与其他医学分析相比，快速怀孕和COVID-19测试有一个巨大的优势:它们非常简单，任何人都可以自己进行测试，几乎在任何地方。这是由于这些微流体方法背后的强大原理，即水溶液在毛细管力的帮助下通过纸试纸条扩散。在这个过程中，抗体捕获目标物质，如病毒颗粒或妊娠激素，并将它们集中在一个期望的位置。然后，染色系统缓慢地使日益集中的目标物质可见为一条条纹。

尽管这个基本原则简单可靠，但对结果的视觉评估可能很难。自COVID-19大流行爆发以来，我们是否真的能看到一条线，还是只是在想象，这个问题可能已经至少一次出现在我们所有人的脑海中。

这正是ETH团队的发明之所在。他们找到了一种直接在试纸内部形成导电电极的方法。当目标物质被捕获时，它会触发一个电子信号。这使得测量速度更快、更灵敏、更准确。

使低成本的造纸技术更好

施志仁(Chih-Jen Shih)和安德鲁·德梅洛(Andrew deMello)有着共同的激情:“我们最大的动力是改进基础的化学和生物实验，以创造新的科学机会。”这正是他们的研究小组现在用快速测试所成功做到的。

研究人员将简单且具有成本效益的基于纸张的微流体技术与电子测量技术的灵敏度和准确性相结合，使许多分析应用受益。从患者能够自己监测血液生物标记物，到实地的土壤、空气和水采样，再到世界偏远地区的疾病检测，只需几分钟的时间——潜在的应用范围几乎涵盖了所有可以在溶液中进行的化学、生物和医学分析。

技能的组合是关键

之前尝试为低成本的纸张化学配备检测电极的努力，一直受到导电材料基本特性的阻碍:原则上，导体几乎不会与水发生相互作用，当涉及到样品和反应混合物在纸条中的流动时，导体会起到屏障的作用。

deMello说，克服这一障碍并将这项技术发展成一种可靠的过程，在世界上欠发达地区也有效，这需要多种技能的结合。对于新的快速测试，ETH的研究人员因此汇集了他们的专业知识。Shih的团队在论文中直接获得了产生电导率的技术诀窍，而deMello的团队将他们关于微流体系统的知识带到桌面上。

激光把纤维素分解成纯碳

这项发明的基础是使用激光将构成纸张中纤维素的糖聚合物转化为石墨烯。这种特殊形式的碳具有导电性，被认为是未来的电子材料。

在激光转化过程中，纤维素分子被分解成碳、氧和氢元素，其过程与家用糖的焦糖化相当。然而，在平底锅中加热糖很长一段时间后，只会留下普通的碳，而不导电，苏黎世联邦理工学院的科学家们能够使用激光将纤维素的碳原子重组成导电石墨烯。

巧妙地调整激光能量会造成不同

然而，仅仅在纤维素纸上生产石墨烯并不能达到这个目的，因为就像几乎所有其他导电材料一样，这种神奇的材料是疏水的:它排斥水，这意味着水不能简单地流过它。然而，通过巧妙地调节激光能量，研究人员可以控制纤维素向石墨烯的分解，这样不仅保留了纤维素的原始孔隙，而且纤维素的单个氧基团在石墨烯区域的表面保持完整。

这些氧基团可以与水分子相互作用，从而确保电极的润湿性，几乎与纸张的其余部分相同。更重要的是，报告分子也可以与这些氧基团化学结合。这样，一旦病毒颗粒与电极上的检测抗体相互作用，就会产生电子信号。

把科学发展成实用的产品

研究人员主要通过两种方式调节激光能量:他们用阻燃剂处理纸张，以防止激光能量完全烧焦甚至燃烧纤维素。此外，他们还降低了激光功率，转而使用多个脉冲，从而减少了纸张单位面积的能量。

然而，Shih和deMello并不满足于科学地证明纸电极的原理。相反，他们的愿望是开发一种可以在实践中使用的产品。为此，他们在实际应用中实施了该原理，并大大简化了分析纸条的生产。目前，用一张A4纸生产176个传感器只需要90分钟，单位成本仅为0.02美元。

跨学科创新的理想环境

对于Shih来说，苏黎世联邦理工学院的环境在这项发明中发挥了决定性的作用:“我们是化学和应用生物科学系的一部分。作为工程师，我们直接受到我们周围正在进行的尖端研究的启发。”

这两位化学工程师将如何将他们的发明推向社会和市场还有待确定。考虑到可能的应用程序范围非常广泛，许可模式可能是有意义的。但在这方面，科学家们也可以依靠苏黎世联邦理工学院的环境。deMello说:“ETH transfer的员工在保护知识产权和谈判许可协议方面有着丰富的经验。”

无论这项发明将如何进入具体产品，底线是世界各地无数人都可能从这项ETH创新中受益。从更有效的医疗疗法到更高效的农业和无缝感染监测，将电极直接嵌入试纸条将纸流体的能力提升到一个新的水平。

作者：Daniel Meierhans，苏黎世联邦理工学院

原文链接：https://phys.org/news/2023-03-accurate-rapid-smart-graphene-paper.html

著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

声明：海森大数据刊发或者转载此文只是出于传递、分享更多信息之目的，并不意味认同其观点或证实其描述。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者与本网联系，我们将及时更正、删除，谢谢。电话：15264513609，邮箱：1027830374@qq.com