定义直接图案化具可控几何尺寸之疏水光聚合物结构。所得器件在全涂层封闭流道中支持泵驱动操作，在杂化封闭流道中支持无泵毛细自驱传输。开放孔井中验证了葡萄糖与亚硝酸盐定量比色检测，LOD/LOQ分别为葡萄糖7.31/23.8 μg mL^-1、亚硝酸盐6.57/21.9 μM（缓冲液校准）。LDW图案化赛璐玢器件为一次性透明微流控器件的快速开发提供了实用平台。"