कागज आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स

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पेपर-आधारित microfluidic्स माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस हैं जिनमें हाइड्रोफिलिक सेलूलोज़ या nitrocellulose ़ की एक श्रृंखला होती है जो केशिका क्रिया के माध्यम से झरझरा माध्यम से एक वांछित आउटलेट या डिवाइस के क्षेत्र में एक इनलेट से तरल पदार्थ का परिवहन करती है।[1] यह तकनीक पारंपरिक पार्श्व प्रवाह परीक्षण पर आधारित है जो कई संक्रामक एजेंटों और रासायनिक प्रदूषकों का पता लगाने में सक्षम है। इसका मुख्य लाभ यह है कि यह अधिक जटिल माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के विपरीत काफी हद तक एक निष्क्रिय नियंत्रित उपकरण है। सस्ती और पोर्टेबल आणविक निदान की आवश्यकता को पूरा करने के लिए 21 वीं सदी की शुरुआत में कागज आधारित microfluidics उपकरणों का विकास शुरू हुआ।

वास्तु

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस में निम्नलिखित क्षेत्र होते हैं:[2]

  • इनलेट: एक सब्सट्रेट (आमतौर पर सेल्युलोज) जहां तरल पदार्थ मैन्युअल रूप से वितरित किए जाते हैं।
  • चैनल: हाइड्रोफिलिक उप-मिलीमीटर नेटवर्क जो पूरे उपकरण में तरल का मार्गदर्शन करते हैं।
  • प्रवाह प्रवर्धक: अलग-अलग ज्यामिति के क्षेत्र जहां प्रवाह वेग को नियंत्रित वेग के स्थिर राज्य प्रवाह प्रदान करने के लिए संशोधित किया जाता है [1]* फ्लो रेसिस्टर्स: एक माइक्रोफ्लूडिक डिवाइस में द्रव के निवास समय को नियंत्रित करने के लिए एक केशिका तत्व का उपयोग कम प्रवाह वेग प्रदान करने के लिए किया जाता है[3]
  • बाधाएं: जल विरोधी क्षेत्र जो द्रव को चैनल छोड़ने से रोकते हैं।
  • आउटलेट: वह स्थान जहां रासायनिक या जैव रासायनिक प्रतिक्रिया होती है।

प्रवाह

कागज जैसे झरझरा माध्यम से द्रव की गति पारगम्यता (पृथ्वी विज्ञान), ज्यामिति और वाष्पीकरण प्रभाव द्वारा नियंत्रित होती है। सामूहिक रूप से इन कारकों के परिणामस्वरूप वाष्पीकरण सीमित केशिका प्रवेश होता है जिसे सरंध्रता और उपकरण ज्यामिति को नियंत्रित करके ट्यून किया जा सकता है।[4] कागज एक झरझरा माध्यम है जिसमें मुख्य रूप से केशिका क्रिया और वाष्पीकरण द्वारा द्रव का परिवहन किया जाता है।[5] गीला करने के दौरान केशिका प्रवाह को वाशबर्न के समीकरण द्वारा अनुमानित किया जा सकता है, जो जुरिन के कानून से लिया गया है। जुरिन का कानून और हेगन-पॉइज़्यूइल समीकरण।[6] द्रव प्रवाह का औसत वेग सामान्यीकृत है,

कहाँ सतही तनाव है, संपर्क कोण, चिपचिपाहट है, और तरल द्वारा तय की गई दूरी है। अधिक व्यापक मॉडल पेपर टेढ़ेपन के लिए खाते हैं,[7] ताकना त्रिज्या, और कागज विरूपण (इंजीनियरिंग)।[8] एक बार जब माध्यम पूरी तरह से गीला हो जाता है, तो बाद का प्रवाह लामिनार प्रवाह होता है और डार्सी के नियम का पालन करता है। डार्सी का नियम।[9] द्रव प्रवाह का औसत वेग सामान्यीकृत है,
कहाँ माध्यम पारगम्यता (पृथ्वी विज्ञान) है और दाब प्रवणता है।[10] लामिनार प्रवाह का एक परिणाम यह है कि मिश्रण मुश्किल है और केवल प्रसार पर आधारित है, जो झरझरा प्रणालियों में धीमा है।[11]


निर्माण

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का निर्माण आयामों के आधार पर किया जा सकता है, यानी 2डी और 3डी।[12] 2डी पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स बनाने के लिए, विभिन्न तरीकों जैसे वैक्स प्रिंटिंग, इंकजेट प्रिंटिंग, फोटोलिथोग्राफी, फ्लेक्सोग्राफी, प्लाज्मा उपचार, लेजर उपचार, नक़्क़ाशी (माइक्रोफैब्रिकेशन), स्क्रीन प्रिंटिंग, डिजिटल प्रकाश प्रसंस्करण (डीएलपी) 3-डी प्रिंटर, और वैक्स स्क्रीनिंग, कार्यरत हैं।[13] मल्टीपल पेपर माइक्रोफ्लुइडिक्स के और लेमिनेशन से स्यूडो-3डी माइक्रोफ्लुइडिक्स का निर्माण होता है जो फ्लूइडिक नेटवर्क का एक अतिरिक्त आयाम प्रदान कर सकता है और जटिलता को बढ़ा सकता है। प्रत्येक तकनीक का उद्देश्य हाइड्रोफिलिक पेपर पर हाइड्रोफोबिक भौतिक अवरोध पैदा करना है जो जलीय समाधानों को निष्क्रिय रूप से परिवहन करता है।[14] जैविक और रासायनिक अभिकर्मकों को तब डिवाइस के साथ चुनिंदा रूप से जमा किया जाना चाहिए या तो सब्सट्रेट को अभिकर्मक समाधान में डुबाना या स्थानीय रूप से सब्सट्रेट पर अभिकर्मक खोलना।[15]


