कागज आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स

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पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स उपकरण हैं | जिनमें हाइड्रोफिलिक सेलूलोज़ या नाइट्रो सेलूलोज़ की एक श्रृंखला होती है | जो छिद्र क्रिया के माध्यम से छिद्रयुक्त माध्यम से एक वांछित आउटलेट या उपकरण के क्षेत्र में एक इनलेट से तरल पदार्थ का परिवहन करती है।[1] यह विधि 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 अधिक सीमा तक एक निष्क्रिय नियंत्रित उपकरण है। सस्ती और पोर्टेबल आणविक निदान की आवश्यकता को पूरा करने के लिए 21 वीं सदी की प्रारंभिक में पेपर आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स उपकरणों का विकास प्रारंभ हुआ।

आर्किटेक्चर

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण में निम्नलिखित क्षेत्र होते हैं |[2]

  • इनलेट: एक सब्सट्रेट (सामान्यतः 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 स्तर प्रवाह प्रदान करने के लिए संशोधित किया जाता है [1]
  • फ्लो रेसिस्टर्स: एक माइक्रोफ्लूडिक उपकरण में द्रव के निवास समय को नियंत्रित करने के लिए एक छिद्र 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

पेपर जैसे छिद्रयुक्त 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 छिद्र प्रवेश होता है जिसे सरंध्रता और उपकरण ज्यामिति को नियंत्रित करके ट्यून किया जा सकता है।[4] पेपर एक छिद्रयुक्त माध्यम है जिसमें मुख्य रूप से छिद्र क्रिया और वाष्पीकरण द्वारा द्रव का परिवहन किया जाता है।[5] गीला करने के समय छिद्र प्रवाह को वाशबर्न के समीकरण द्वारा अनुमानित किया जा सकता है | जो जुरिन के नियम से लिया गया है। जुरिन का नियम और हेगन-पॉइज़्यूइल समीकरण [6] द्रव प्रवाह का औसत वेग सामान्यीकृत है |

जहाँ पृष्ठ तनाव है, संपर्क कोण है, श्यानता है, और तरल द्वारा तय की गई दूरी है। अधिक व्यापक मॉडल पेपर टेढ़ेपन, छिद्र त्रिज्या और पेपर विरूपण के लिए खाते हैं ।[7]

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 [8] द्रव प्रवाह का औसत वेग सामान्यीकृत है |

जहाँ मध्यम पारगम्यता है और दाब प्रवणता है। लामिनार प्रवाह का एक परिणाम यह है कि मिश्रण कठिन है और केवल प्रसार पर आधारित है, जो छिद्रयुक्त प्रणालियों में धीमा है।[9]

निर्माण

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का निर्माण आयामों के आधार पर किया जा सकता है, अर्थात 2डी और 3डी[10] 2डी पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स बनाने के लिए, विभिन्न विधियों 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।[11] बहु 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 विधि का उद्देश्य हाइड्रोफिलिक पेपर पर हाइड्रोफोबिक भौतिक अवरोध उत्पन्न करना है | जो जलीय समाधानों को निष्क्रिय रूप से परिवहन करता है।[12] जैविक और रासायनिक अभिकर्मकों को या तो सब्सट्रेट को अभिकर्मक समाधान में डुबाकर या स्थानीय रूप से सब्सट्रेट पर अभिकर्मक को स्पॉट करके उपकरण के साथ चुनिंदा रूप से जमा किया जाना चाहिए। [13]

मोम की छपाई

वैक्स प्रिंटिंग एक वांछित डिजाइन में पेपर पर प्रतिरूप वैक्स के लिए एक साधारण प्रिंटर का उपयोग करती है। चैनल बनाने के लिए मोम को फिर हॉटप्लेट से पिघलाया जाता है।[14] यह विधि तेज़ और कम निवेश वाली है, किंतु पिघले हुए मोम की आइसोट्रॉपी के कारण अपेक्षाकृत कम समाधान 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।[15] यह विधि उच्च समाधान के साथ कम निवेश वाली है, किंतु एक समय में एक स्याही की बूंद डालने की गति से सीमित है।

