微流控纸芯片在环境分析检测中的应用

微流控芯片

摘要：近年来，微流控纸芯片由于低成本、便携化、检测快等优点，在需要快速检测的环境分析领域中展现出了巨大的应用前景。该综述从微流控纸芯片在环境分析中的应用角度，总结归纳了微流控纸芯片在环境分析中 的最新研究进展，并展望了其在未来的发展趋势与挑战。该综述包括微流控纸芯片在环境检测中的优势与制 造方 法介绍；电化学法、荧光法、比色法、表面增强拉曼法、集成传感法等基于纸芯片的先进分析方法介绍；根据环境分析目标物种类，如重金属离子、营养盐、农药、微生物、抗生素以及其他污染物等，对纸芯片的最新应用现状进行了举例评述；基于微流控纸芯片的环境分析研究的未来发展趋势和前景展望。通过综述近期相关研究，表明微流控纸芯片从提出至今虽然只有十几年的发展历程，但其在环境分析研究中的发展却十分迅速。微流控纸芯片可以根据不同的环境条件和检测要求灵活选择制作与分析方法，实现最佳的检测效果。但是微流控纸芯片也面临一些挑战，如纸张机械强度不足、流体控制程度不佳等问题。这些问题指出了微流控纸芯片在环境检测领域的发展趋势，相信随着不断深入的研究，纸芯片 将会在未来的环境分析中发挥更大作用。

1990年，由Ｍanz等第一次提出微型全分析系统这一名词后，微型分析平台的相关研究迅速发展。在这其中，微流控技术，又被称为芯片实验室、微流控芯片等，也在迅速崛起。它是对微观尺度流体能进行精准操作和控制的一类技术，其在微米尺度的芯片上，实现了分析处理全过程的高效化、微型化、集成化和便捷化操作 。微流控技术依靠运输便利性、样品及试剂量小、快速分析、能够进行平行处理等独特优势，在医疗领域、生物工程、环境监测等许多领域展现出了巨大的发展潜力。

微流控纸芯片或微流控纸分析装置是基于纸张加工微流体通道的微流控分析设备，同时也是微流控技术研究的前沿领域。微流控纸芯片与传统微流控芯片相比，具有独特优点：（ １） 纸张作为原材料，来源十分广泛。生产微流控芯片传统的制作材料石英、玻璃、硅片和有机聚合物等与纸相比，价格更高，其来源也不如纸张广泛。（２）运输方便，便携性高，可进行实时操作。纸张厚度小，可折叠以方便保存和携带 。（３）无需外加动力源。流体可以通过纸张纤维素的毛细作用流动 ，通过疏水化处理形成一定结构的通道可使流体有序流动。（４）生物兼容性优越。纸张的纤维素可被功能化，其亲水性、吸水性等可被改变 。（５）环境友好度高。纸芯片在使用后可通过点燃等简单方法进行处理，几乎不会对环境造成负担。

微流控纸芯片与环境监测

１．微流控纸芯片在环境检测分析中的意义

现代社会迅速发展带来的环境问题越来越多，对人们的身体健康和生活方式都造成了负面影响。工厂的违规排放、农药的滥用等对河流、湖泊、海洋等水体造成了严重污染。同样地，土壤环境与空气质量也在受到破坏，全球的生态平衡与生态安全在遭受着严重威胁。因此寻找一种低成本、易操作并且能够即时检测的方法进行环境检测显得尤为重要。纸芯片除了能够很好地执行常规环境监测外，还有其他独特优势：制作成本低，可以大量生产，增加监测的频率，使监测结果更加准确；高便携性和运输的便利性能够使监测的范围进 一步扩大，使环境监测覆盖的范围更加广泛；其易上手和易操作可以让更多的人参与到环境监测中，同时也拓宽了监测结果的受众范围；即时检测能够为突发环境事件提供及时准确的反馈，能够使解决方法更加有针对性。因此，纸芯片在环境领域具有重要作用，是对环境进行监测分析的一类强大工具 。

１．２纸芯片的制作方法

制作纸芯片，首先要选对纸张。能够制造纸芯片的纸张要有一定机械承受力，在液体中不会轻易变形；还要有良好的亲水或疏水性，以形成测试区域；另外化学性质要稳定，不与试样发生反应 。目前微流控纸芯片制作的基底材料通常选择吸水性能优异、不易变形且廉价易得的滤纸，其中表面光滑平整、性质均一、流体流速适中且颗粒留存度高的Whatman No.1滤纸是最常用的一 种滤纸。此外，需要根据不同的检测要求选择不同类型的纸张。