मोम की छपाई

वैक्स प्रिंटिंग एक वांछित डिजाइन में कागज पर पैटर्न वैक्स के लिए एक साधारण प्रिंटर का उपयोग करती है। चैनल बनाने के लिए मोम को फिर हॉटप्लेट से पिघलाया जाता है।[16] यह तकनीक तेज़ और कम लागत वाली है, लेकिन पिघले हुए मोम की आइसोट्रॉपी के कारण अपेक्षाकृत कम रिज़ॉल्यूशन है।

इंकजेट प्रिंटिंग

इंकजेट प्रिंटिंग के लिए एक हाइड्रोफोबिक पॉलीमर में कोटिंग पेपर की आवश्यकता होती है, और फिर चुनिंदा रूप से स्याही लगाकर पॉलीमर को पेपर प्रकट करने के लिए एचिंग (माइक्रोफैब्रिकेशन) किया जाता है।[17] यह तकनीक उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ कम लागत वाली है, लेकिन एक समय में एक स्याही की बूंद डालने की गति से सीमित है।

फोटोलिथोग्राफी

फोटोलिथोग्राफिक तकनीक इंकजेट प्रिंटिंग के समान हैं, एक photomask का उपयोग चुनिंदा रूप से एक photoresist पॉलीमर को खोदने के लिए करते हैं।[18] इस तकनीक में उच्च रिज़ॉल्यूशन है और त्वरित है, लेकिन इसमें उच्च उपकरण और भौतिक लागतें हैं।

डीएलपी प्रिंटिंग

यह तकनीक एक डीएलपी प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करती है जिसमें झरझरा कागज में खुले माइक्रोचैनल्स की हाइड्रोफोबिक सीमाएं बनाने के लिए फोटो-इलाज योग्य राल पॉलिमर रोशनी के संपर्क में आते हैं। यदि वाष्पीकरण के प्रभाव विशिष्ट अनुप्रयोग में चिंता का विषय हैं तो चैनल के ऊपर और नीचे इलाज योग्य राल की दो अतिरिक्त परतों का उपयोग किया जा सकता है। अतिरिक्त असंसाधित राल को फिर इथेनॉल का उपयोग करके साफ किया जाता है।[19] इस तकनीक में अपेक्षाकृत कम उपकरण लागत है और आसानी से उपलब्ध सामग्री का उपयोग करती है जिससे यह देखभाल के बिंदु के नैदानिक ​​​​उपकरणों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बन जाती है।

प्लाज्मा प्रसंस्करण

इस तकनीक में, पेपर को पहले हाइड्रोफोबाइजिंग एजेंट जैसे अल्काइल केटीन डिमर या फ्लोरोकार्बन प्लाज्मा पोलीमराइजेशन का उपयोग करके हाइड्रोफोबिक प्रदान किया जाता है, और फिर ओ2 पेपर में हाइड्रोफिलिक पैटर्न बनाने के लिए मास्क के साथ प्लाज्मा नक़्क़ाशी का उपयोग किया जाता है। प्लाज्मा आधारित प्रक्रियाओं का एक लाभ यह है कि जटिल डिजाइन और कार्यात्मकताएं जैसे कि पूरी तरह से और अर्ध-संलग्न चैनल,[20] ऑन-ऑफ फ्लो स्विच,[21] और द्रव प्रवाह नियंत्रण चैनल[22] अपेक्षाकृत आसानी से शामिल किया जा सकता है। हालांकि, उत्पादन की लागत अन्य निर्माण विधियों की तुलना में अपेक्षाकृत अधिक है।

विश्लेषणात्मक अनुप्रयोग

मास स्पेक्ट्रोमेट्री

पेपर-स्प्रे आयनीकरण को माइक्रो पेपर-आधारित विश्लेषणात्मक उपकरणों μPAD और मास स्पेक्ट्रोमेट्री के लिए एक इंटरफेस के रूप में तेजी से विकसित किया जा रहा है। तकनीक, पर्ड्यू में आर ग्राहम कुक समूह द्वारा पहली बार वर्णित,[23] मास स्पेक्ट्रोमीटर के इनलेट के पास गीले कागज की त्रिकोणीय शीट पर वोल्टेज लगाना शामिल है। हालांकि सटीक तंत्र अच्छी तरह से समझा नहीं गया है, ऑपरेशन के दो तरीके हो सकते हैं: उच्च प्रवाह दर पर एक मल्टीकोन स्प्रे, और एक कोन स्प्रे जो तब होता है जब विलायक समाप्त हो गया हो।[24] यह बड़े पैमाने पर वर्णक्रमीय पहचान के साथ जटिल माइक्रोफ्लुइडिक जोड़तोड़ को संयोजित करने के एक बड़े प्रयास का हिस्सा है। वैक्स प्रिंटिंग हाइड्रोफोबिक बैरियर कागज उपकरणों के भीतर अलग प्रवाह चैनल बनाने के लिए एक सामान्य तरीका है, और इसे आयनीकरण दक्षता बढ़ाने के लिए μPAD-MS तक बढ़ाया गया है (विश्लेषण धारा पर ध्यान केंद्रित करके) और त्रिकोणीय कागज पर मोम प्रिंटिंग द्वारा प्रतिक्रिया मिश्रण को सक्षम किया गया है। सतह।[25] पेपर-स्प्रे डिटेक्शन से पहले μPADs पर क्रोमैटोग्राफिक अलगाव भी प्रदर्शित किए गए हैं।[26] प्रारंभ में, फार्मास्यूटिकल्स जैसे छोटे अणुओं का पता लगाने के लिए पेपर-स्प्रे आयनीकरण लागू किया गया था[27] और दुरुपयोग की दवाएं।[28] हालांकि, यह भी दिखाया गया है कि गैर-सहसंयोजक बातचीत को बनाए रखते हुए पेपर-स्प्रे आयनीकरण बड़े प्रोटीन को आयनित कर सकता है।[29]