फोटोलिथोग्राफी

फोटोलिथोग्राफिक विधि इंकजेट प्रिंटिंग के समान हैं, एक फोटोमास्क का उपयोग चुनिंदा रूप से एक फोटोरेसिस्ट पॉलीमर बनाने के लिए किया जाता है ।[16] इस विधि में उच्च समाधान है और त्वरित है | किंतु इसमें उच्च उपकरण और भौतिक लागतें हैं।

डीएलपी प्रिंटिंग

यह विधि एक डीएलपी प्रिंटिंग विधि का उपयोग करती है जिसमें छिद्रयुक्त पेपर में विवर्त माइक्रोचैनल्स की हाइड्रोफोबिक सीमाएं बनाने के लिए फोटो-उपचार योग्य राल पॉलिमर प्रकाश के संपर्क में आते हैं। यदि वाष्पीकरण के प्रभाव विशिष्ट अनुप्रयोग में चिंता का विषय हैं तो चैनल के ऊपर और नीचे उपचार 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।[17] इस विधि में अपेक्षाकृत कम उपकरण निवेश है और आसानी से उपलब्ध पदार्थ का उपयोग करती है जिससे यह देखभाल के बिंदु के नैदानिक ​​​​उपकरणों के बड़े मापदंड पर उत्पादन के लिए एक आशाजनक प्रत्याशी बन जाती है।

प्लाज्मा प्रसंस्करण

इस विधि में, पेपर को पहले हाइड्रोफोबाइजिंग एजेंट जैसे अल्काइल केटीन डिमर या फ्लोरोकार्बन प्लाज्मा पोलीमराइजेशन का उपयोग करके हाइड्रोफोबिक प्रदान किया जाता है, और फिर O2 पेपर में हाइड्रोफिलिक प्रतिरूप 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,[18] ऑन-ऑफ फ्लो स्विच,[19] और द्रव प्रवाह नियंत्रण चैनल[20] अपेक्षाकृत आसानी से सम्मिलित किया जा सकता है। चूँकि उत्पादन की निवेश अन्य निर्माण विधियों की तुलना में अपेक्षाकृत अधिक है।

विश्लेषणात्मक अनुप्रयोग

मास स्पेक्ट्रोमेट्री

पेपर-स्प्रे आयनीकरण को माइक्रो पेपर-आधारित विश्लेषणात्मक उपकरणों μ पीएडी और मास स्पेक्ट्रोमेट्री के लिए एक इंटरफेस के रूप में तेजी से विकसित किया जा रहा है। विधि पर्ड्यू में आर ग्राहम कुक समूह द्वारा पहली बार वर्णित,[21] मास स्पेक्ट्रोमीटर के इनलेट के पास गीले पेपर की त्रिकोणीय शीट पर वोल्टेज लगाना सम्मिलित है। चूँकि स्पष्ट तंत्र अच्छी तरह से समझा नहीं गया है, ऑपरेशन के दो विधि हो सकते हैं: उच्च प्रवाह दर पर एक मल्टीकोन स्प्रे, और एक कोन स्प्रे जो तब होता है जब विलायक समाप्त हो गया हो।[22] यह बड़े मापदंड पर वर्णक्रमीय पहचान के साथ जटिल माइक्रोफ्लुइडिक जोड़तोड़ को संयोजित करने के एक बड़े प्रयास का भाग है। वैक्स प्रिंटिंग हाइड्रोफोबिक बैरियर पेपर उपकरणों के अंदर अलग प्रवाह चैनल बनाने के लिए एक सामान्य विधि है, और इसे आयनीकरण दक्षता बढ़ाने के लिए μ पीएडी-MS तक बढ़ाया गया है (विश्लेषण धारा पर ध्यान केंद्रित करके) और त्रिकोणीय पेपर पर मोम प्रिंटिंग द्वारा प्रतिक्रिया मिश्रण को सक्षम किया गया है। सतह।[23] पेपर-स्प्रे सूचक से पहले μ पीएडी पर क्रोमैटोग्राफिक एकांत भी प्रदर्शित किए गए हैं।[24] प्रारंभ में, छोटे अणुओं, जैसे कि फार्मास्यूटिकल्स और दुरुपयोग की दवाओं का पता लगाने के लिए पेपर-स्प्रे आयनीकरण प्रयुक्त किया गया था।[25] [26] चूँकि , यह भी दिखाया गया है कि गैर-सहसंयोजक पारस्परिक क्रिया को बनाए रखते हुए पेपर-स्प्रे आयनीकरण बड़े प्रोटीन को आयनित कर सकता है।[27]

