检测试纸多孔介质内复杂流动输运机理及调控研究

Paper is a porous medium composed of cellulosic fibers with random distribution. The porous structure of paper allows spontaneous liquid imbibition within it without needing an additional pump. With this major advantage, paper has found widespread applications in diagnosis and monitoring of diseases, environment pollution, food safety, etc. Complex transport behaviors such as convection, diffusion, reaction, and nanoparticles deposition are involved in paper-based detection, e.g., Lateral Flow Assay (LFA). Nowadays, research activities in this field are mainly focused on performance optimization by heavily using empirical and trial-and-error methods. The study on flow transport in paper-based detection device is in its infancy. Although there are some studies on capillary wicking in paper-based devices, mass transfer characteristics in paper (especially nanoparticles transport) and underlying mechanism remain elusive. To address this, the present research is focused on: (1) capillary dynamics of droplet penetration and (2) nanoparticles transport and deposition characteristics in paper porous medium; (3) mass transfer in Lateral Flow Assay (device level) and its performance optimization. The main objective of the present study is to discover the complex transport mechanism in paper-based device, which may provide new ideas and new methods to further improve the detection performance of paper-based device.

试纸是由纤维无序排列构成的多孔介质，由于其多孔结构可为液体自发流动提供毛细驱动力的主要优点，近年来被广泛应用于疾病、环境污染和食品安全的快速检测。检测试纸（如侧流试纸）工作中涉及到试纸孔隙内诸如对流、扩散、反应、纳米颗粒迁移和沉积等复杂过程。目前检测试纸相关研究主要集中在通过经验和试探方法对其性能进行优化方面，流动输运机理研究还处于起步阶段，主要局限在毛细流动动力学方面，流动传质研究开展的很少，而且对检测性能至关重要的纳米颗粒输运研究几乎是空白。本项目从多孔介质输运的角度，采用宏观和微观相结合的方法，研究试纸孔隙内液滴毛细流动动力学和纳米颗粒输运机理、以及侧流试纸内的流动传质机理和性能优化调控方法，旨在深入揭示侧流试纸内的复杂流动输运机理，为进一步提升其检测性能提供新思路和新方法。

检测试纸（如侧流试纸）工作过程中涉及到试纸孔隙内生物分子的对流、扩散和结合反应耦合的复杂输运过程。上述输运过程对检测试纸的检测灵敏度、检测时间、特异性和稳定性等主要性能指标都具有重要影响。文献研究主要采用经验和试探方法来设计合优化检测性能，具有盲目性和不可预见性。目前我国试纸检测相关公司和研究人员不少，但大都从事系统整合研究，关键膜材料被国外公司垄断，且产品的稳定性和可靠性不足制约了商业化应用。为此，本项目从多孔介质输运的角度，较为系统地研究了检测试纸内的毛细流动、分子扩散、以及流动输运与反应耦合过程，取得如下重要结果：1）揭示了检测试纸常用NC膜材料中液体毛细流动特性与材料孔隙结构之间关系，提出刻画NC膜孔隙结构的颗粒立方单胞模型，推导得到NC膜渗透率的理论关系式；2）发现试纸表面蒸发会引起内部微弱流动，即使在相对湿度高达95%时蒸发引起的物质扩散速度仍然显著高于纯分子扩散，表面蒸发对检测试纸的影响不可忽略；提出蒸发情况下的试纸内部物质传递的对流扩散模型，并被实验验证，揭示Pelect数是确定蒸发条件下试纸内部分子扩散的关键无量纲量；3）建立侧流试纸内的生物分子对流、扩散、结合反应耦合的数值计算模型，揭示检测试纸中多孔材料反应表面积与流动阻力之间的竞争关系，发现侧流试纸孔径存在最优值；4）建立侧流试纸系统层级多尺度计算模型—宏观流动模型与孔隙尺度反应模型耦合，为从NC膜材料微结构设计到整体检测性能预测铺平了道路。本项目通过机理研究解决检测稳定性和关键膜材料这两大行业挑战，即通过厘清各因素影响机理提高检测稳定性，通过研究NC膜材料内的流动反应输运过程优化其孔隙微结构，为纸基检测关键材料的国产化奠定了理论基础。