随着人们对小型化传感器件和低成本诊断技术的大量需求，便携式传感微芯片受到了越来越多的关注, 成为当前分析发展的热点领域之一。传感微芯片在现代化学和生物医学领域显示出诱人的应用前景，尤其适用于传染病筛查、生物分子靶标的即时检验，以及生化战剂或爆炸物的快速检测等现场分析应用。
基于表面浸润性(或浸润性差异)的生化传感器件由于具有灵敏度高、易于操作等优势，吸引了越来越多的关注。浸润性是指液体在固体表面的润湿行为，可以通过液体与固体表面的接触角来衡量。以液体水为例，与水的接触角大于150°且滚动角小于10°的表面被称为超疏水表面。研究发现[1]，水溶液在超疏水表面呈圆珠状，因此，随着水的蒸发，液滴会发生浓缩，使溶质不断在水和超疏水表面的接触点富集。Alam研究组[2]利用纳米结构的超疏水表面，将浓度极低的DNA溶液富集到了电极阵列上，实现了DNA的快速超灵敏检测。这种方法的检测限比传统电化学方法提高了5个数量级。Lee等[3]制备了一种由单层Ag纳米立方体组装成的超疏水表面，并将该表面用于表面增强拉曼传感检测领域，检测限降低至10-16 mol/L。
虽然超疏水表面在生化传感分析时能够起到富集溶质的作用，但是由于水滴在超疏水表面上通常会形成圆珠状，且滚动角一般较低，容易导致测试液滴从超疏水表面滚落或移位。逐次加样时液滴位置极易发生偏移，故不适用于需要多次加样的生化反应或检测。为解决这一问题，研究人员通过在超疏水表面上制作超亲水微区来实现液滴在表面上的固定。这种具有亲-疏水图案(也称浸润图案)的表面，既保留了超疏水表面抗拒液滴铺展以约束微斑点大小的作用，又避免了由于液滴移位所导致的检测结果重现性差等问题。
Xu等[4]通过超亲-超疏水图案(也称超浸润图案)的设计实现了超灵敏DNA微芯片的开发。研究人员将DNA样品浓缩富集和实时检测集成于该亲-疏水图案化的微芯片上，实现了超痕量DNA的灵敏检测。Lo等[5]在超疏水硅片基底上制作了亲水SiO2微图案。由于靶标DNA溶液被约束在修饰有探针分子的亲水微区内，利于提高靶标与探针分子的杂交效率，从而实现了痕量核酸分子的检测。与现有核酸检测技术(包括PCR放大测试和下一代测序技术)相比较，这种基于亲-疏水图案的DNA微芯片能够实现高通量检测，并具有低能耗的特点。
与传统的硅、玻璃、高聚物基芯片相比，纸基芯片或纸基微流控分析芯片(microfluidic paper-based analytical devices, μPADs)具有成本更低、分析系统更易微型化和便携化、后处理简单和无污染等优点[6, 7]，在临床诊断、食品质量控制和环境监测等应用领域具有广阔的应用前景[8-10]。纸芯片制备是开展纸基分析研究的基础，由于滤纸本身具有超亲水性，在滤纸的特定区域制造出疏水的隔离带(或隔离坝，barrier)图案，便可形成亲-疏水性的通道网络，制得二维微流控纸芯片。目前已报道的主要采用喷蜡打印[11, 12]、喷墨打印/喷墨溶剂刻蚀[13]、融蜡浸透、绘图、丝网印刷、柔印、紫外光刻[14]，以及激光处理[15]等技术制作疏水图案。
Whitesides研究组[12]和Lin研究组[16]相继研发了用于纸芯片制作的喷蜡打印技术。该技术利用商用喷蜡打印机在滤纸的特定区域形成固体蜡图案，然后将滤纸加热，使蜡融化并渗透到滤纸中形成疏水图案，制得纸芯片，用于检测分析。Shen研究组[17]采用喷墨打印机在滤纸特定区域打印烷基烯酮二聚物溶液，然后通过加热使烷基烯酮二聚物发生缩合反应结合到滤纸纤维素表面，改变滤纸的浸润性，而未喷墨的区域保持原滤纸的亲水性。
能够耐受有机试剂的纸芯片具有很多优势，例如处理和分析不溶于水的化学物质(有机药物、有机污染物、杀虫剂、除草剂和化学战剂，如有机磷酸酯)。然而，当前大多数纸芯片上所制作的疏水屏障容易被有机溶剂溶解或溶胀，导致有机溶剂扩散，即不能对有机溶剂起到约束作用。难以制作性能优异的疏脂性屏障，使得纸芯片在涉及有机溶剂的分析检测中，其发展受到了限制。针对当前纸芯片研究开发中存在的灵敏度较低、对有机溶剂和表面活性剂敏感等难点问题，国内外在普适型纸芯片的研究与应用方面开展了相关工作，本文将对这些相关工作给予评述。
1 基于高粘附疏水/疏脂表面的纸芯片针对传统超疏水表面容易导致测试液滴从表面滚落或移位，限制了疏水表面在生化分析方面的应用，本课题组通过设计制作出纸基高粘附疏水表面来实现液滴的原位固定和溶质的浓缩富集，以提高芯片的分析稳健性和灵敏性[18]。我们将滤纸浸渍到全氟辛基二氧化硅溶胶液中，得到高粘附疏水表面。研究了全氟辛基二氧化硅溶胶液的制备及利用其进行滤纸疏水化修饰的机理(如图 1[19])。在酸性环境下，酸提供的质子会与水分子结合生成水合质子，该物种首先对甲基硅氧烷、全氟辛基硅氧烷或正硅酸乙酯分子中电子云密度相对较高的烷氧基上的O发动亲电进攻，导致整个烷氧基发生质子化，从而有利于分子中SiO—C2H5键断裂，进而水解形成羟基化的产物和相应的醇(水解不一定完全)。之后，各个水解产物之间不断发生缩合反应，形成纳米颗粒。当将溶胶液沉积到滤纸表面上，纳米材料上未反应完全的OH或Si—OC2H5可以与滤纸表面上的OH进一步发生缩合反应，实现滤纸的疏水化修饰。