पृथक्करण के तरीके

कुछ विश्लेषणात्मक डिटेक्टर वास्तव में एक ही प्रजाति के लिए विशिष्ट हैं; इसलिए पता लगाने से पहले कुछ प्रकार के पृथक्करण चरण अक्सर आवश्यक होते हैं। इसके अलावा, पृथक्करण एक ही मंच के भीतर कई विश्लेषणों का पता लगाने की अनुमति देता है। पतली परत क्रोमैटोग्राफी (टीएलसी) पर आधारित पृथक्करण शायद लागू करने में सबसे आसान है, क्योंकि कई μPAD क्रोमैटोग्राफिक पेपर के साथ बनाए जाते हैं। आमतौर पर, पृथक्करण चैनल को दो हाइड्रोफोबिक बाधाओं के मोम-प्रिंटिंग द्वारा परिभाषित किया जाता है।[30] इलेक्ट्रोकेमिकल पहचान शायद सबसे आम है,[31] संभवतः इसके कार्यान्वयन में आसानी के कारण, हालांकि वर्णमिति (रासायनिक विधि), chemiluminescence,[32] और मास स्पेक्ट्रल डिटेक्शन का उपयोग पेपर-आधारित क्रोमैटोग्राफिक पृथक्करण के संयोजन में भी किया गया है। कार्यान्वयन में आसानी के बावजूद, प्लानर क्रोमैटोग्राफी अपेक्षाकृत कम प्लेट ऊंचाई (यानी, खराब जुदाई दक्षता) से बाधित होती है। चूंकि चक्रवर्ती समूह ने μPADs पर इलेक्ट्रोकाइनेटिक प्रवाह की व्यवहार्यता का प्रदर्शन किया,[33] साहित्य में μPADs पर वैद्युतकणसंचलन पृथक्करण के कई अनुप्रयोग प्रकट हुए हैं। यूटी-ऑस्टिन में क्रूक्स समूह ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि μPADs पर इलेक्ट्रोफोरेटिक पृथक्करण पारंपरिक इलेक्ट्रोफोरेटिक उपकरणों की तुलना में अपेक्षाकृत कम लागू वोल्टेज पर पूरा किया जा सकता है क्योंकि उच्च क्षेत्र की ताकत ओरिगेमी पेपर की बहुत पतली (180 माइक्रोन) शीट पर उत्पन्न हो सकती है।[34] सरल पृथक्करण विधियों का उपयोग μPADs पर भी किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, हेनरी समूह ने रक्त पृथक्करण झिल्लियों का उपयोग करके पूरे रक्त से प्लाज्मा को अलग करने का प्रदर्शन किया।[35]


प्रवाह नियंत्रण

चैनलों में द्रव प्रवाह को नियंत्रित करने के विभिन्न तरीके हैं। इनमें चैनल की चौड़ाई और लंबाई को बदलना, कागज की गीला करने की क्षमता को बदलना, समानांतर चैनल के माध्यम से कुछ तरल पदार्थ को मोड़ना या द्रव की चिपचिपाहट को बदलना शामिल है।[36] पीएडी में प्रवाह को घुलनशील चीनी पुलों के साथ बंद किया जा सकता है, हाइड्रोफोबिक से हाइड्रोफिलिक अवस्था में कागज पर एक कोटिंग को बदलने के लिए कोरोना डिस्चार्ज उपचार, या प्रवाह पथ को बंद करने के लिए प्रवाह द्वारा ट्रिगर किए गए विस्तार योग्य बहुलक का उपयोग।[37]


इलेक्ट्रॉनिक एकीकरण

माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म और इलेक्ट्रॉनिक घटकों के एकीकरण में माइक्रो कुल विश्लेषण प्रणाली (µTAS) उत्पन्न करने की क्षमता है, जो ऐसे उपकरण हैं जो नमूना तैयार करने और विश्लेषण के लिए सभी आवश्यक चरणों को शामिल करते हैं और स्वचालित करते हैं।[38] पेपर इलेक्ट्रॉनिक्स कागज की सतह पर गढ़े जाने वाले कंडक्टर जैसी कार्यात्मक संरचनाओं पर निर्भर करते हैं, लेकिन पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स सब्सट्रेट के अंदर गढ़े जाने वाले चैनलों और बाधाओं पर निर्भर करते हैं।[38]इस असंगति के कारण पॉलीमर-आधारित चैनलों के साथ पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म का उपयोग करके अधिकांश μTAS विकसित किए जा रहे हैं।[39] हालाँकि, 2009 में, ग्लूकोज, लैक्टेट और यूरिक एसिड के लिए बायोसेंसर बनाने के लिए स्क्रीन-प्रिंटेड इलेक्ट्रोड को एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस में एकीकृत किया गया था।[40] पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स के लिए इलेक्ट्रॉनिक एकीकरण की यह पहली रिपोर्ट बताती है कि कैसे यह सामग्री लचीलेपन और कम लागत के कारण इन μTAS के डिजाइन में सुधार कर सकती है। पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों पर बनाए गए हाइड्रोफोबिक चैनलों में इलेक्ट्रॉनिक घटकों को जोड़ना भौतिक और रासायनिक एकीकरण तकनीकों पर आधारित है; इन दो रणनीतियों पर नीचे के अनुभागों में चर्चा की गई है।