पृथक्करण के विधि

कुछ विश्लेषणात्मक सूचक वास्तव में एक ही प्रजाति के लिए विशिष्ट हैं; इसलिए पता लगाने से पहले कुछ प्रकार के पृथक्करण चरण प्रायः आवश्यक होते हैं। इसके अतिरिक्त पृथक्करण एक ही मंच के अंदर कई विश्लेषणों का पता लगाने की अनुमति देता है। पतली परत क्रोमैटोग्राफी (टीएलसी) पर आधारित पृथक्करण संभवतः प्रयुक्त करने में सबसे आसान है, क्योंकि कई μ पीएडी क्रोमैटोग्राफिक पेपर के साथ बनाए जाते हैं। सामान्यतः, पृथक्करण चैनल को दो हाइड्रोफोबिक बाधाओं के मोम-प्रिंटिंग द्वारा परिभाषित किया जाता है।[28] इलेक्ट्रोकेमिकल पहचान संभवतः सबसे समान्य है,[29] संभवतः इसके कार्यान्वयन में आसानी के कारण, चूँकि वर्णमिति (रासायनिक विधि), रासायनिक संदीप्ति,[30] और मास स्पेक्ट्रल सूचक का उपयोग पेपर-आधारित क्रोमैटोग्राफिक पृथक्करण के संयोजन में भी किया गया है। कार्यान्वयन में आसानी के अतिरिक्त प्लानर क्रोमैटोग्राफी अपेक्षाकृत कम प्लेट ऊंचाई (अर्थात, खराब पृथक्करण दक्षता) से बाधित होती है। चूंकि चक्रवर्ती समूह ने μ पीएडी पर इलेक्ट्रोकाइनेटिक प्रवाह की साध्यता का प्रदर्शन किया,[31] साहित्य में μ पीएडी पर वैद्युतकणसंचलन पृथक्करण के कई अनुप्रयोग प्रकट हुए हैं। यूटी-ऑस्टिन में क्रूक्स समूह ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि μ पीएडी पर इलेक्ट्रोफोरेटिक पृथक्करण पारंपरिक इलेक्ट्रोफोरेटिक उपकरणों की तुलना में अपेक्षाकृत कम प्रयुक्त 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।[32] सरल पृथक्करण विधियों का उपयोग μ पीएडी 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।[33]

प्रवाह नियंत्रण

चैनलों में द्रव प्रवाह को नियंत्रित करने के विभिन्न विधि हैं। इनमें चैनल की चौड़ाई और लंबाई को बदलना, पेपर की गीला करने की क्षमता को बदलना, समानांतर चैनल के माध्यम से कुछ तरल पदार्थ को मोड़ना या द्रव की श्यानता को बदलना सम्मिलित है।[34] पीएडी में प्रवाह को हाइड्रोफोबिक से हाइड्रोफिलिक अवस्था में पेपर पर एक कोटिंग को बदलने के लिए या प्रवाह पथ को बंद करने के लिए प्रवाह द्वारा ट्रिगर किए गए विस्तार योग्य बहुलक के उपयोग के लिए घुलनशील चीनी पुलों कोरोना डिस्चार्ज उपचार के साथ बंद किया जा सकता है।[35]