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图 1 全氟辛基二氧化硅溶胶液的制备及利用其进行滤纸疏水化修饰的反应原理[19] Fig.1 The hydrolysis-condensation reaction leading to fluoroalkyl silica barrier formation[19] |
分别测试了浸渍有甲基二氧化硅和全氟辛基二氧化硅溶胶液的滤纸疏水表面，对水、常用表面活性剂水溶液和有机溶剂的限域能力。如图 2所示，只有全氟辛基二氧化硅修饰的表面能够约束所有测试液滴，甲基二氧化硅修饰的表面只能够约束水和十六烷基三甲基溴化铵溶液。
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图 2 甲基二氧化硅和全氟辛基二氧化硅溶胶液修饰的滤纸疏水表面对各种液体的限域能力比较 (a)水；(b)十二烷基磺酸钠；(c)曲拉通X-100；(d)十六烷基三甲基溴化铵；(e)乙二醇；(f)N, N二甲基甲酰胺；(g)氯仿；(h)丙酮；(i)甲醇；(j)乙醇[18] Fig.2 Confining capabilities of the methyl-silica and fluoroalkyl-silica treated papers to various liquids from left to right: (a) water, (b) SDS, (c) Triton, (d) CTAB, (e) ethylene glycol, (f) N, N-dimethylformamide, (g) chloroform, (h) acetone, (i) methanol, (j) ethanol[18] |
我们还测试了全氟辛基二氧化硅疏水/疏脂表面对溶液的浓缩富集能力。如图 3(a)所示，当将20 μL染料水溶液和乙醇溶液分别滴加到原始滤纸上时，液滴迅速铺展；而当将同体积溶液滴加到全氟辛基二氧化硅疏水表面上时，液体保持球型不铺展，随着溶剂蒸发，染料在固液接触面上不断富集，1 h以后溶剂完全蒸发留下染料斑点。这里引入限域因子(CF=V1/V2) 的概念来表征疏水表面的浓缩富集能力，V1和V2分别为相同表面积疏水化滤纸和原始滤纸所能约束的溶液体积。利用相同体积(20 μL)染料溶液在原始滤纸和疏水化滤纸上铺展面积比值，计算得到该疏水表面对水和乙醇的限域因子分别为32.5和19.5。疏水/疏脂表面对液滴的粘附力也是重点考察的性质之一。如图 3(b)所示，全氟辛基二氧化硅疏水/疏脂表面对液滴展现出高粘附力，即使当该表面旋转180°时，依然能够粘附10 μL的液滴保证其不移位、不滑落。这一结果表明该疏水表面属于Wenzel模型，液滴能够充分渗透到表面的凹槽内，紧紧地粘附在表面上。高粘附疏水表面有利于多次加样的化学反应或分析测试，保证了化学反应的可重复性和分析结果的可靠性。
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图 3 (a)染料水溶液和乙醇溶液分别滴加到原始滤纸上和全氟辛基二氧化硅修饰的滤纸上，及(b)水滴在不同旋转角度全氟辛基二氧化硅修饰的滤纸表面上的照片[18] Fig.3 (a) Spreading of 20 μL dyed water and ethanol on pristine filter paper and confinement on fluoroalkyl-silica treated filter paper, (b) Photographs of a 10 μL water droplet on a fluoroalkyl-silica impregnated filter paper[18] |
我们选用1, 5-二苯羰酰肼作为探针，利用全氟辛基二氧化硅修饰的纸基疏水表面检测重金属Cr(Ⅵ)离子。1, 5-二苯羰酰肼(无色)能够和Cr(Ⅵ)离子形成紫色配合物。由于1, 5-二苯羰酰肼不溶于水，此处选择水/丙酮作为溶剂。为实现Cr(Ⅵ)离子的定量分析，利用具有疏水/疏脂表面的纸芯片分析了含有不同浓度Cr(Ⅵ)离子的样品溶液。利用Photoshop对显色结果进行分析，获得色度数值并绘制标准曲线。
如图 4所示，所制备的纸芯片能够实现Cr(Ⅵ)离子的定量分析，检测限低至0.035 mg/L。这一结果优于大多数先前报道的利用纸芯片检测Cr(Ⅵ)离子的结果。根据饮用水质量国家标准(GB 5749-2006)，自来水中Cr(Ⅵ)浓度上限为0.05 mg/L(长期饮用)，因此该纸芯片适用于生活用水中Cr(Ⅵ)离子的监测。
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图 4 Cr(Ⅵ)离子的定性可视化检测及定量分析[18] Fig.4 Qualitative visualization and quantitative calibration for Cr(Ⅵ) sensing[18] |