纸芯片制作的关键环节是通过构建亲疏水网络从而控制液体流动来制成二维（２Ｄ）纸芯片，还可通过叠加黏合或折纸法制成三维（ ３Ｄ）纸芯片 。依据构建亲疏水通道方法的不同可分为如下几类：通过疏水材料如石蜡、光刻胶、聚氨酯丙烯酸酯等在纸上构成疏水通道；使用聚合物如聚二甲硅氧烷（PDMS） 、聚苯乙烯或聚亚胺酯对纸上孔洞进行堵塞形成物理屏障；通过物理切割直接形成通道。这些方法都有各自的优缺点，制作出的纸芯片也具有不同的特点，因此可以根据对芯片的不同需要选择不同的加工方法进行制作。

１．1 常见制作方法

蜡印法：蜡是用于制作μPADs最常见的材料，其成本低、易获得，化学性质相对不活泼。蜡印法只需将蜡块加热，使蜡融化渗入纸张，通过喷蜡打印机进行打印即可完成，而且通过印刷不同厚度或数量的蜡就能在纸上构造出半封闭和全封闭以及不同尺寸的通道。石蜡打印法是目前最常用的制作方法，可大批量生产对图案分辨率要求不高的纸芯片。

光刻法：光刻法是最早被用来创建疏水屏障的一类方法。光刻胶能够使液体在纸上运动不泄漏，还能形成高分辨率图案，但光刻胶的低柔韧性导至制成的纸芯片易碎 。常用的负光胶 ＳＵ⁃８，可以有效抵挡表面活性剂溶液和有机溶剂，但价格贵且工艺复杂。近期本实验室就采用聚氨酯丙烯酸酯（PUA）这种光敏材料来制造低成本且环境友好的纸芯片，还有利用紫外光降解自组装硅烷化单分子层以得到具有清晰图案且性质稳定的纸芯片。

切割法：切割技术是通过创建物理边界来构成通道或图案，使制造过程更简单，有工艺刀切割和激光切割两种方法。工艺刀切割是在电脑控制下进行制作，依据切割力度和角度的不同进行制作，可在底部加装保护层以避免纸张被刀割破；激光切割无需外加保护层但需要专门的激光切割仪器进行操作，与工艺刀相比操作难度增加，成本提高。Crooks等用激光将设计好的通道切除，形成的中间镂空的夹心型纸芯片会让流体流动速度得到大幅度提升。

等离子体法：等离子体技术是利用等离子体发射设备以还原纸张的局部亲水性，因此经常出现在纸芯片亲水区域的制造环节中。近期，Kao等制造了一种电池供电的便携式微等离子体产生装置，可在一般条件下对疏水区进行化学改性，成为亲水区，摆脱了大型等离子仪器的桎梏，使等离子体装置的便携应用成为可能。

刻蚀法主要有激光刻蚀法、喷墨剂刻蚀法两种。激光刻蚀法利用激光对具有疏水层的纸张进行选择性改变，使其由疏水变为亲水。与激光刻蚀法原理类似，喷墨剂刻蚀法利用的是喷墨剂对疏水纸张进行改性，针对不同物质形成的疏水层可以采用不同的喷墨剂进行刻蚀以形成亲水通道。

2.1其他方法　 　

手工绘图简单方便，使用蜡笔等就可完成无需借助仪器，适合于制造图案简单、对分辨率要求不高且不接触有机溶剂的纸芯片。可以将印刷行业中常见的丝网印刷运用于纸芯片的制造，操作简单，适合于大批量生产分辨率不高的纸芯片；融蜡浸透法既无需借助仪器也不需要化学试剂，但制作出的纸芯片精度较低；柔印法也是一种能快速生产大量纸芯片的方法，但由于要配备专用的柔性版印刷机和该打印机专用的单个印版，其设计灵活性受到了限制。

三维立体纸芯片：随着研究的深入和发展，除了传统的2D横向流纸芯片，能够实现纵横方向上均有通道、可使液体相互交叉不污染的3D纸芯片是一类应用前景广阔、发展潜力巨大的新型纸芯片，其出色的流体分配能力极大地拓展了分析能力，可以实现多目标的同时测定，分析效率得到大幅度提升。3D纸芯片的制作技术有用胶带或喷涂将单独的图案纸层黏合在一起的黏合法，以及将单层的图案纸简单折叠的折纸法 。