इलेक्ट्रॉनिक एकीकरण

माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म और इलेक्ट्रॉनिक घटकों के एकीकरण में माइक्रो कुल विश्लेषण प्रणाली (µ टीएएस) उत्पन्न करने की क्षमता है, जो ऐसे उपकरण हैं जो नमूना तैयार करने और विश्लेषण के लिए सभी आवश्यक चरणों को सम्मिलित और स्वचालित करते हैं।[36] पेपर इलेक्ट्रॉनिक्स पेपर की सतह पर गढ़े जाने वाले चालक जैसी कार्यात्मक संरचनाओं पर निर्भर करते हैं, किंतु पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स सब्सट्रेट के अंदर गढ़े जाने वाले चैनलों और बाधाओं पर निर्भर करते हैं।[36] इस असंगति के कारण पॉलीमर-आधारित चैनलों के साथ पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म का उपयोग करके अधिकांश μ टीएएस विकसित किए जा रहे हैं।[37] चूँकि 2009 में, ग्लूकोज, लैक्टेट और यूरिक अम्ल के लिए बायोसेंसर बनाने के लिए स्क्रीन-प्रिंटेड इलेक्ट्रोड को एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण में एकीकृत किया गया था।[38] पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स के लिए इलेक्ट्रॉनिक एकीकरण की यह पहली रिपोर्ट बताती है कि कैसे यह पदार्थ लचीलेपन और कम निवेश के कारण इन μ टीएएस 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 विधियों पर आधारित है; इन दो रणनीतियों पर नीचे के अनुभागों में चर्चा की गई है।

भौतिक एकीकरण

पेपर पर प्रवाहकीय अंशों का एक नेटवर्क बनाने के लिए भौतिक एकीकरण विधियाँ सामान्य विधियों (जैसे, इंकजेट प्रिंटिंग, पेंसिल-ऑन-पेपर और स्क्रीन प्रिंटिंग) को अनुकूलित करती हैं।[39] एक होनहार भौतिक विधि इंकजेट प्रिंटिंग है, जो प्रवाहकीय पदार्थो को स्पष्ट और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य फैशन में पेपर पर जमा करने की अनुमति देती है।[36][39] प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट के रूप में, को एट अल एक होम ऑफिस प्रिंटर, कार्बन नैनोट्यूब से बनी एक स्याही और मैगज़ीन पेपर का उपयोग करके एक पेपर-आधारित इलेक्ट्रिकल चिप विकसित की[40] 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।[41] चूँकि अनुसंधान समूहों ने पाया है कि स्याही वाले ये नैनोकण असमान सुखाने के कारण पेपर पर स्व-एकत्रित हो सकते हैं, जो गैर-समान कवरेज और गैर-रैखिक प्रतिक्रियाओं की ओर जाता है।[39][42][43] पेंसिल-ऑन-पेपर विधि भी सस्ती, समान्य कार्यालय की आपूर्ति का उपयोग करके पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स पर विद्युत एकीकरण का एक उत्तम उदाहरण है। यहां, एनालिस्ट द्वारा बार-बार पेंसिल से स्केचिंग करके पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण पर ग्राफिक सर्किटरी बनाई जाती है।[44][45][46] 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 उपकरण में किया गया था।[46] यह सॉल्वेंट-मुक्त विधि कामचलाऊ पेपर-आधारित μ टीएएस बनाने की क्षमता की अनुमति देती है। चूँकि पेंसिल-ऑन-पेपर भी ग्रेफाइट के गैर-समान जमाव का कारण बन सकता है, जो इन हाथ से खींचे गए परिपथ के प्रदर्शन को सीमित करता है।[45] 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[38] पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों पर स्क्रीन-मुद्रित इलेक्ट्रोड का उपयोग न केवल मेटाबोलाइट्स के लिए बायोसेंसर विकसित करने के लिए किया गया है,[38][47][48] किंतु बैक्टीरिया का पता लगाने के लिए भी[49] और भारी धातुएँ[50] भोजन और पानी में पेपर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए अन्य भौतिक एकीकरण विधियों (स्प्रे / स्पिन कोटिंग, सम्मिश्रण और वैक्यूम निस्पंदन) को विकसित किया गया है,[39] किंतु अभी तक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में प्रयुक्त नहीं किया गया है। एक अतिरिक्त रोचक 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।[51][52]