भौतिक एकीकरण

कागज पर प्रवाहकीय अंशों का एक नेटवर्क बनाने के लिए भौतिक एकीकरण विधियाँ सामान्य तकनीकों (जैसे, इंकजेट प्रिंटिंग, पेंसिल-ऑन-पेपर और स्क्रीन प्रिंटिंग) को अनुकूलित करती हैं।[41] एक होनहार भौतिक तकनीक इंकजेट प्रिंटिंग है, जो प्रवाहकीय सामग्रियों को सटीक और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य फैशन में कागज पर जमा करने की अनुमति देती है।[38][41]प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट के रूप में, Ko et al। एक होम ऑफिस प्रिंटर, कार्बन नैनोट्यूब से बनी एक स्याही और मैगज़ीन पेपर का उपयोग करके एक पेपर-आधारित इलेक्ट्रिकल चिप विकसित की।[42] इसी तरह, चांदी के नैनोकणों को तरल पदार्थ की पारगम्यता में परिवर्तन, एकाग्रता और मिश्रण अनुपात के बारे में जानकारी प्रकट करने के लिए माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों में मुद्रित किया गया था।[43] हालांकि, अनुसंधान समूहों ने पाया है कि स्याही वाले ये नैनोकण असमान सुखाने के कारण कागज पर स्व-एकत्रित हो सकते हैं, जो गैर-समान कवरेज और गैर-रैखिक प्रतिक्रियाओं की ओर जाता है।[41][44][45] पेंसिल-ऑन-पेपर तकनीक भी सस्ती, आम कार्यालय की आपूर्ति का उपयोग करके कागज-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स पर विद्युत एकीकरण का एक बढ़िया उदाहरण है। यहां, एनालिस्ट द्वारा बार-बार पेंसिल से स्केचिंग करके पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस पर ग्राफिक सर्किटरी बनाई जाती है।[46][47][48] उदाहरण के लिए, इस विद्युत एकीकरण विधि का उपयोग पॉइंट-ऑफ-केयर कैंसर स्क्रीनिंग के लिए पूरी तरह से हाथ से तैयार किए गए पेपर माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस में किया गया था।[48]यह सॉल्वेंट-मुक्त तकनीक कामचलाऊ पेपर-आधारित μTAS बनाने की क्षमता की अनुमति देती है। हालांकि, पेंसिल-ऑन-पेपर भी ग्रेफाइट के गैर-समान जमाव का कारण बन सकता है, जो इन हाथ से खींचे गए सर्किट के प्रदर्शन को सीमित करता है।[47]एक अन्य प्रमुख भौतिक एकीकरण विधि स्क्रीन प्रिंटिंग है, जहां स्याही को पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के क्षेत्रों में स्थानांतरित किया जाता है जो स्टैंसिल द्वारा अवरुद्ध नहीं होते हैं। डुंगचाई एट अल। माइक्रोफ्लुइडिक चैनल के अंत में संदर्भ इलेक्ट्रोड के रूप में काम करने और काउंटर इलेक्ट्रोड और सिल्वर / सिल्वर क्लोराइड स्याही के लिए स्क्रीन-मुद्रित कार्बन स्याही।[40]पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों पर स्क्रीन-मुद्रित इलेक्ट्रोड का उपयोग न केवल मेटाबोलाइट्स के लिए बायोसेंसर विकसित करने के लिए किया गया है,[40][49][50] बल्कि बैक्टीरिया का पता लगाने के लिए भी[51] और भारी धातुएँ[52] भोजन और पानी में। पेपर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए अन्य भौतिक एकीकरण विधियों (स्प्रे / स्पिन कोटिंग, सम्मिश्रण और वैक्यूम निस्पंदन) को विकसित किया गया है,[41]लेकिन अभी तक कागज-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में लागू नहीं किया गया है। एक अतिरिक्त दिलचस्प भौतिक एकीकरण विधि समान और दोहराने योग्य प्रकाश वातावरण बनाने के लिए एक पोर्टेबल लाइटबॉक्स के साथ पेपर-आधारित उपकरणों का संयोजन कर रही है। लाइटबॉक्स को सेलफोन द्वारा मैन्युअल रूप से या दूरस्थ रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।[53][54]


