종이 기반 미세유체학

Paper-based microfluidics

종이 기반 미세유체학(micro fluidics)은 모세관 작용을 통해 입구에서 다공성 매체를 통해 원하는 배출구 또는 장치의 영역으로 액체를 운반하는 일련의 친수성 셀룰로오스 또는 니트로셀룰로오스 섬유로 구성된 미세유체학 장치다.[1] 이 기술은 많은 감염물질과 화학적 오염물질을 검출할 수 있는 기존의 횡류 테스트를 기반으로 한다. 이것의 가장 큰 장점은 보다 복잡한 미세유체 소자와는 달리 대부분 수동적으로 제어되는 장치라는 점이다. 종이 기반 미세유체 소자 개발은 저렴하고 휴대 가능한 의료 진단 시스템의 필요성을 충족시키기 위해 21세기 초에 시작되었다.

건축

종이 기반 미세유체 장치는 다음과 같은 영역을 특징으로 한다.[2]

  • 흡입구: 액체를 수동으로 분사하는 기질(일반적으로 셀룰로오스)
  • 채널: 장치 전체에 액체를 유도하는 친수성 하위 밀리미터 네트워크.
  • 유량 증폭기: 유속이 제어 가능한 속도의 일정한 상태 흐름을 전달하도록 수정되는 다양한 기하학적 영역의 영역
  • 유량 저항기: 미세유체장치[3] 내 유체의 체류시간을 제어하기 위해 유속 감소에 사용되는 모세관 소자
  • 장벽: 유체가 채널에서 빠져나가지 못하게 하는 소수성 영역.
  • 배출구: 화학적 또는 생화학적 반응이 일어나는 위치.

흐름

종이와 같은 다공성 매체를 통한 유체의 이동은 투과성(지구과학), 기하학 및 증발 효과에 의해 좌우된다. 이러한 요인들로 인해 다공성과 기기 기하학을 제어하여 조정할 수 있는 증발 제한 모세관 침투가 발생한다.[4] 종이는 유체가 주로 핥고 증발하는 다공성 매개체다.[5] 습식 중 모세관 흐름은 주린의 법칙과 하겐-포아세유 방정식에서 도출된 워시번의 방정식으로 근사치를 구할 수 있다.[6] 유체 흐름의 평균 속도는 다음과 같이 일반화된다.

여기서 은(는) 표면 장력, 접촉 각도, 은 점성, L은 액체가 이동한 거리. 보다 광범위한 모델은 종이 고문도,[7] 모공 반지름 및 용지 변형을 설명한다.[8]

일단 매질이 완전히 젖으면 그 후의 흐름은 층류로 되어 다아시의 법칙을 따른다.[9] 유체 흐름의 평균 속도는 다음과 같이 일반화된다.

여기서 은 중간 투과성이고 은 압력 구배다.[10] 층류 흐름의 한 가지 결과는 혼합이 어렵고 다공성 시스템에서 더 느린 확산만을 기반으로 한다는 것이다.[11]

제조업

마이크로 유체 소자는 왁스 인쇄, 잉크젯 인쇄, 포토리스토그래피, 플렉서그래피 인쇄, 플라즈마 처리, 레이저 처리, 에칭(마이크로 패브릭레이션), 스크린 인쇄, 디지털 광 처리(DLP) 3D 프린터, 왁스 스크리닝의 변형 등을 이용해 제조할 수 있다.[12] 각각의 기술은 수동적으로 수용액을 운반하는 친수성 종이에 소수성 물리적 장벽을 만드는 것을 목표로 한다.[13] 그런 다음 생물학적 및 화학적 시약은 시약 용액에 기판을 담그거나 시약을 기판에 국소적으로 얼룩지게 하여 기기를 따라 선택적으로 침전시켜야 한다.[14]

왁스 프린팅

왁스 인쇄는 종이 위에 원하는 디자인으로 왁스를 패턴화하기 위해 간단한 프린터를 사용한다. 그런 다음 왁스를 핫플레이트로 녹여 채널을 만든다.[15] 이 기법은 빠르고 비용이 낮지만 녹인 왁스의 동위원소 때문에 분해능이 상대적으로 낮다.

잉크젯 프린팅

잉크젯 프린팅은 소수성 고분자에 코팅 용지를 넣은 다음, 폴리머를 에칭해 종이를 드러내는 잉크를 선택적으로 배치해야 한다.[16] 이 기법은 고해상도 저비용이지만 한 번에 한 개의 잉크 방울을 넣는 속도에 의해 제한된다.