रासायनिक एकीकरण

रासायनिक एकीकरण पेपर उपकरणों को कार्यात्मक बनाने और विद्युत नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए प्रतिक्रियाओं का उपयोग करता है।[39] रासायनिक एकीकरण विधियों को दो समूहों में वर्गीकृत किया जा सकता है: सीटू बीज विकास और बहुलकीकरण में सीटू सीड ग्रोथ (अर्थात , एक इंटरकनेक्टेड नैनोकण परत को बढ़ाना) पेपर माइक्रोफ्लूडिक उपकरणों पर इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक प्रभावी विधि है क्योंकि विश्लेषक इसकी वास्तुकला और आकार को नियंत्रित कर सकते हैं।[39] सोने और चांदी के नैनोकणों की सीटू वृद्धि[53][54][55] उनके संकेत प्रवर्धन और चालकता[56][57][58] के कारण पेपर माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों पर विद्युत घटकों के रासायनिक एकीकरण के लिए सबसे सर्वव्यापी विधि 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।[39] फिर, नैनोकणों को पेपर के हाइड्रोफिलिक क्षेत्र पर बीज के घोल को फैलाकर माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण के तंतुओं में एम्बेडेड किया जाता है, जिसे रिडक्टेंट में भिगोया गया है।[39][55] 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।[59] उदाहरण के लिए, एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण को लेड-विशिष्ट डीएनए एंजाइम के साथ पैलेडियम/गोल्ड नैनोकणों को क्रियाशील करके लेड के वर्णमिति और विद्युत रासायनिक संदीप्ति सेंसिंग दोनों के लिए विकसित किया गया था।[55] इसके विपरीत, पोलीमराइजेशन प्रवाहकीय पॉलिमर को एम्बेड करता है, जिसमें पेपर उपकरण के तंतुओं में उच्च ऊर्जा घनत्व और विद्युत स्थिरता होती है।[39] जबकि इस विधि का उपयोग पेपर इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास में किया गया है,[39] पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स में इसकी स्वीकृति इन-सीटू बीज वृद्धि की तुलना में धीमी रही है। एक शोध समूह ने अपने पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण के चैनलों में पी-टोलुएनेस्फ़ोनिक अम्ल डोप्ड पाली दोस्त आर भूमिका (अर्थात , बहुलक) को एम्बेडेड किया, जब चैनलों को नमक समाधान से भर दिया गया तो एक स्व-संचालित पेपर परिपथ बोर्ड विकसित किया गया।[60] इस पोलीमराइज़ेशन विधि के कारण पेपर माइक्रोफ़्लुइडिक उपकरण को ओरिगेमी का उपयोग करके मोड़ा जा सकता है, जिससे क्षैतिज और लंबवत विद्युतचालकता दोनों की अनुमति मिलती है।[60]

