There is an urgent need for convenient and reliable diagnostic tools to improve public health in developing countries. Although corresponding treatments are available, many diseases, especially infectious diseases, are causing enormous burdens of mortality and disability. Diagnostic tools, if well developed to allow non-professional individuals to perform the early-stage tests easily and obtain reliable results (namely point of care—POC), could significantly increase the survival rate of patients, and help to distribute the limited medical resources more efficiently by minimizing overtreatment and mistreatment. The medical system in developed countries may also benefit from such POC diagnostic tools, to relieve the pressure that hospitals and clinics are confronting.

Microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) have emerged in 2008 as a promising platform technology featuring low-cost fabrication, ease of operation, pump-free liquid delivery, and environmental friendliness. In this research, I develop µPADs with superior sensing performance and convenient operations. I first review the progress of µPAD development in the past few years, and summarize the research directions to improve sensing performance and to make the µPADs more convenient. I also analyze the key considerations in designing µPADs to go through patient sample trials, and envision that µPADs may play roles other than diagnostic tools in modern healthcare systems.

In the first branch of µPAD development in this research, I improve the sensing performance of µPADs by introducing zinc oxide nanowires (ZnO NWs). To obtain ZnO NWs with superior morphology and high growth efficiency, I tune the critical growth conditions including temperature, assistant chemicals, and seeding layer. I experimentally confirm the necessity of ammonium hydroxide as an assistant chemical in the growth solution, and achieve a condition that generates the highest weight growth percentage of 40% in the tested range.

The on-site growth of ZnO NWs is then applied on carbon-coated paper electrode. By combining the ZnO-NW-decorated paper electrode with enzymatic sensing mechanism, I develop the electrochemical μPAD (EμPAD) for glucose detection. The highest sensitivity achieved is 8.24 μA mM⁻¹ cm⁻², with a corresponding limit of detection (LOD) of 59.5 μM. By choosing the right combination of design parameters, I construct an EμPAD that covers the range of clinically relevant glucose concentrations (0−15 mM) and fully calibrate the device using spiked phosphate buffered saline (PBS) and human serum.

By combining the ZnO-NW-decorated paper electrode with electrochemical impedance spectroscopy (EIS) sensing mechanism, I develop the origami μPADs for ultrasensitive, label-free immunoassays. The calibration of the device reveals an ultralow LOD of 60 fg mL⁻¹ (>100 times lower than those of existing µPADs) for rabbit immunoglobulin G in PBS. I also demonstrate the detection of human immunodeficiency virus p24 antigen in human serum with a low LOD of 300 fg mL⁻¹ (>33 times lower than that of a commercial p24 test kit). The origami µPAD design offers ultrahigh sensitivity, short assay time, and ease of operation, and thus possesses significant potential for low-cost, rapid molecular diagnoses of early-stage diseases.

In the other branch of µPAD development, I design a magnetic paper valve that has the timing function to turn on or off the liquid flow on µPADs, to simplify the operations of prevalent multistep diagnostic tests. The timing capability of these valves is realized using a paper timing channel with an ionic resistor, which can detect the event of a solution flowing through the resistor and trigger an electromagnet (through a simple circuit) to open or close a paper cantilever valve. Based on this principle, I develop normally-open and normally-closed valves with a timing period up to 30.3 ± 2.1 minutes. Using the normally-open valve, I perform an enzyme-based colorimetric reaction which requires a timed delivery of enzyme substrate to a reaction zone.

The presented research, focused on the two important aspects of µPADs (sensing performance and operation convenience), contributes to developing the µPADs that have not only superior sensing performance for meaningful test results, but also convenient and potentially automatic operation mechanisms. Such features are highly desirable in real-world diagnostic applications.

Il y a un besoin urgent des outils de diagnostic rapides et fiables pour améliorer la santé publique dans les pays en développement. Bien que les traitements correspondants soient disponibles, de nombreuses maladies, notamment les maladies infectieuses, provoquent d'énormes fardeaux de mortalité et d'invalidité. Des outils de diagnostic, si bien développés pour permettre aux individuels non-professionnels d’effectuer les tests à un stade précoce facilement et d'obtenir des résultats fiables (à savoir point de service—PDS), peuvent augmenter significativement le taux de survie des patients, et aider à distribuer les ressources médicales limitées de manière plus efficace en minimisant surtraitement et de mauvais traitements. Le system medical dans les pays développés peuvent, leur aussi se bénéficier des outils de diagnostic PDS, pour soulager la pression que les hôpitaux et les cliniques sont confrontés.

