Analytical Devices Made Out of Patterned Paper

Andres W. Martinez

Department of Chemistry & BiochemistryCalifornia Polytechnic State University

Microfluidic Paper‐Based Analytical Devices (MicroPADs)

• Millions of people die every year from preventable disease.

• Effective diagnosis of disease is the first step towards an appropriate treatment.

• 1st world diagnostic technologies are not always useful in developing countries.

A Global Problem

ASSURED Diagnostic Tests 

AffordableSensitiveSpecificUser‐friendlyRapid and robustEquipment‐freeDeliverable to end‐users

—World Health Organization

Current Diagnostic Technologies microfluidic devices dipstick assayslateral‐flow assays

(pregnancy test)

MicroPADs

large‐scalemanufacturing

easy to stackand transport

disposable

versatilefunctionality

aldehydes, acids, amines, cations, anions, etc.

1)

3)

4)

Paperlow cost ($0.15/m2

for paper towel),widely available in many types

2)

wicks fluids

5)

6)

Why isn’t everybody making paper-based diagnostic devices?

1 cmurinalysis dipstick lateral-flow immunoassay

(pregnancy test)

Channels in Paper

1 cm

Fabrication by Photolithography

i. apply photoresist

ii. pre‐bakeiii. align under a mask

iv. expose to UV lightv. post‐bake

vi. develop

paper

mask1 cm SU‐8 photoresist

chromatographypaper

oblique view cross‐section

Martinez, A.W. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 1318‐1320

Fabrication by Wax Printing

1 cm

wax hydrophobic barriercross‐section:

Carrilho, E. et al. Anal. Chem. 2009, 81, 7091‐7095

Assays on microPADs: Detection of Glucose and BSA

BSA assayreagents

1 cm

exposed to an artificial urine solution containing

glucose and BSA

glucose assay

reagents

[BSA](μM)

500

50

10

5.0

2.5

0

[glucose] (mM)

75

7.5

1.5

0.75

0.38

0

0.5 cm

Quantitative Paper‐Based Assays

1 cm

Mean: 130.12

Dip device into sample 

Device wicks sample into test zones

Color develops for each assay

Scan or photograph the device

Select test zonesand record mean intensity using Adobe®Photoshop®

Martinez, A.W. et al. Anal. Chem. 2008, 80, 3699‐3707

[Glucose], mM

Known Concentration

Observed Concentration

2.5 2.3 ± 0.5

3.5 3.9 ± 0.7

4.5 4.5 ± 0.7

[BSA], μM

Known Concentration

Observed Concentration

25 27 ± 7

35 36 ± 8

45 44 ± 7

Telemedicine: Quantitative Assays Using a microPAD and a Camera Phone

Three‐Dimensional microPADs

Martinez, A.W. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105, 19606‐19611

0.2 min 2 min 4 min

• 4 samples distributed into 64 detection zones.3‐D μPADs for Sample Distribution

Paper‐Based ELISA

Cheng, C.M. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4771‐4774

Paper‐Based ELISA vs. Bench‐Top ELISA

ConclusionsMicroPADs are a new platform for ASSURED 

diagnostic tests.

MicroPADs:   1. are simple to use2. detect multiple analytes3. are portable4. are inexpensive5. use small volumes of sample

AcknowledgmentsGeorge WhitesidesManish ButteEmanuel CarrilhoChao‐Min ChengAudrey EllerbeeMalancha GuptaNina JainJustin KohMonica Mascareñas

Katherine MiricaZhihong NieScott PhillipsAdam SiegelHayat SindiSam ThomasSarah VellaBen WileyThe Whitesides group

Questions?