अनुप्रयोग

पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक्स उपकरणों पर पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का मुख्य लाभ प्रयोगशाला के अतिरिक्त क्षेत्र में उपयोग की उनकी क्षमता है।[61][62] क्षेत्र सेटिंग में फिल्टर पेपर लाभप्रद है क्योंकि यह नमूने से दूषित पदार्थों को हटाने और उन्हें माइक्रोचैनल नीचे जाने से रोकने में सक्षम है। इसका अर्थ यह है कि जब कण बाहर उपयोग किए जाते हैं तो पेपर-आधारित परख की स्पष्टता को बाधित नहीं करेंगे।[62] पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण भी आकार में छोटे होते हैं (लंबाई और चौड़ाई में लगभग कुछ मिमी से 2 सेंटीमीटर)[62][63][64] अन्य माइक्रोफ़्लुइडिक प्लेटफ़ॉर्म की तुलना में, जैसे ड्रॉपलेट-आधारित माइक्रोफ़्लुइडिक उपकरण, जो प्रायः 75 मिलीमीटर लंबाई तक की ग्लास स्लाइड का उपयोग करते हैं।[65][66] उनके छोटे आकार और अपेक्षाकृत टिकाऊ पदार्थ के कारण, पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण पोर्टेबल हैं।[61][62] पेपर 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 सम्मिलित हैं। अधिकांश प्रमुख पेपर-आधारित निर्माण विधियों में भी महंगे प्रयोगशाला उपकरणों की आवश्यकता नहीं होती है।[61] 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।[62] पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग पर्यावरण और खाद्य सुरक्षा परीक्षण करने के लिए भी किया गया है।[67][68][69][70] इस विधि के अनुप्रयोग में मुख्य उद्देश्य प्रवाह नियंत्रण विधियों को स्पष्टता 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।[35]यह बड़े मापदंड पर उद्योग में आधुनिक सिलिकॉन आधारित विनिर्माण चैनलों का उपयोग करने के लिए वाणिज्यिक एलओसी प्रौद्योगिकियों को अधिक कुशलतापूर्वक और आर्थिक रूप से उपयोग करने के कारण है।[71]

डायग्नोस्टिक्स के लिए पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स (μPAD) के लिए मूल लक्ष्य कम निवेश और उपयोगकर्ता के अनुकूल पॉइंट-ऑफ-केयर (पीओसी) उपकरण बनाना था, जिसे चिकित्सा कर्मियों या किसी अन्य योग्य विशेषज्ञ की सहायता के बिना संचालित किया जा सकता है। संसाधन-सीमित और ग्रामीण क्षेत्रों[72] इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, μ पीएडी को विश्व स्वास्थ्य संगठन (डब्ल्यूएचओ) द्वारा प्रदान किए गए "सस्ती, संवेदनशील, विशिष्ट, उपयोगकर्ता के अनुकूल, तीव्र और शासक्ति, उपकरण-मुक्त, वितरित" मानदंड में फिट होना चाहिए, जो नैदानिक ​​परीक्षण के लिए आवश्यकताएं हैं। संसाधन-विवश सेटिंग्स[72][73][74] चूँकि पीओसीके 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।[73] पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डायग्नोस्टिक्स की मुख्य समस्या यह है कि इस क्षेत्र में अनुसंधान उपयोगकर्ता की स्वीकृति में सुधार के अतिरिक्त नई अवधारणाओं और विचारों को प्रदान करने के लिए निर्देशित है और इसके परिणामस्वरूप, अधिकांश μ पीएडी उपकरण अभी भी गैर-पेशेवर उपयोगकर्ताओं द्वारा व्याख्या करने में असमर्थ हैं।[75] चूँकि पीओसी डायग्नोस्टिक्स के लिए कागज़ -आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स का एकमात्र अनुप्रयोग नहीं है। वर्तमान 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 अतिरिक्त प्रयोगशाला-ऑन-अ-चिप उपकरण बनाने के लिए पेपर का उपयोग पोर्टेबिलिटी बढ़ाते हुए निवेश 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।[76]

ब्लड ग्रुपिंग में पेपर माइक्रोफ्लुइडिक्स का प्रयोग

वर्तमान 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, पेपर या क्रोमैटोग्राफी मीडिया पर रक्त की कमी और परिवहन को अधिक कम कर देता है।[77] अवधारणा को एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण 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 उपचार किया जाता है।[77] चूंकि μ पीएडी 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।[78] इस उपकरण का निर्माण संपूर्ण रक्त संपूर्ण-रक्त के नमूनों का विश्लेषण करने के लिए किया गया है, जो पेपर-आधारित माइक्रोफ्लूडिक डायग्नोस्टिक्स की उपयोगकर्ता स्वीकृति बढ़ाने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। विश्लेषण पेपर 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 उपकरण 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 अशक्त 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।[79][61][77]