रासायनिक एकीकरण

रासायनिक एकीकरण कागज उपकरणों को कार्यात्मक बनाने और विद्युत नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए प्रतिक्रियाओं का उपयोग करता है।[41]रासायनिक एकीकरण तकनीकों को दो समूहों में वर्गीकृत किया जा सकता है: सीटू बीज विकास और बहुलकीकरण में। सीटू सीड ग्रोथ (यानी, एक इंटरकनेक्टेड nanoparticle लेयर को बढ़ाना) पेपर माइक्रोफ्लूडिक उपकरणों पर इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक प्रभावी तरीका है क्योंकि विश्लेषक इसकी वास्तुकला और आकार को नियंत्रित कर सकते हैं।[41]सोने की स्थिति में वृद्धि[55][56][57] और चांदी[58][59][60] नैनोपार्टिकल्स उनके सिग्नल प्रवर्धन और चालकता के कारण पेपर माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों पर विद्युत घटकों के रासायनिक एकीकरण के लिए सबसे सर्वव्यापी तरीका है। धातु बीज समाधान धातु नमक की कमी प्रतिक्रिया और सोडियम बोरोहाइड्राइड, ट्राइसोडियम साइट्रेट, एस्कॉर्बिक एसिड, और / या हाइड्रोक्साइलमाइन हाइड्रोक्लोराइड जैसे रिडक्टेंट्स के कुछ संयोजन के माध्यम से तैयार किया जाता है।[41]फिर, नैनोकणों को कागज के हाइड्रोफिलिक क्षेत्र पर बीज के घोल को फैलाकर माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के तंतुओं में एम्बेडेड किया जाता है, जिसे रिडक्टेंट में भिगोया गया है।[41][57]एक बार नैनोकणों के बड़े हो जाने के बाद, उपकरण को सुखाया और चित्रित किया जा सकता है। सीटू सीड ग्रोथ का वादा यह है कि नैनोकणों को प्लेटफॉर्म पर समान रूप से एम्बेड किया जाता है और माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म की संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए एम्बेडेड मेटल नैनोकणों को भी प्रतिस्थापन के साथ कार्यात्मक बनाया जा सकता है।[61] उदाहरण के लिए, एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस को लेड-विशिष्ट डीएनए एंजाइम के साथ पैलेडियम/गोल्ड नैनोकणों को क्रियाशील करके लेड के वर्णमिति और विद्युत रासायनिक संदीप्ति ेंस सेंसिंग दोनों के लिए विकसित किया गया था।[57]इसके विपरीत, पोलीमराइजेशन प्रवाहकीय पॉलिमर को एम्बेड करता है, जिसमें कागज डिवाइस के तंतुओं में उच्च ऊर्जा घनत्व और विद्युत स्थिरता होती है।[41]जबकि इस तकनीक का उपयोग पेपर इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास में किया गया है,[41]पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स में इसकी स्वीकृति इन-सीटू बीज वृद्धि की तुलना में धीमी रही है। एक शोध समूह ने अपने पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के चैनलों में पी-टोलुएनेस्फ़ोनिक एसिड डोप्ड पाली दोस्त आर भूमिका (यानी, बहुलक) को एम्बेडेड किया, जब चैनलों को नमक समाधान से भर दिया गया तो एक स्व-संचालित पेपर सर्किट बोर्ड विकसित किया गया।[62] इस पोलीमराइज़ेशन तकनीक के कारण, पेपर माइक्रोफ़्लुइडिक डिवाइस को ओरिगेमी का उपयोग करके मोड़ा जा सकता है, जिससे क्षैतिज और लंबवत विद्युतचालकता दोनों की अनुमति मिलती है।[62]


अनुप्रयोग

पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक्स उपकरणों पर पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का मुख्य लाभ प्रयोगशाला के बजाय क्षेत्र में उपयोग की उनकी क्षमता है।[63][64] फील्ड सेटिंग में फिल्टर पेपर फायदेमंद है क्योंकि यह नमूने से दूषित पदार्थों को हटाने और उन्हें माइक्रोचैनल नीचे जाने से रोकने में सक्षम है। इसका मतलब यह है कि जब कण बाहर उपयोग किए जाते हैं तो पेपर-आधारित परख की सटीकता को बाधित नहीं करेंगे।[64]कागज-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण भी आकार में छोटे होते हैं (लंबाई और चौड़ाई में लगभग कुछ मिमी से 2 सेंटीमीटर)[64][65][66] अन्य माइक्रोफ़्लुइडिक प्लेटफ़ॉर्म की तुलना में, जैसे ड्रॉपलेट-आधारित माइक्रोफ़्लुइडिक डिवाइस, जो अक्सर 75 मिलीमीटर लंबाई तक की ग्लास स्लाइड का उपयोग करते हैं।[67][68] उनके छोटे आकार और अपेक्षाकृत टिकाऊ सामग्री के कारण, कागज-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस पोर्टेबल हैं।[63][64]कागज आधारित उपकरण भी अपेक्षाकृत सस्ते होते हैं। फिल्टर पेपर बहुत सस्ता है, और इसलिए अधिकांश पैटर्निंग एजेंट माइक्रोचैनल्स के निर्माण में उपयोग किए जाते हैं, जिनमें पॉलीडाइमिथाइलसिलोक्सेन और मोम शामिल हैं। अधिकांश प्रमुख कागज-आधारित निर्माण विधियों में भी महंगे प्रयोगशाला उपकरणों की आवश्यकता नहीं होती है।[63]पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स की ये विशेषताएँ इसे पॉइंट-ऑफ-केयर परीक्षण के लिए आदर्श बनाती हैं, विशेष रूप से उन देशों में जहाँ उन्नत चिकित्सा नैदानिक ​​उपकरणों की कमी है।[64]पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग पर्यावरण और खाद्य सुरक्षा परीक्षण करने के लिए भी किया गया है।[69][70][71][72] इस तकनीक के अनुप्रयोग में मुख्य मुद्दे प्रवाह नियंत्रण तकनीकों, सटीकता और परिशुद्धता में अनुसंधान की कमी, क्षेत्र में सरल ऑपरेटर प्रक्रियाओं की आवश्यकता और वैश्विक बाजार की मात्रा आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए उत्पादन की स्केलिंग हैं।[37]यह बड़े पैमाने पर उद्योग में मौजूदा सिलिकॉन आधारित विनिर्माण चैनलों का उपयोग करने के लिए वाणिज्यिक एलओसी प्रौद्योगिकियों को अधिक कुशलतापूर्वक और आर्थिक रूप से उपयोग करने के कारण है।[73]