我们选用大肠杆菌(E.coli)作为模式细菌，测试了具有疏水/疏脂表面的纸芯片在细菌检测方面的潜在应用。大肠杆菌内存在β-半乳糖苷酶，而β-半乳糖苷酶能够催化黄色底物氯酚红β-半乳糖苷(CPRG)生成棕色产物。利用这一原理，设计了纸基细菌检测芯片。首先，用表面活性剂和氯仿破坏大肠杆菌细胞膜使其释放β-半乳糖苷酶，然后在纸基疏水表面上依次滴加酶底物和破膜后的细菌分散液，进行酶促显色反应。由于甲基二氧化硅疏水表面不能约束表面活性剂和氯仿溶液(细菌破膜试剂)，表面不能富集破膜后的细胞分散液，导致显色效果不明显。而全氟辛基二氧化硅疏水/疏脂表面不仅能够约束酶底物溶液，而且能够约束破膜后的细菌分散液，最终得到理想的显色结果(如图 5c，d)[18]。
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图 5 在全氟辛基二氧化硅(a~d)和甲基二氧化硅(e)修饰的疏水表面上进行细菌检测(a)E.coli +破膜剂, 无CPRG；(b)E.coli + CPRG, 无破膜剂；(c)E.coli +破膜剂+ CPRG；(d)E.coli(2倍用量)+破膜剂(2倍用量) + CPRG；(e)E.coli +破膜剂+ CPRG(标尺=5 mm)[18] Fig.5 Colorimetric assay of lysed E. coli on fluoroalkyl-silica (a-d) and methyl-silica (e) treated papers(a) E.coli + lysing agent, no CPRG; (b) E.coli + CPRG, no lysing agent; (c) E.coli + lysing agent + CPRG; (d) E.coli (2 fold) + lysing agent (2 fold) + CPRG; (e) E.coli + lysing agent + CPRG (scale bar = 5 mm)[18] |
Brennan研究组[20]采用喷墨打印机在滤纸上打印高浓度甲基倍半硅氧烷(MSQ)溶胶液形成了疏水隔离带图案，并测试了该疏水隔离带图案在液体约束(liquid confinement)方面的性能。如图 6所示，该图案不仅能够约束水溶液，而且对所测试表面活性剂和部分有机溶剂(丙三醇、二甲基亚砜和甲苯)也能起到约束作用，较传统固体蜡(Wax)和烷基烯酮二聚物(AKD)材料所形成的疏水隔离带图案具有一定的优势。但是该图案并不能实现对醇类有机溶剂的限域作用。
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图 6 NaOH刻蚀的甲基倍半硅氧烷、甲基倍半硅氧烷、固体蜡(Wax)和烷基烯酮二聚物(AKD)材料形成的疏水通道对各种液体的限域能力比较[20] Fig.6 Comparations of confining capabilities of NaOH-etched MSQ, MSQ-printed, AKD-printed, Wax-printed channels to various liquids[20] |
Gupta研究组[21]利用过渡金属离子能够阻止含氟有机单体发生聚合反应的原理，先将铜离子溶液涂覆到滤纸基底上形成特定图案，然后通过引发剂诱导的化学气相沉积方法，在滤纸基底上制作了疏水隔离带图案。图 7(a)、(b)展现了疏水图案制作过程和图案的限域能力，该疏水隔离带图案能够对己烷、乙酸乙酯、丙酮和甲醇起到约束作用。利用所制作的疏水图案对两种亲脂染料进行纸层析分离，通过改变洗脱液水和甲醇的比例，两种染料的比移值(Rf)也随之变化，如图 7(c)所示。通过优化洗脱液成分比例，实现了两种亲脂染料苏丹黑和尼罗红的有效纸层析分离。但是，该纸基疏水图案制作过程需要复杂化学气相沉积实验设备，而且制作的浸润图案的精准度还有待进一步提高。
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图 7 (a)纸基氟聚物疏水图案制作过程示意图；(b)氟聚物和蜡疏水图案对有机溶剂的限域能力比较；(c)氟聚物疏水图案用于层析分离水/甲醇混合液中苏丹黑和尼罗红染料时的比移值[21] Fig.7 (a) Schematic representation of fabrication of the paper-based fluoropolymer hydrophobic patterns; (b) Comparations of confining capabilities of the fluoropolymer and wax patterned papers to organic liquids; (c) Graphs plotting retardation factors of Sudan Black B and Nile Red in solvent blends of water and methanol on cellulose patterned with fluoropolymer barrier coatings[21] |