포토리스토그래피

포토리스토그래픽 기법은 포토마스크를 사용하여 포토레지스트 폴리머를 선택적으로 에칭하는 잉크젯 프린팅과 유사하다.[17] 이 기법은 해상도가 높고 빠르지만 장비와 재료비가 높다.

DLP 인쇄

이 기법은 광커러블 수지 폴리머를 조명에 노출시켜 다공성 종이에 열려 있는 마이크로 채널의 소수성 경계를 형성하는 DLP 인쇄 기법을 활용한다. 특정 용도에서 증발 효과가 우려되는 경우, 채널 상단과 하단에 2개의 추가 경화수지를 사용할 수 있다. 그런 다음 과도한 무경화수지는 에탄올을 사용하여 세척한다.[18] 이 기법은 상대적으로 장비 비용이 낮고 쉽게 구할 수 있는 재료를 활용하기 때문에 관리 시점 진단 기기의 양산 가능성이 높다.

플라즈마 가공

이 기법에서 종이는 우선 AKD나 불소탄 플라즈마 중합화 등의 친수성분을 이용하여 소수성을 띠게 되고, 그 다음 마스크를 쓴 O2 플라스마 에칭으로 종이에 친수성 패턴을 만들어 낸다. 플라즈마 기반 공정의 한 가지 이점은 완전 및 반침습 채널,[19] 온오프 유량 스위치,[20] 유체 흐름 제어 채널과[21] 같은 복잡한 설계와 기능을 비교적 쉽게 통합할 수 있다는 것이다. 그러나 제작비는 다른 제작 방식에 비해 상대적으로 비싸다.

분석적 응용

질량분석법

종이 분무 이온화는 마이크로 페이퍼 기반 분석 소자 μPAD와 질량 분광의 인터페이스로 빠르게 개발되고 있다. 퍼듀의 Graham Cooks 그룹이 처음 설명한 이 기법은 질량 분광기 입구 근처의 삼각형 습지판에 전압을 가하는 것을 포함한다.[22] 정확한 메커니즘은 잘 이해되지 않지만, 높은 유속에서의 멀티콘 스프레이와 용제가 고갈되었을 때 발생하는 단일 콘 스프레이의 두 가지 작동 모드가 발생할 수 있다.[23] 이것은 복잡한 미세유체 조작과 질량 스펙트럼 검출의 결합을 위한 더 큰 노력의 일환이다. 왁스 인쇄 소수성 장벽은 종이 장치 내에서 뚜렷한 흐름 채널을 만드는 일반적인 방법이며, 이를 μPAD-MS로 확장하여 (분석물 스트림의 포커스를 가능하게 함으로써) 이온화 효율을 높이고 삼각형 종이 표면의 왁스 인쇄에 의한 반응 배합이 가능해졌다.[24] 크로마토그래픽 분리는 종이 분무 검출에 앞서 μPAD에서도 입증되었다.[25] 처음에는 약물이나[26] 약물 남용과 같은 작은 분자 검출에 종이 분무 이온화가 적용되었다.[27] 그러나 종이 분무 이온화는 비균등 상호작용을 유지하면서 큰 단백질을 이온화할 수 있다는 사실도 밝혀졌다.[28]

분리 방법

분석 검출기는 단일 종에 대해 실제로 특정한 것은 거의 없다. 따라서 어떤 유형의 분리 단계가 검출 전에 필요한 경우가 많다. 또한 분리를 통해 단일 플랫폼 내에서 복수의 분석물을 검출할 수 있다. 많은 μPAD가 크로마토그래피 용지로 구성되기 때문에 평면 크로마토그래피(TLC)에 기초한 분리는 아마도 구현하기 가장 쉬울 것이다. 일반적으로 분리 채널은 두 개의 소수성 장벽을 왁스로 인쇄하여 정의된다.[29] 색도 측정, 화학적 발광 [31]및 질량 스펙트럼 검출도 종이에 기초한 크로마토그래픽 분리와 함께 사용되었지만 전기화학 검출은 구현의 용이성 때문에 아마도 가장 흔할 것이다.[30] 구현이 용이함에도 불구하고 평면 크로마토그래피는 상대적으로 낮은 플레이트 높이(즉, 분리 효율이 낮음)에 의해 방해받는다. 차크라보티 그룹이 μPAD에서 전기동학적 흐름의 실현 가능성을 입증한 이후,[32] μPAD에 대한 전기적 분리의 적용이 문헌에 여러 번 나타났다. UT-오스틴의 크룩스 그룹은 종이접기 종이 매우 얇은(180μm)에서 발생할 수 있는 높은 전계 강도로 인해 μPAD에 대한 전기소자 분리가 기존 전기소자에 비해 상대적으로 낮은 전압에서 이루어질 수 있음을 성공적으로 입증했다.[33] μPAD에도 보다 간단한 분리 방법을 사용할 수 있는데, 예를 들어 헨리 집단은 혈장 분리막을 이용하여 혈장과 전혈의 분리를 시연했다.[34]