डायग्नोस्टिक्स के लिए पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स (μPAD) के लिए मूल लक्ष्य कम लागत और उपयोगकर्ता के अनुकूल प्वाइंट ऑफ केयर | पॉइंट-ऑफ-केयर (POC) डिवाइस बनाना था, जिसे चिकित्सा कर्मियों या किसी अन्य योग्य विशेषज्ञ की सहायता के बिना संचालित किया जा सकता है। संसाधन-सीमित और ग्रामीण क्षेत्रों।[74] इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, μPAD को विश्व स्वास्थ्य संगठन (WHO) द्वारा प्रदान किए गए "सस्ती, संवेदनशील, विशिष्ट, उपयोगकर्ता के अनुकूल, तीव्र और मजबूत, उपकरण-मुक्त, वितरित" मानदंड में फिट होना चाहिए, जो नैदानिक ​​परीक्षण के लिए आवश्यकताएं हैं। संसाधन-विवश सेटिंग्स।[74][75][76] हालांकि, POC के आधिकारिक "डायग्नोस्टिक टेस्ट के चयन में सहायता के लिए गाइड में कहा गया है कि ये मानदंड सामान्य हैं और टेस्ट एप्लिकेशन के अनुसार संशोधित किए जा सकते हैं।[75]पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डायग्नोस्टिक्स की मुख्य समस्या यह है कि इस क्षेत्र में अनुसंधान उपयोगकर्ता की स्वीकृति में सुधार के बजाय नई अवधारणाओं और विचारों को प्रदान करने के लिए निर्देशित है और इसके परिणामस्वरूप, अधिकांश μPAD डिवाइस अभी भी गैर-पेशेवर उपयोगकर्ताओं द्वारा व्याख्या करने में असमर्थ हैं।[77] हालांकि, POC डायग्नोस्टिक्स के लिए कागज़ -आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स का एकमात्र अनुप्रयोग नहीं है। हाल ही में, प्रयोगशाला-ऑन-ए-चिप (एलओसी) उपकरणों नामक अधिक जटिल माइक्रोफ्लूडिक विश्लेषणात्मक उपकरणों के उत्पादन में एक पेपर नियोजित किया गया था, जो निदान में भी उपयोग किया जाता है। पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) और काँच के बजाय प्रयोगशाला-ऑन-अ-चिप डिवाइस बनाने के लिए पेपर का उपयोग पोर्टेबिलिटी बढ़ाते हुए लागत और आकार को कम कर सकता है। यह लैब-ऑन-ए-चिप उपकरणों को संसाधन-सीमित परिस्थितियों में अधिक सुलभ बनाने की अनुमति देता है।[78]


ब्लड ग्रुपिंग में पेपर माइक्रोफ्लुइडिक्स का प्रयोग

हाल ही में, कई प्रतिरक्षाविज्ञानी परीक्षणों के निर्माण में पेपर माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग किया गया था। खान एट अल। 2010 में इस सिद्धांत के आधार पर एक रक्त अनुकूलता परीक्षण उपकरण की जांच की गई कि लाल रक्त कोशिका समूहन, विशिष्ट एंटीजन इंटरेक्शन द्वारा ट्रिगर किया गया, कागज या क्रोमैटोग्राफी मीडिया पर रक्त की कमी और परिवहन को काफी कम कर देता है।[79] अवधारणा को एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस प्रोटोटाइप के साथ प्रदर्शित किया गया था, जिसे तीन विस्तारित चैनलों के साथ एक केंद्रीय क्षेत्र के आकार के फिल्टर पेपर से बनाया गया था। प्रत्येक चैनल को एंटीबॉडी (एपिक्लोन एंटी-ए, एंटी-बी और एंटी-डी) के एक अलग समाधान के साथ इलाज किया जाता है।[79]चूंकि μPADs जानबूझकर संसाधन की कमी की स्थिति में उपयोग के लिए बनाए गए थे, इसलिए गैर-उपचारित मानव रक्त और मूत्र जैसे वास्तविक नमूनों का विश्लेषण करने की क्षमता प्रदान करना अत्यधिक महत्वपूर्ण है।[80] इस उपकरण का निर्माण संपूर्ण रक्त | संपूर्ण-रक्त के नमूनों का विश्लेषण करने के लिए किया गया है, जो कागज-आधारित माइक्रोफ्लूडिक डायग्नोस्टिक्स की उपयोगकर्ता स्वीकृति बढ़ाने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। विश्लेषण कागज पर रक्त या एंटीबॉडी मिश्रण के विकृत व्यवहार पर आधारित है। इम्युनोग्लोबुलिन एम एंटीबॉडी के साथ रक्त के नमूनों को मिलाने से, प्रत्येक रक्त प्रकार के लिए विशिष्ट, लाल रक्त कोशिकाओं (आरबीसी) के संबंधित आरबीसी एंटीजन पर सोखने पर पॉलिमर ब्रिजिंग और डिवाइस के निश्चित चैनल पर नमूने के क्रोमैटोग्राफिक पृथक्करण का कारण बनता है। इसके साथ ही, गैर-विशिष्ट एंटीबॉडी में भिगोए गए हाथों पर अलगाव नहीं होता है और रक्त के नमूने को एक समान और स्थिर समाधान (रसायन) के रूप में कमजोर कर दिया जाता है। समाधान और चैनल उपस्थिति के परिवहन में स्पष्ट अंतर से, रक्त प्रकार के निर्धारण के लिए पृथक्करण प्रभाव की पहचान की जा सकती है।[81][63][79]