本课题组[19]分别利用蜡、甲基二氧化硅溶胶液、全氟辛基二氧化硅溶胶液，绘制空心隔离图案，并且考察了这些隔离图案对水、表面活性剂水溶液及有机溶剂的限域能力。如图 8所示，3种隔离图案都能够约束水溶液，但是只有全氟辛基二氧化硅图案能够约束所有测试液滴。甲基二氧化硅隔离图案不能约束SDS和Triton溶液，蜡隔离图案对3种表面活性剂溶液均不能起到限域作用。全氟辛基二氧化硅隔离图案能够约束所有测试有机溶剂，而甲基二氧化硅隔离图案对所有测试有机溶剂都不能实现限域。蜡隔离图案对氯仿、甲醇和乙醇不能实现限域。
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图 8 不同疏水隔离图案对水、表面活性剂水溶液和有机溶液的限域能力比较[19] Fig.8 Confining capabilities of various barriers to water, surfactant aqueous solutions and organic solvents[19] |
我们选用丁二酮肟作为探针，利用具有疏水隔离图案的纸芯片检测重金属Ni离子。丁二酮肟(无色)可与Ni(Ⅱ)离子形成玫红色配合物。由于丁二酮肟不溶于水，选择乙醇作为溶剂。同时比较了3种纸基隔离图案用于检测Ni(Ⅱ)离子的可用性，如图 9所示。由于蜡和甲基二氧化硅疏水隔离图案不能约束丁二酮肟乙醇溶液，丁二酮肟扩散到隔离图案外，导致显色效果不明显。而全氟辛基二氧化硅疏水隔离图案不仅能够约束探针溶液(丁二酮肟/乙醇)，而且能够约束待检测目标溶液(含Ni(Ⅱ)离子水样)，所以探针分子和目标分子都在疏水隔离图案内浓缩富集，促进配位反应的发生，最终得到理想的显色结果。此外，选用大肠杆菌(E.coli)测试了这些具有疏水隔离图案的纸芯片在细菌检测方面的可用性。如图 9所示，基于蜡和甲基二氧化硅疏水隔离图案的细菌测试显色效果不明显。而基于全氟辛基二氧化硅疏水/疏脂隔离图案的细菌测试展现了理想的显色结果。
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图 9 分别利用三种隔离图案进行Ni(Ⅱ)离子和细菌检测[19] Fig.9 Ni(Ⅱ) and bacterium analyses within three types of barrier[19] |
为进一步实现Ni(Ⅱ)离子的定量分析，我们利用具有全氟辛基二氧化硅隔离图案的纸芯片，分析了含有不同浓度Ni(Ⅱ)离子的样品溶液。用Photoshop对显色结果进行分析，获得色度数值并绘制标准曲线，见图 10。所制备的具有全氟辛基二氧化硅疏水隔离图案的纸芯片能够实现Ni(Ⅱ)离子的定量分析，检测限低至8.5 μmol/L。得益于该纸芯片的浓缩富集作用，使得这一分析结果优于大多数先前报道的利用纸芯片检测Ni(Ⅱ)离子的结果。
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图 10 Ni(Ⅱ)离子的定性可视化检测(a)及定量分析(b)[19] Fig.10 Visual detection (a) and quantitative calibration (b) for Ni(Ⅱ)[19] |
纸芯片由于具有成本低、便携化、后处理简单和无污染等优点，在临床诊断、食品质量控制和环境监测等领域具有广阔的应用前景。能够耐受有机试剂和表面活性剂的纸芯片具有很多优势，不仅能够用于水体系中的传感分析，而且能够进行涉及有机溶剂和表面活性剂的分析检测。本文评述的国内外在开发普适性纸芯片方面的部分研究工作, 为发展便携式和通用型的纸基传感微芯片提供了一种新途径。此外，喷墨打印的方法由于具有操作可控、节约原料、易实现复杂纸基图案的精细设计制作等优点，在纸芯片研究方面展现了良好的前景，未来工作将集中在利用喷墨打印法实现微流控纸芯片的设计制作方面的研究，以期发展出高效率、低能耗、性能稳健和可批量生产的普适型纸芯片。
| [1] | Darmanin T, Guittard F. Recent advances in the potential applications of bioinspired superhydrophobic materials[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2: 16319–16359. DOI:10.1039/C4TA02071E |
| [2] | Ebrahimi A, Dak P, Salm E, Dash S, Garimella S V, Bashir R, Alam M A. Nanotextured superhydrophobic electrodes enable detection of attomolar-scale DNA concentration within a droplet by non-faradaic impedance spectroscopy[J]. Lab on a Chip, 2013, 13: 4248–4256. DOI:10.1039/c3lc50517k |