흐름 제어

채널의 유체 흐름을 제어하는 방법은 다양하다. 여기에는 채널 너비와 길이 변경, 용지의 습윤성 변경, 평행 채널을 통해 일부 유체 전환 또는 유체의 점성 변경 등이 포함된다.[35] PAD의 흐름은 용해 가능한 설탕 교량, 코로나 방전 처리로 종이의 코팅을 소수성 상태에서 소수성 상태로 변경하거나 흐름으로 인해 촉발된 팽창성 고분자 사용으로 꺼질 수 있다.[36]

전자적 통합

마이크로유체 플랫폼과 전자부품의 통합은 샘플 준비와 분석에 필요한 모든 필수 단계를 포함하고 자동화하는 장치인 마이크로 토탈 분석 시스템(µTAS)을 생성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.[37] 종이 전자제품은 종이의 표면에 가공할 도체와 같은 기능적 구조에 의존하지만, 종이 기반 미세유체학은 기질 내부에 가공할 채널과 장벽에 의존한다.[37] 이러한 비호환성으로 인해 대부분의 µTAS는 폴리머 기반 채널이 있는 전통적인 마이크로유체 플랫폼을 사용하여 개발되었다.[38] 그러나 2009년에는 스크린 인쇄 전극을 종이 기반 미세유체 소자에 통합해 포도당, 젖산, 요산용 바이오센서를 만들었다.[39] 종이 기반 마이크로유체학을 위한 전자 통합의 이 첫 번째 보고서는 이 재료가 유연성과 저렴한 비용으로 이러한 µTAS의 설계를 개선할 수 있는 방법을 설명했다. 종이 기반 미세유체 장치에 생성된 소수성 채널에 전자 부품을 결합하는 것은 물리적 및 화학적 통합 기법에 기초한다. 이 두 가지 전략은 아래 절에서 논의한다.

물리적 통합

물리적 통합 방법은 일반적인 기술(예: 잉크젯 인쇄, 연필로 종이 인쇄, 스크린 인쇄)을 적용하여 종이에 전도성 트레이스의 네트워크를 만든다.[40] 유망한 물리적 기법은 잉크젯 프린팅으로, 전도성 재료를 종이에 정밀하고 재현 가능한 방식으로 침전시킬 수 있다.[37][40] 고씨 등은 개념 증명서로 홈오피스 프린터와 탄소나노튜브로 만든 잉크, 잡지용지를 이용해 종이 기반 전기칩을 개발했다.[41] 마찬가지로 은 나노입자를 미세유체 채널로 출력해 유체의 순도 변화를 감지해 농도와 혼합비에 대한 정보를 밝혀냈다.[42] 그러나 연구단체들은 잉크를 함유한 이 나노입자가 고르지 않은 건조로 인해 종이에 스스로 응집할 수 있어 불균일한 커버리지와 비선형 반응으로 이어질 수 있다는 사실을 밝혀냈다.[40][43][44] 연필로 종이접기를 하는 기술은 또한 값싸고 흔한 사무용품을 사용하는 종이 기반 미세유체학에서 전기 통합의 좋은 예다. 여기서, 분석가가 연필로 반복해서 스케치함으로써 종이 기반 미세유체 장치에 그래피티 회로가 만들어진다.[45][46][47] 예를 들어, 이 전기적 통합 방법은 완전히 손으로 그린 종이 미세유체학 장치에서 관리 암 검진을 위해 사용되었다.[47] 이 용매 없는 기법은 즉흥적인 종이 기반 µTAS를 만들 수 있게 한다. 그러나 종이에 연필로 쓰는 것도 흑연의 균일하지 않은 침적으로 이어질 수 있어 이러한 손으로 끄는 회로의 성능을 제한할 수 있다.[46] 또 다른 두드러진 물리적 통합 방법은 스크린 인쇄인데, 스텐실로 막히지 않는 종이 기반 미세유체 채널의 영역으로 잉크가 전달된다. Dungchai 등. 작업용 및 카운터 전극용 스크린 인쇄 탄소 잉크와 마이크로 유체 채널 끝의 기준 전극으로 은/은 염화 잉크.[39] 종이 기반 미세유체 장치에 스크린 인쇄된 전극은 대사물용 바이오센서 개발뿐만 아니라 [39][48][49]식품과 물 속 박테리아와[50] 중금속을[51] 검출하는 데도 사용되어 왔다. 다른 물리적 통합 방법(스프레이/스핀 코팅, 블렌딩, 진공 여과)은 종이 전자기에 대해 개발되었지만,[40] 종이 기반 미세 유체 장치에서는 아직 구현되지 않았다. 한 가지 더 흥미로운 물리적 통합 방법은 종이 기반 장치와 휴대용 라이트 박스를 결합하여 균일하고 반복 가능한 조명 환경을 만드는 것이다. 라이트 박스는 휴대폰으로 수동 또는 원격으로 제어할 수 있다.[52][53]