नोईफंग एट अल। 2014 में लाल रक्त कोशिकाओं के एग्लूटिनेशन के कारण एंटीबॉडी का उपयोग करके पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक रक्त संगतता परीक्षण में एक दृष्टिकोण का पालन किया, और समूह ने रक्त संगतता परीक्षण के लिए एक नया पेपर-आधारित विश्लेषणात्मक उपकरण (PAD) डिज़ाइन किया, जिसका उपयोग सिंक्रोनस प्रदर्शन के लिए किया जा सकता है। RHD (जीन) और एक ही डिवाइस पर एबीओ रक्त समूह प्रणाली ब्लड ग्रुपिंग को आगे और पीछे करें।[82] फॉरवर्ड ग्रुपिंग एक रक्त टाइपिंग प्रक्रिया है जिसमें रोगी की लाल रक्त कोशिकाओं को एंटी-ए और एंटी-बी अभिकर्मकों के साथ मिलाया जाता है। दूसरी ओर, रिवर्स टाइपिंग एक रक्त टाइपिंग प्रक्रिया है जहां रोगी सीरम को अभिकर्मक ए कोशिकाओं और अभिकर्मक बी कोशिकाओं के साथ मिलाया जाता है। परिणाम फॉरवर्ड टाइपिंग के विपरीत होने चाहिए।[83] डिज़ाइन किए गए डिवाइस के दो पक्ष हैं: फ़ॉरवर्ड (F) साइड, क्रोमैटोग्राफी पेपर से बना है जिसमें तीन चैनल 1.5 एमएल एंटी-ए, एंटी-बी और एंटी-डी एंटीबॉडी समाधान के साथ स्पॉट किए गए हैं, और रिवर्स (आर) साइड, रक्त से बने हैं। पृथक्करण झिल्ली और ए-टाइप और बी-टाइप एंटीबॉडी चैनलों से जुड़ा हुआ है। पैड को व्हाटमैन क्रोमैटोग्राफी पेपर और ब्लड सेपरेशन मेम्ब्रेन से जोड़ने के लिए वैक्स डिपिंग तकनीकों के संयोजन का उपयोग करके बनाया गया है। डिवाइस में फॉरवर्ड ग्रुपिंग के लिए तीन वैक्स-प्रिंटेड चैनल शामिल थे, जिनमें से दो को रिवर्स ग्रुपिंग के लिए भी लागू किया गया था। जबकि आर-साइड पूरे रक्त के नमूने के विश्लेषण के लिए सक्षम था, नोइफंग के समूह ने पाया कि पूरे रक्त के नमूने डिवाइस के पेपर-साइड पर सीधे लागू होने के लिए बहुत चिपचिपापन हैं। प्रयोग के दौरान, यह निर्धारित किया गया था कि इष्टतम रक्त-जल कमजोर पड़ने का अनुपात 1:2 है। लाल रक्त कोशिकाओं (आरबीसी) और रक्त प्लाज़्मा परिवहन दूरी के अनुपात को मापकर रक्त टाइपिंग को अंजाम दिया गया। A, B, AB, O, और Rh+ रक्त प्रकारों के लिए रक्त टाइपिंग में प्रस्तावित PAD की सटीकता क्रमशः 92%, 85%, 89%, 93% और 96% थी।[82][81][79]


ग्लूकोज का पता लगाना

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों को विभिन्न प्रकार की चिकित्सा बीमारियों की निगरानी के लिए डिज़ाइन किया गया है। ग्लूकोज मधुमेह और कैंसर में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है,[84] और इसे ग्लूकोज ऑक्सीडेज, हाइड्रोजन पेरोक्साइड - यूरिया, और हॉर्सरैडिश peroxidase से जुड़े एक उत्प्रेरक चक्र के माध्यम से पता लगाया जा सकता है जो ग्लूकोज और एक रंग सूचक, अक्सर पोटेशियम आयोडाइड के बीच एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस पर प्रतिक्रिया शुरू करता है।[84]यह वर्णमिति विश्लेषण का एक उदाहरण है। हार्वर्ड में जॉर्ज व्हाईटसाइड्स के समूह द्वारा विकसित पहला पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण, रंग-परिवर्तन प्रतिक्रियाओं (ग्लूकोज के लिए पोटेशियम आयोडाइड प्रतिक्रिया और प्रोटीन पशुओं से जुड़े टीके का अन्नसार के लिए टेट्राब्रोमोफेनॉल ब्लू रिएक्शन) के माध्यम से एक साथ प्रोटीन के साथ-साथ ग्लूकोज का पता लगाने में सक्षम था।[64]पेपर डिवाइस के निचले हिस्से को प्रयोगशाला में तैयार किए गए सैंपल सॉल्यूशन में डाला जाता है, और रंग परिवर्तन की मात्रा देखी जाती है।[64]हाल ही में, रक्त प्लाज्मा में ग्लूकोज की मात्रा निर्धारित करने के लिए वर्णमिति पहचान का उपयोग करते हुए एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण विकसित किया गया था। मोम-मुद्रित डिवाइस पर रक्त प्लाज्मा को पूरे रक्त के नमूनों से अलग किया जाता है, जहां लाल रक्त कोशिकाओं को एंटीबॉडी द्वारा एकत्र किया जाता है और रक्त प्लाज्मा रंग-परिवर्तन प्रतिक्रिया के लिए दूसरे डिब्बे में प्रवाहित होने में सक्षम होता है।[65]इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री[85] इन उपकरणों में भी इस्तेमाल किया गया है। यह परिमाणीकरण में अधिक संवेदनशीलता प्रदान करता है, जबकि वर्णमिति पहचान मुख्य रूप से गुणात्मक आकलन के लिए उपयोग की जाती है।[63][84]स्क्रीन प्रिंटिंग | स्क्रीन-मुद्रित इलेक्ट्रोड[86] और इलेक्ट्रोड सीधे फिल्टर पेपर पर मुद्रित होते हैं[87] प्रयोग किया जा चुका है। इलेक्ट्रोकेमिकल डिटेक्शन का उपयोग करने वाले पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस का एक उदाहरण पूरे रक्त से प्लाज्मा को अलग करने के लिए एक डंबेल आकार है।[87]उपरोक्त उत्प्रेरक चक्र में उत्पादित हाइड्रोजन पेरोक्साइड से वर्तमान को मापा जाता है और ग्लूकोज की एकाग्रता में परिवर्तित किया जाता है।[87]