| [3] | Lee H K, Lee Y H, Zhang Q, Phang I Y, Tan J M R, Cui Y, Ling X Y. Superhydrophobic surface-enhanced raman scattering platform fabricated by assembly of Ag nanocubes for trace molecular sensing[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5: 11409–11418. |
| [4] | Xu L P, Chen Y, Yang G, Shi W, Dai B, Li G, Cao Y, Wen Y, Zhang X, Wang S. Ultratrace DNA detection based on the condensing-enrichment effect of superwettable microchips[J]. Advanced Materials, 2015, 27: 6878–6884. DOI:10.1002/adma.201502982 |
| [5] | Yen T M, Zhang T, Chen P W, Ku T H, Chiu Y J, Lian I, Lo Y H. Self-assembled pico-liter droplet microarray for ultrasensitive nucleic acid quantification[J]. ACS Nano, 2015, 9: 10655–10663. DOI:10.1021/acsnano.5b03848 |
| [6] | Cate D M, Adkins J A, Mettakoonpitak J, Henry C S. Recent developments in paper-based microfluidic devices[J]. Analytical Chemistry, 2015, 87: 19–41. DOI:10.1021/ac503968p |
| [7] | Yamada K, Koji S, Daniel C. Paper-based inkjet-printed microfluidic analytical devices[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54: 5294–5310. DOI:10.1002/anie.201411508 |
| [8] | Hossain S M Z, Luckham R E, McFadden M J, Brennan J D. Reagentless bidirectional lateral flow bioactive paper sensors for detection of pesticides in beverage and food samples[J]. Analytical Chemistry, 2009, 81: 9055–9064. DOI:10.1021/ac901714h |
| [9] | Choi J R, Tang R, Wang S, Wan Abas W A B, Pingguan-Murphy B, Xu F. Paper-based sample-to-answer molecular diagnostic platform for point-of-care diagnostics[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2015, 74: 427–439. DOI:10.1016/j.bios.2015.06.065 |
| [10] | Hossain S M Z, Brennan J D. B-galactosidase-based colorimetric paper sensor for determination of heavy metals[J]. Analytical Chemistry, 2011, 83: 8772–8778. DOI:10.1021/ac202290d |
| [11] | Lu Y, Shi W, Jiang L, Qin J, Lin B. Rapid prototyping of paper-based microfluidics with wax for low-cost, portable bioassay[J]. Electrophoresis, 2009, 30: 1497–1500. DOI:10.1002/elps.v30:9 |