화학적 통합

화학적 통합은 종이 장치를 기능화하고 전기 나노 구조를 만들기 위해 반응을 이용한다.[40] 화학적 통합 기법은 두 가지 그룹으로 분류될 수 있다: 상황 씨앗 성장과 중합. 현장에서 종자 증식(즉, 상호 연결된 나노입자 층을 키우는 것)은 분석가가 그 구조와 크기를 제어할 수 있기 때문에 종이 미세유체 장치에 전극을 생성하는 데 효과적인 방법이다.[40] 현장에서 금과[54][55][56] 은[57][58][59] 나노입자의 성장은 신호 증폭과 전도성으로 인해 종이 미세유체 장치에 전기 구성요소를 화학적으로 통합하는 가장 보편적인 방법이다. 금속 종자 용액은 금속 염의 감소 반응과 보로하이드화나트륨, 트리소듐 구연산, 아스코르브산 및/또는 히드록실아민 염산염과 같은 환원제 조합을 통해 제조된다.[40] 그런 다음, 환원제에 적신 종이의 친수성 부위에 종자용액을 분산시켜 미세유체 장치의 섬유에 박혀 나노입자를 배양한다.[40][56] 나노 입자가 커지면 그 장치를 건조하고 특징 지을 수 있다. 현장에서의 씨앗 성장의 약속은 나노입자가 플랫폼에 균일하게 박혀 있고 내장된 금속 나노입자도 미세유체 플랫폼의 민감도를 높이기 위해 대체재와 함께 더욱 기능화할 수 있다는 것이다.[60] 예를 들어 종이 기반 미세유체 소자는 납 특이 DNA자임으로 팔라듐/금 나노입자를 기능화하여 납의 색도 및 전기 화학 발광 감지를 모두 위해 개발되었다.[56] 이와는 대조적으로 중합은 에너지 밀도와 전기적 안정성이 높은 전도성 중합체를 종이 장치의 섬유에 내장시킨다.[40] 이 기술은 종이 전자제품 개발에 사용되어 왔지만,[40] 종이 기반 미세유체학에서의 채택은 실제 종자 성장보다 더 느렸다. 한 연구 그룹은 p-toluenesulfonic acid 도핑된 polypyrrole(즉, 폴리머)을 그들의 종이 기반 미세유체 장치의 채널에 주입하여 채널이 소금 용액으로 채워졌을 때 스스로 작동하는 종이 회로 보드를 개발했다.[61] 이러한 중합 기법 때문에 종이 미세유체 소자는 종이접기를 이용하여 접을 수 있어 수평과 수직 전기도 모두 가능하다.[61]