ग्लूकोज का पता लगाने के लिए 3डी डिवाइस

व्हाईटसाइड्स के समूह ने ग्लूकोज का पता लगाने के लिए एक 3डी पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस भी विकसित किया है जो बेहतर द्रव प्रवाह डिजाइन के कारण चिप पर अंशांकन घटता उत्पन्न कर सकता है।[88] इस 3डी डिवाइस में माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के पैटर्न वाले पेपर की परतें होती हैं जो छेद के साथ दो तरफा चिपकने वाली टेप की परतों से जुड़ी होती हैं। टेप में छेद कागज की वैकल्पिक परतों में चैनलों के बीच प्रवाह की अनुमति देता है, इसलिए यह उपकरण अधिक जटिल प्रवाह पथों की अनुमति देता है और कागज की अंतिम परत में बड़ी संख्या में (~1,000 तक) पहचान क्षेत्रों में कई नमूनों का पता लगाने में सक्षम बनाता है। .[88]हाल ही में, 3डी पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस ORIGAMI का उपयोग करके इकट्ठे किए गए विकसित किए गए थे।[89] व्हाईटसाइड्स के डिज़ाइन के विपरीत, ये उपकरण पैटर्न वाले कागज की एक परत का उपयोग करते हैं जिसे बाद में डिवाइस में नमूना समाधान इंजेक्ट करने से पहले कई परतों में मोड़ा जाता है।[89]इसके बाद, डिवाइस को प्रकट किया जा सकता है, और डिवाइस की प्रत्येक परत का विश्लेषण एक साथ कई एनालिटिक्स के एक साथ पता लगाने के लिए किया जा सकता है।[89]यह उपकरण कागज की कई परतों का उपयोग करके पूर्वोक्त उपकरण की तुलना में बनाना सरल और कम खर्चीला है।[88][89]अलग-अलग परतों में चैनलों के बीच मिश्रण करना किसी भी डिवाइस में कोई समस्या नहीं थी, इसलिए दोनों डिवाइस एक साथ कई नमूनों में ग्लूकोज और बीएसए की मात्रा निर्धारित करने में सफल रहे।[88][89]


पर्यावरण और खाद्य सुरक्षा परीक्षण

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के चिकित्सा क्षेत्र के बाहर कई अनुप्रयोग हैं। उदाहरण के लिए, पेपर-आधारित बायोसेंसर | पेपर-आधारित बायोसेंसर का पर्यावरण निगरानी में बड़े पैमाने पर उपयोग किया गया है।[69][70][71][72]साल्मोनेला का पता लगाने के लिए हाल ही में दो उपकरण विकसित किए गए थे[70]और एस्चेरिचिया कोलाई | ई। कोलाई[69]. बाद वाले उपकरण का उपयोग विशेष रूप से टक्सन, एरिज़ोना , एरिजोना से सात क्षेत्र के पानी के नमूनों में ई. कोलाई का पता लगाने के लिए किया गया था।[69]Immunoconjugate | नमूना इनलेट के बाद, एंटीबॉडी-संयुग्मित POLYSTYRENE कणों को माइक्रोफ्लुइडिक चैनल के बीच में लोड किया गया था। प्रतिरक्षण तब होता है जब क्रमशः साल्मोनेला या ई. कोलाई वाले नमूने इन कणों के संपर्क में आते हैं।[69][70]इम्युनोएग्लुटिनेशन की मात्रा को प्रकाश के बढ़े हुए मि बिखर रहा है के साथ सहसंबद्ध किया जा सकता है, जिसे परिवेश प्रकाश के तहत एक विशेष स्मार्टफोन एप्लिकेशन के साथ पता चला था।[69][70]सेब के रस और दूध जैसे खाद्य उत्पादों में कीटनाशकों का पता लगाने के लिए पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स का भी उपयोग किया गया है।[71]हाल ही के एक डिजाइन में एंजाइम एसिटाइलकोलिनेस्टरेज़ | एसिटाइलकोलिनेस्टरेज़ (AChE) और सब्सट्रेट इंडोफेनिल एसीटेट (IPA) के साथ पेपर को छापने के लिए पीजोइलेक्ट्रिसिटी इंकजेट प्रिंटिंग का इस्तेमाल किया गया था, और इस पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस का उपयोग नीले रंग में कमी के माध्यम से ऑर्गनोफॉस्फेट कीटनाशकों (एसिटाइलकोलिनेस्टरेज़ अवरोधक) का पता लगाने के लिए किया गया था। -बैंगनी रंग।[71]यह उपकरण पूर्व-संग्रहीत अभिकर्मकों के साथ डिब्बों के बजाय बायोएक्टिव पेपर के उपयोग से अलग है, और इसे अच्छी दीर्घकालिक स्थिरता के लिए प्रदर्शित किया गया, जिससे यह क्षेत्र में उपयोग के लिए आदर्श बन गया।[71]एक और हालिया पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिज़ाइन ने एक सेंसर का उपयोग किया, जिसमें फ्लोरोसेंटली लेबल वाले एकल-फंसे डीएनए | सिंगल-स्ट्रैंडेड डीएनए (एसएसडीएनए) शामिल हैं, जो इसकी सतह पर ग्राफीन ऑक्साइड के साथ मिलकर खाद्य उत्पादों में भारी धातुओं और एंटीबायोटिक दवाओं का पता लगाते हैं।[72]भारी धातुओं ने प्रतिदीप्ति तीव्रता में वृद्धि की, जबकि एंटीबायोटिक दवाओं ने प्रतिदीप्ति तीव्रता में कमी की।[72]हाल ही में, पानी में प्रतिक्रियाशील फॉस्फेट के निर्धारण के लिए सस्ती, डिस्पोजेबल और सुविधाजनक विश्लेषणात्मक उपकरण बनाने के लिए कागज आधारित उपकरण बहुत आकर्षक हो गए हैं। ये उपकरण फॉस्फेट का पता लगाने के लिए मोलिब्डेनम नीला प्रोटोकॉल का उपयोग करते हैं।[53]


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