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 (पैड) डिज़ाइन किया, जिसका उपयोग सिंक्रोनस प्रदर्शन के लिए किया जा सकता है। आरएचडी (जीन) और एक ही उपकरण पर एबीओ रक्त समूह प्रणाली ब्लड ग्रुपिंग को आगे और पीछे करें।[80] 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, विपरीत 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।[81] डिज़ाइन किए गए उपकरण 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 विपरीत (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 विधियों के संयोजन का उपयोग करके बनाया गया है। उपकरण में फॉरवर्ड ग्रुपिंग के लिए तीन वैक्स-प्रिंटेड चैनल सम्मिलित थे, जिनमें से दो को विपरीत ग्रुपिंग के लिए भी प्रयुक्त 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 उपकरण के पेपर-साइड पर सीधे प्रयुक्त होने के लिए बहुत श्यानता हैं। प्रयोग के समय, यह निर्धारित किया गया था कि इष्टतम रक्त-जल अशक्त 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 पीएडी की स्पष्टता क्रमशः 92%, 85%, 89%, 93% और 96% थी।[80][79][77]

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,[82] और इसे ग्लूकोज ऑक्सीडेज, हाइड्रोजन पेरोक्साइड - यूरिया, और हॉर्सरैडिश पेरोक्सीडेज से जुड़े एक उत्प्रेरक चक्र के माध्यम से पता लगाया जा सकता है जो ग्लूकोज और एक रंग सूचक, प्रायः पोटेशियम आयोडाइड के बीच एक पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण पर प्रतिक्रिया प्रारंभ करता है।[82] 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।[62] पेपर उपकरण के निचले भाग को प्रयोगशाला में तैयार किए गए सैंपल समाधान में डाला जाता है, और रंग परिवर्तन की मात्रा देखी जाती है।[62] वर्तमान 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 उपकरण 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।[63] इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री [83] इन उपकरणों में भी उपयोग 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।[61][82] स्क्रीन प्रिंटिंग स्क्रीन-मुद्रित इलेक्ट्रोड[84] और इलेक्ट्रोड सीधे फिल्टर पेपर पर मुद्रित होते हैं[85] प्रयोग किया जा चुका है। इलेक्ट्रोकेमिकल सूचक का उपयोग करने वाले पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण का एक उदाहरण पूरे रक्त से प्लाज्मा को अलग करने के लिए एक डंबेल आकार है।[85] उपरोक्त उत्प्रेरक चक्र में उत्पादित हाइड्रोजन पेरोक्साइड से वर्तमान को मापा जाता है और ग्लूकोज की एकाग्रता में परिवर्तित किया जाता है।[85]

ग्लूकोज का पता लगाने के लिए 3डी उपकरण

व्हाईटसाइड्स के समूह ने ग्लूकोज का पता लगाने के लिए एक 3डी पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण भी विकसित किया है जो उत्तम द्रव प्रवाह डिजाइन के कारण चिप पर अंशांकन घटता उत्पन्न कर सकता है।[86] इस 3डी उपकरण में माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के प्रतिरूप वाले पेपर की परतें होती हैं जो छेद के साथ दो तरफा चिपकने वाली टेप की परतों से जुड़ी होती हैं। टेप में छेद पेपर की वैकल्पिक परतों में चैनलों के बीच प्रवाह की अनुमति देता है, इसलिए यह उपकरण अधिक जटिल प्रवाह पथों की अनुमति देता है और पेपर की अंतिम परत में बड़ी संख्या में (~1,000 तक) पहचान क्षेत्रों में कई नमूनों का पता लगाने में सक्षम बनाता है। .[86] वर्तमान में, 3डी पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण ओआरआईजीएएमआई का उपयोग करके संग्रह किए गए विकसित किए गए थे।[87] व्हाईटसाइड्स के डिज़ाइन के विपरीत, ये उपकरण प्रतिरूप वाले पेपर की एक परत का उपयोग करते हैं जिसे बाद में उपकरण में नमूना समाधान इंजेक्ट करने से पहले कई परतों में मोड़ा जाता है।[87] इसके बाद, उपकरण को प्रकट किया जा सकता है, और उपकरण की प्रत्येक परत का विश्लेषण एक साथ कई एनालिटिक्स के एक साथ पता लगाने के लिए किया जा सकता है।[87] यह उपकरण पेपर की कई परतों का उपयोग करके पूर्वोक्त उपकरण की तुलना में बनाना सरल और कम खर्चीला है।[86][87] अलग-अलग परतों में चैनलों के बीच मिश्रण करना किसी भी उपकरण में कोई समस्या नहीं थी, इसलिए दोनों उपकरण एक साथ कई नमूनों में ग्लूकोज और बीएसए की मात्रा निर्धारित करने में सफल रहे।[86][87]