적용들

종이에 기반한 미세유체 소자가 기존의 미세유체 소자에 비해 갖는 주된 장점은 실험실이 아닌 현장에서의 사용 가능성이다.[62][63] 여과지는 시료에서 오염물질을 제거하고 마이크로 채널로 이동하는 것을 막을 수 있기 때문에 현장 설정에서 유리하다. 이것은 입자가 야외에서 사용될 때 종이 기반 검사의 정확성을 억제하지 않는다는 것을 의미한다.[63] 종이 기반 미세유체 소자 역시 최대 75mm 길이의 유리 슬라이드를 사용하는 드롭렛 기반 미세유체 소자 등 다른 미세유체 플랫폼에 비해 크기가 작다([66][67]길이와 폭은 약 몇 mm~2 cm).[63][64][65] 크기가 작고 상대적으로 내구성이 강한 소재 때문에 종이 기반 미세유체 소자는 휴대할 수 있다.[62][63] 종이 기반 장치도 비교적 저렴하다. 여과지는 매우 싸고 PDMS, 왁스 등 마이크로 채널 제작에 사용되는 패터닝제 대부분이 그렇다. 주요 논문 기반 제작 방식도 대부분 고가의 실험실 장비가 필요하지 않다.[62] 종이 기반 미세유체학의 이러한 특성으로 인해 특히 고급 의료 진단 도구가 부족한 국가에서는 관리 시점 시험에 이상적이다.[63] 종이 기반 미세유체학도 환경 및 식품 안전 검사를 수행하는 데 사용되어 왔다.[68][69][70][71] 이 기술의 적용에 있어서의 주요 쟁점은 흐름 제어 기법, 정확도, 정밀도에 대한 연구 부족, 현장에서의 보다 단순한 운용자 절차의 필요성, 글로벌 시장의 볼륨 요건을 충족시키기 위한 생산 규모화 등이다.[36] 기존 실리콘 기반 제조채널을 활용해 LOC 기술을 보다 효율적이고 경제적으로 상용화하는 데 업계에 집중한 영향이 크다.[72]

진단용 종이 기반 마이크로유체학

종이 기반 미세유체학(μPAD)의 원래 목표는 의료진이나 기타 자원 제한 지역 및 농촌 지역의 자격을 갖춘 전문의의 도움 없이 작동할 수 있는 저렴하고 사용자 친화적인 POC(Point-of-Care) 기기를 만드는 것이었다.[73] 이 목표를 달성하기 위해 μPAD는 세계보건기구(WHO)[73][74][75]가 제공하는 "부적용, 민감, 특수, 사용자 친화, 신속 및 견고, 장비 없는, 전달" 기준에 적합해야 한다. 다만, POC의 공식 '진단시험 선정 지원 지침'에는 이러한 기준이 일반적이며 시험 적용에 따라 수정할 수 있다고 명시되어 있다.[74] 종이 기반 미세유체 진단에서 가장 큰 문제는 이 분야의 연구가 사용자 수용도 향상보다는 새로운 개념과 아이디어를 제공하는 데 중점을 두고 있으며, 그 결과 대부분의 μPAD 장치는 여전히 비전문가 사용자에 의해 해석될 수 없다는 것이다.[76] 그러나 POC가 종이 기반 마이크로유체학만을 진단에 적용하는 것은 아니다. 최근, 진단에도 사용되는 LOC(Lab-on-a-chip) 장치라고 불리는 좀 더 복잡한 미세유체 분석 장치의 생산에 논문이 채택되었다. PDMS(Polydimethylsiloxane)와 유리 대신 종이를 사용하여 LOC 기기를 만들면 비용과 크기를 줄이면서 휴대성을 높일 수 있다. 이를 통해 LOC 기기는 자원 제한 조건에서 더욱 쉽게 접근할 수 있다.[77]

혈액 그룹에 종이 미세유체학 사용

최근 종이 미세유체학이 수많은 면역학적 시험의 제작에 이용되었다. 칸 외 연구진은 2010년 특정 항원 상호작용에 의해 촉발된 적혈구 응고 작용이 혈액 핥기 및 종이나 크로마토그래픽 매체로 운반하는 혈액을 급격히 감소시킨다는 원리에 근거해 혈액형 장치를 조사했다.[78] 이 컨셉은 3개의 연장 채널이 있는 중앙 구역에 모양의 여과지로 만든 종이 기반의 미세 유체 소자 프로토타입으로 전시되었다. 각 채널은 서로 다른 항체 용액(Epiclone Anti-A, Anti-B, Anti-D)으로 처리된다.[78] μPAD는 자원단축조건에서 사용하기 위해 의도적으로 만들어졌기 때문에, 비예쁜 사람의 혈액이나 소변과 같은 실제 샘플을 분석할 수 있는 능력을 제공하는 것이 매우 중요하다.[79] 이 장치는 전혈 시료를 분석하기 위해 제작되었으며, 이는 종이 기반 미세유체 진단에 대한 사용자 수용도를 높이기 위한 중요한 단계다. 종이에 적힌 혈액이나 항체 혼합물의 핥기 행동을 바탕으로 분석한 것이다. 혈액샘플과 각 혈액군별로 특정한 면역글로불린 M 항체를 혼합하면 해당 RBC 항원에 대한 흡착 시 폴리머 브리징으로 적혈구(RBC)가 응고되고 기기의 특정 채널에서 샘플의 크로마토그래픽 분리가 발생한다. 동시에 비특정 항체에 적신 손에서는 분리가 일어나지 않고 균일하고 안정적인 용액으로 혈액 샘플이 약해진다. 용액 운반과 채널 외관의 분명한 차이로부터 혈액형 결정에 대한 분리 효과를 확인할 수 있다.[80][62][78]