| [12] | Carrilho E, Martinez A W, Whitesides G M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics[J]. Analytical Chemistry, 2009, 81: 7091–7095. DOI:10.1021/ac901071p |
| [13] | Abe K, Suzuki K, Citterio D. Inkjet-printed microfluidic multianalyte chemical sensing paper[J]. Analytical Chemi-stry, 2008, 80: 6928–6934. DOI:10.1021/ac800604v |
| [14] | Wu Y, Xue P, Kang Y, Hui K M. Paper-based microfluidic electrochemical immunodevice integrated with nanobioprobes onto graphene film for ultrasensitive multiplexed detection of cancer biomarkers[J]. Analytical Chemistry, 2013, 85: 8661–8668. DOI:10.1021/ac401445a |
| [15] |
蒋艳, 马翠翠, 胡贤巧, 何巧红. 微流控纸芯片的加工技术及其应用[J]. 化学进展, 2014, 26(1): 167–177.
Jiang Y, Ma C C, Hu X Q, He Q H. Fabrication techniques of microfluidic paper-based chips and their applications[J]. Progress in Chemistry, 2014, 26(1): 167–177. |
| [16] | Lu Y, Shi W, Qin J, Lin B. Fabrication and characterization of paper-based microfluidics prepared in nitrocellulose membrane by wax printing[J]. Analytical Chemistry, 2010, 82: 329–335. DOI:10.1021/ac9020193 |
| [17] | Li X, Tian J, Garnier G, Shen W. Fabrication of paper-based microfluidic sensors by printing[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2010, 76: 564–570. DOI:10.1016/j.colsurfb.2009.12.023 |
| [18] | Zhang Y, Ren T, Li T, He J, Fang D. Paper-based hydrophobic/lipophobic surface for sensing applications involving aggressive liquids[J]. Advanced Materials Interfaces, 2016, 3: 1600672. DOI:10.1002/admi.201600672 |
| [19] | Zhang Y, Li T, Ren T, Fang D, He J. Hydrophobic/lipophobic barrier capable of confining aggressive liquids for paper-based assay[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2017, 520: 544–549. |
| [20] | Wang J, Monton M R N, Zhang X, Filipe C D M, Pelton R, Brennan J D. Hydrophobic sol-gel channel patterning strategies for paper-based microfluidics[J]. Lab on a Chip, 2014, 14: 691–695. DOI:10.1039/C3LC51313K |
| [21] | Chen B, Kwong P, Gupta M. Patterned fluoropolymer barriers for containment of organic solvents within paper-based microfluidic devices[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5: 12701–12707. |