与其他医学分析相比，快速妊娠和检测具有很大优势：它们非常简单，任何人几乎可以在任何地方自行进行检测。这是由于这些微流体方法背后的稳健原理，即水溶液借助毛细管力扩散通过纸试纸条。在此过程中，抗体捕获目标物质，例如病毒颗粒或妊娠激素，并将它们集中在所需位置。然后染色系统慢慢地使越来越集中的目标物质以条纹的形式可见。
尽管这个基本原理简单可靠，但很难对结果进行目视评估。自COVID-19大流行爆发以来，我们是否真的能看到一条线，或者我们是否只是想象它，这个问题可能至少一次出现在我们所有人的脑海中。
这正是ETH团队发明的用武之地。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，它会触发电子信号。这使得测量更快、更灵敏和更准确。
使低成本造纸技术更好
Chih-JenShih和AndrewdeMello有着共同的热情：“我们最大的动力是以创造新的科学机会的方式改进基础化学和生物实验。”这正是他们的研究小组现在通过快速测试成功做到的。
许多分析应用受益于研究人员将简单且具有成本效益的纸基微流体与电子测量技术的灵敏度和准确性相结合。从能够自行监测血液生物标志物的患者，到现场的土壤、空气和水采样，再到世界偏远地区几分钟内的疾病检测——潜在的应用范围几乎涵盖所有化学、生物和医学分析可以在水溶液中进行。
技能组合是关键
以前尝试为低成本化学纸配备检测电极，但受到导电材料的基本特性的阻碍：原则上，电导体几乎不与水相互作用，并且当涉及到样品和反应混合物在纸条。
deMello说，克服这一障碍并将这项技术发展成一种可靠的工艺，这种工艺也适用于世界欠发达地区，这需要多种技能的结合。因此，对于新的快速测试，ETH研究人员汇集了他们的专业知识。Shih的团队在论文中直接提供了产生电导率的专业知识，而deMello的团队则将他们的微流体系统知识带到了桌面上。
激光将纤维素分解成纯碳
本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，这一过程类似于家用糖的焦糖化。然而，虽然在平底锅中长时间加热糖只会留下不导电的普通碳，但苏黎世联邦理工学院的科学家们能够利用激光将纤维素的碳原子重组为导电石墨烯。
激光能量的巧妙调整带来不同
然而，仅在纤维素纸中生产石墨烯并不能解决问题，因为与几乎所有其他导电材料一样，这种神奇的材料是疏水性的：它排斥水，这意味着水不能简单地流过它。然而，通过巧妙地调整激光能量，研究人员可以控制纤维素分解成石墨烯，这样不仅可以保留纤维素的原始孔隙率，而且纤维素的各个氧基团在石墨烯区域的表面上保持完整。
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，实际上与纸的其余部分相当。更重要的是，报告分子也可以化学结合到这些氧基团上。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。
将科学发展为实用产品
研究人员以两种主要方式调整激光能量：他们用阻燃剂处理纸张，以防止激光能量完全炭化甚至燃烧纤维素。此外，他们降低了激光功率并改为使用多个脉冲，这样每单位面积进入纸张的能量就会减少。
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。用一张A4纸生产176个传感器仅需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发明中发挥了决定性作用：“我们是化学和应用生物科学系的一部分。作为工程师，我们直接受到周围正在进行的前沿研究的启发。“
这两位化学工程师将如何向社会和市场推广他们的发明还有待确定。考虑到可能的应用范围非常广泛，许可模式可能是有意义的。但在这方面，科学家们也可以依赖苏黎世联邦理工学院的环境。deMello说，“ETHtransfer的人在保护知识产权和谈判许可协议方面拥有丰富的经验。”
不管这项发明将如何应用到具体产品中，最重要的是全世界无数人都可能从这项ETH创新中受益。从更有效的医学治疗到更高效的农业和无缝感染监测——将电极直接嵌入试纸将纸流体的能力提升到一个新的水平。