Noiphung(알. 2014년에 서류를 바탕으로 미세 유체학 혈액 타자를 쳐 항체 적혈구 응집 반응을 일으킬 사용하여 그룹 피 그룹에 대한는 아르 에이치의 동기 performation고 전진해서, ABO식 혈액형이 동일한 장치로 그룹화를 사용할 수 있는 새 종이를 기반으로 분석 장치(패드)을 디자인한 접근 방식다.[81] 전방 그룹화는 환자 적혈구를 Anti-A 및 Anti-B 시약과 혼합하는 혈액형 입력 절차다. 반면 역타입은 환자 혈청을 시약 A세포와 시약 B세포와 섞는 혈액형 입력 절차다. 결과는 정반대여야 한다.[82] 설계기기는 1.5 mL Anti-A, Anti-B, Anti-D 항체용액이 각각 검출된 3개의 채널이 크로마토그래피 용지로 만든 전방(F)면과 혈액 분리막으로 만들어져 A형 및 B형 항체용 채널에 연결된 후진(R)면이 있다. PAD는 Whatman 크로마토그래피 종이와 혈액 분리막에 합류하기 위해 왁스 디핑 기술을 조합하여 제작되었다. 이 장치에는 전방 그룹화를 위한 3개의 왁스 인쇄 채널이 포함되었고, 이 중 2개는 역 그룹화에도 적용되었다. R측에서 전혈 검체 분석을 할 수 있었지만, 노이펑의 연구팀은 전혈 검체가 너무 점성이 강해서 기기의 종이쪽에는 직접 바를 수 없다는 것을 발견했다. 실험 중, 최적의 혈액-물 희석비율은 1:2로 결정되었다. 혈액형은 적혈구(RBC)와 혈장 이송거리의 비율을 측정해 실행했다. 혈액형에서 제안된 PAD의 정확도는 A, B, AB, O, Rh+ 혈액형의 경우 각각 92%, 85%, 89%, 93%, 96%로 나타났다.[81][80][78]

포도당 검출

종이 기반의 미세유체 장치는 다양한 의료 질환을 감시하도록 설계되었다. 포도당은 당뇨병과 암에 중요한 역할을 하며,[83] 종이에 기초한 미세유체장치에서 포도당과 자주 요오드화칼륨의 반응을 일으키는 포도당 산화효소, 과산화수소, 고추냉이 과산화효소를 포함하는 촉매 순환을 통해 검출할 수 있다.[83] 이것은 색도 검출의 예다. 하버드 대학의 조지 화이트사이즈 그룹이 개발한 최초의 종이 기반 미세유체 소자는 색 변화 반응(포도당의 경우 요오드칼륨 반응, 단백질 BSA의 경우 테트라브로모페놀 블루 반응)을 통해 포도당은 물론 단백질을 동시에 검출할 수 있었다.[63] 종이 기기의 하단을 인랩에서 준비한 시료용액에 삽입하여 색의 변화량을 관찰한다.[63] 보다 최근에는 혈장 내 포도당을 정량화하기 위해 색도검출을 이용한 종이 기반의 미세유체 장치가 개발되었다. 혈장은 밀랍인쇄기기의 전혈 검체에서 분리되는데, 적혈구는 항체에 의해 응고되며 혈장은 색변화 반응을 위해 두 번째 구획으로 흐를 수 있다.[64] 이 장치들에도 전기화학적 검출이[84] 사용되어 왔다. 색도 검출은 주로 정성 평가에 사용되는 반면, 정량화에서 더 높은 민감도를 제공한다.[62][83] 스크린 인쇄 전극과[85] 필터 용지에[86] 직접 인쇄된 전극이 사용됐다. 전기화학적 탐지를 활용한 종이 기반 미세유체 소자의 한 예로는 혈장을 전혈에서 분리하는 아령 모양이 있다.[86] 앞서 언급한 촉매 사이클에서 생성된 과산화수소에서 나오는 전류를 측정하여 포도당 농도로 변환한다.[86]