Des instruments d’analyse microfluidique à base de papier (à savoir µPADs en Anglais) ont vu le jour en 2008 comme une plate-forme technologique prometteuse en représentant la fabrication à bas coûts, la facilité d'utilisation, la distribution de liquide sans pompe, et le respect de l'environnement. Dans cette recherche, je développe μPADs avec de performance supérieure de détection et les opérations pratiques. J’éxamine d'abord le progrès du développement des μPAD au cours de ces dernières années, et résume les directions de la recherche pour améliorer le performance de detection et pour mettre des μPAD plus pratiques. J’analyse de plus les principales considerations lors de la conception des µPADs pour passer par la phase d’essai des échantillons des patients, et j’envisage que µPADs peuvent prendre des positions autres que les outils de diagnostic dans le system de santé modern.

Dans la première branche du développement μPAD dans cette recherche, j'améliorer les performances de détection de μPADs en introduisant des nanofils d'oxyde de zinc (ZnO NFs). Pour obtenir ZnO NFs avec une morphologie supérieure et une efficacité à forte croissance, je régle les paramètres critiques de la croissance, dont la température, des produits chimiques assistants, et la couche d'ensemencement. Je confirme par expérimentation la nécessité de l'hydroxyde d'ammonium comme produit chimique assistant dans la solution de croissance, et réalise une condition qui génère le pourcentage de la croissance de poids le plus élevé de 40% dans la gamme testée.

Cette croissance sur place de ZnO NFs est ensuite appliquée sur l'électrode de papier carbone. En combinant l'électrode de papier ZnO-NF-décoré avec le mécanisme de détection enzymatique, je développe la μPAD électrochimique (EμPAD) pour la détection du glucose. La sensibilité la plus élevée obtenue est 8.24 μA mM⁻¹ cm⁻², avec une limite de détection (LD) de 59.5 μM. En choisissant la bonne combinaison de paramètres de conception, je construis un EμPAD qui couvre la fourchette des concentrations de glucose d’un point de vue clinique (0–15 mM) et entièrement calibre l'appareil en utilisant du tampon phosphate salin (TPS) et du sérum humain.

En combinant l'électrode de papier ZnO-NF-décoré avec spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) mécanisme de détection, je développe les μPADs d'origami pour immunoessais ultrasensibles et sans marqueur. La calibration de l'appareil révèle une ultra-faible LD de 60 fg mL⁻¹ (>100 fois inférieurs à ceux des μPADs existants) pour immunoglobuline G de lapin dans TPS. Je montre aussi la détection de l'antigène p24 du virus de l'immunodéficience humaine dans le sérum humain avec une faible LD de 300 fg mL⁻¹ (>33 fois inférieure à celle d’un kit de test p24 commercial). La conception de l'origami μPAD offre une sensibilité ultra haut, des essais courts, et une facilité d'utilisation, et ce qui possède donc un potentiel important pour les diagnostics moléculaires rapides et avec faible coût, dans les processus de la detection des maladies à un stade précoce.

Dans l'autre branche du développement de μPAD, je conçois une soupape en papier magnétique avec la fonction de chronométrage pour activer ou désactiver le flux de liquide sur μPADs, pour simplifier les opérations de tests de diagnostic multi-étapes courants. La capacité de chronométrage de ces soupapes est réalisée par un canal de chronométrage en papier avec une résistance ionique, ce qui permet de détecter l'événement d'une solution circulant à travers la résistance et de déclencher un électro-aimant (à travers un circuit simple) pour ouvrir ou fermer une soupape en papier. Sur la base de ce principe, je développe des soupapes normalement ouvertes et normalement fermées avec une période de chronométrage jusqu'à 30,3 ± 2,1 minutes. En utilisant la soupape normalement ouverte, j'effectue une réaction colorimétrique à base d'enzymes qui nécessite une fourniture temporisée de substrat d'enzyme dans une zone de réaction.

La recherche présentée, en mettant l'accent sur les deux aspects importants de μPADs (performances de détection et commodité de opération), contribue à développer les μPADs qui ont non seulement la performance de détection supérieure pour les résultats des tests significatifs, mais aussi des mécanismes pratiques et potentiellement automatiques. De telles caractéristiques sont très souhaitables dans des applications diagnostiques du monde réel.