पर्यावरण और खाद्य सुरक्षा परीक्षण

पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के चिकित्सा क्षेत्र के बाहर कई अनुप्रयोग हैं। उदाहरण के लिए, पेपर-आधारित बायोसेंसर का पर्यावरण निगरानी में बड़े मापदंड पर उपयोग किया गया है।[67][68][69][70] साल्मोनेला का पता लगाने के लिए वर्तमान में दो उपकरण विकसित किए गए थे[68] और एस्चेरिचिया कोलाई | ई कोलाई[67] 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।[67]इम्यूनोकंजुगेट नमूना इनलेट के बाद, एंटीबॉडी-संयुग्मित पॉलीस्टाइनिन 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।[67][68] इम्युनोएग्लुटिनेशन की मात्रा को प्रकाश के बढ़े हुए मि प्रकीर्णन के साथ सहसंबद्ध किया जा सकता है, जिसे परिवेश प्रकाश के तहत एक विशेष स्मार्टफोन एप्लिकेशन के साथ पता चला था।[67][68] सेब के रस और दूध जैसे खाद्य उत्पादों में कीटनाशकों का पता लगाने के लिए पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स का भी उपयोग किया गया है।[69] वर्तमान के एक डिजाइन में एंजाइम एसिटाइलकोलिनेस्टरेज़ (एसीएचई) और सब्सट्रेट इंडोफेनिल एसीटेट (आईपीए) के साथ पेपर को छापने के लिए पीजोइलेक्ट्रिसिटी इंकजेट प्रिंटिंग का उपयोग किया गया था, और इस पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण का उपयोग नीले रंग,बैंगनी रंग में कमी के माध्यम से ऑर्गनोफॉस्फेट कीटनाशक (एसिटाइलकोलिनेस्टरेज़ अवरोधक) का पता लगाने के लिए किया गया था। [69] यह उपकरण पूर्व-संग्रहीत अभिकर्मकों के साथ डिब्बों के अतिरिक्त 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।[69] एक और वर्तमान पेपर-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक डिज़ाइन ने एक सेंसर का उपयोग किया, जिसमें फ्लोरोसेंटली लेबल वाले एकल-फंसे डीएनए (एसएसडीएनए) सम्मिलित हैं, जो इसकी सतह पर ग्राफीन ऑक्साइड के साथ मिलकर खाद्य उत्पादों में भारी धातुओं और एंटीबायोटिक दवाओं का पता लगाते हैं।[70] भारी धातुओं ने प्रतिदीप्ति तीव्रता में वृद्धि की, जबकि एंटीबायोटिक दवाओं ने प्रतिदीप्ति तीव्रता में कमी की[70] वर्तमान में, पानी में प्रतिक्रियाशील फॉस्फेट के निर्धारण के लिए सस्ती, डिस्पोजेबल और सुविधाजनक विश्लेषणात्मक उपकरण बनाने के लिए पेपर आधारित उपकरण बहुत आकर्षक हो गए हैं। ये उपकरण फॉस्फेट का पता लगाने के लिए मोलिब्डेनम नीला प्रोटोकॉल का उपयोग करते हैं।[51]

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