포도당 검출용 3D 장치

화이트사이즈 그룹은 유체 흐름 설계가 개선되어 온칩에서 보정 곡선을 생성할 수 있는 3D 종이 기반 글루코스 검출용 마이크로 유체 소자도 개발했다.[87] 이 3D 기기는 미세유체 채널로 무늬를 새긴 종이 층으로, 구멍이 뚫린 양면 접착테이프 층으로 연결돼 있다. 테이프의 구멍은 종이 층을 교대로 배치한 채널들 사이의 흐름을 허용하기 때문에 이 장치는 보다 복잡한 흐름 경로를 허용하고 종이의 마지막 층에서 다량의 검출 구역(최대 1,000개)에서 다수의 검체를 검출할 수 있다.[87] 보다 최근에는 종이접기를 이용하여 조립한 3D 종이 기반 미세유체 소자가 개발되었다.[88] 화이트사이드의 설계와 달리 이들 기기는 샘플 용액이 장치에 주입되기 전에 여러 층으로 접히는 패턴이 있는 종이 한 층을 활용한다.[88] 이후 기기를 펼 수 있으며, 기기의 각 레이어를 분석하여 복수의 분석물질을 동시에 검출할 수 있다.[88] 이 기기는 여러 겹의 종이를 사용하는 앞에서 설명한 기기보다 조작이 간단하고 비용이 적게 든다.[87][88] 서로 다른 층의 채널 간 혼합은 어느 장치에서도 문제가 되지 않았으므로 두 장치 모두 여러 표본에서 포도당과 BSA를 동시에 정량화하는 데 성공했다.[87][88]

환경 및 식품 안전 시험

종이 기반 미세유체 기기는 의료 분야 외부에 여러 가지 용도가 있다. 예를 들어, 종이 기반 미세유체학은 환경 모니터링에 광범위하게 사용되어 왔다.[68][69][70][71] 살모넬라균과[69] 대장균을[68] 검출하기 위해 최근 두 개의 장치가 개발되었다. 후자의 장치는 아리조나주 투손에서 채취한 7개의 밭물 샘플에서 대장균을 검출하는 데 특별히 사용되었다.[68] 항체결합 폴리스티렌 입자는 검체 흡입구 후 미세유체 채널의 중간에 적재되었다. 면역응고제는 살모넬라균이나 대장균을 각각 함유한 샘플이 이들 입자와 접촉할 때 발생한다.[68][69] 면역글루팅의 양은 주변 조명 아래에서 특수 스마트폰 애플리케이션으로 검출된 빛의 산란 증가와 상관관계가 있을 수 있다.[68][69] 사과주스나 우유와 같은 식품에서 농약을 검출하기 위해 종이 기반의 미세유체학도 사용되었다.[70] 최근의 디자인은 피에조잉크젯 프린팅을 사용하여 종이를 아세틸콜린세테라아제(ACHE) 효소와 기질인도페닐아세트산염(IPA)으로 각인시켰고, 이 종이 기반 미세유체소자는 청퍼플 색상의 감소를 통해 유기인산염 농약(ACHE 억제제)을 검출하는 데 사용되었다.[70] 이 기기는 사전 저장된 시약이 있는 칸막이 대신 생체 활성 용지를 사용해 구별되며, 장기 안정성이 우수해 현장 사용에도 이상적이라는 것이 입증됐다.[70] 보다 최근의 종이 기반 미세유체 설계에서는 그래핀 산화물(graphene oxide)과 결합된 형광 라벨 단일 가닥 DNA(ssDNA)로 구성된 센서를 표면에 활용, 식품 내 중금속과 항생제를 동시에 검출했다.[71] 중금속이 형광 강도를 높인 반면 항생제는 형광 강도를 낮췄다.[71] 최근, 종이 기반 장치들은 물에서 반응하는 인산염을 결정하기 위한 값싸고, 일회용이고, 편리한 분석 장치를 만드는 데 매우 매력적이 되었다. 이 장치들은 인산염 검출에 몰리브덴 블루 프로토콜을 이용한다.[52]

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