环境检测分析中微流控纸芯片的分析方法

环境检测分析中纸芯片的分析方法主要包括电化学法、发光法、比色法以及新兴的表面增强拉曼法(SERS)和集成移动感测平台法等。

1.电化学法　　

电化学法中的电极通常包括工作电极、对电极和参比电极3部分，具有高灵敏度和高选择性，其与纸芯片的兼容性极其优异。在纸芯片上制造电极的方法目前有使用石墨铅笔直接绘制电极或用导电的碳或金属墨水丝网印刷或喷墨印刷电极，也有研究采用掩模引导喷涂电极。具有高导电率、高透明度、高机械强度以及巨大比表面积的石墨烯电极是电极材料的首选，通过涂抹氧化锌纳米颗粒 、铂纳米颗粒等纳米级别的贵金属颗粒，可提高它和生物分子（DNA、蛋白质）的偶联能力，实现对生物分子更高水平的检测。电化学纸芯片可以通过折纸法形成3D结构，为环境监测提供更好的分析平台，近期还有研究将纸芯片与陶瓷或塑料电极组件进行结合，以提高使用次数和延长使用寿命。

2光学分析法

2.1 发光法

发光法有荧光法、化学发光法、电化学发光法3种。荧光法选择性和灵敏度高，检出限低，但其需要借助仪器，也易受到纸张自身荧光剂的干扰；化学发光法和电化学发光法与荧光法相比更加灵敏，无需激发源，所以背景光的信号更低，误差更小。但化学发光法只能通过试剂和待测物的物理混合来控制反应，而电化学发光法则可以通过控制在芯片上的激发时间和位置来实现更好的分析选择性 。

荧光法需要借助荧光仪进行分析，通常是检测待测样品表面结合的荧光团或纸上量子点的荧光猝灭。据本课题组的现有研究表明，水中重金属可通过荧光法在纸芯片上进行检测，现象明显，检测灵敏度高，测试效果良好。除重金属离子之外，也有研究团队开发出了其他污染物包括有毒化合物 、农药、ＤＮＡ等的基于荧光法的纸芯片。

化学发光法的基本原理是通过化学反应在某个时刻的发射光强来分析某一组分的浓度。化学发光法所用的试剂大都价格低廉，但化学发光法的灵敏度很高，因此非常适合进行低成本的高灵敏度测定。通过构建3Ｄ结构还可实现对多种样品进行平行检测。

电化学发光法是由Delaney 等提出的一种将电化学技术与化学发光法相结合的新型方法，通过控制电位可以提高选择性，检测的动态浓度范围也有所扩大，并且兼容适用于化学发光法的所有试剂，是最受欢迎的分析方法之一。

上述研究结果表明，基于发光法的纸芯片在自身优势的基础上，还可以与其他多种技术结合，不仅能够实现检测物种类上更大范围的检测，还在精度和灵敏度上也将会有相当程度的提高。而且发光法的现象明显，能够在结果的表达上进行简化，使检测过程更加简单。

2.2比色法　 　

比色法包括视觉、光度和反射检测3种方法 ，通过显色反应，可以直接用肉眼观察颜色变化，进行半定量分析，还可以采用相机拍照、扫描成像获得图片后利用图像软件进行定量分析，现在更倾向将其和智能设备集成，分析过程得到简化，分析效率提高。比色法与其他方法如电化学法等相比，虽然检测结果会受到环境光线的影响，抗干扰性能有所不足，但是现象明显，有时无需借助专门的仪器通过肉眼就能进行初步分析，而且分析方法也相对简单，且易操作。随着智能设备如智能手机的不断发展，这些成像设备的发展已能够在一定程度上消除光线条件对成像的影响。因此，比色法是一类十分受欢迎且使用范围最广泛的纸芯片分析方法。

环境分析检测中最为典型的有关比色法的应用是对水中的硝酸盐、亚硝酸盐和重金属离子进行检测。基于比色法的纸芯片检测水中重金属离子是一种简单实用的强大工具，能够对铁、汞、铜、铬、铅等多种金属离子进行分析，操作简单方便，成本低廉，现象明显，且灵敏度高。

2.3 表面增强拉曼法

表面增强拉曼是一类分子振动光谱，增强分子的拉曼光谱信号，能够提高检测水平，从而实现更低的检出限。SERS能够进行极低浓度水平上的生化检测，是生物医学和化学分析领域中的重要方法。基于SERS的纸芯片已广泛应用于水质分析等领域，本课题组目前也正对基于SERS的纸芯片进行积极研究，希望开发出更加灵敏、检出限更低的检测方法。

2.4集成移动感测平台　　

随着现代科技的发展，将智能手机与纸芯片结合，构成新的集成移动感测平台，在更高水平上更好地发挥作用，成为一项备受关注的研究课题。将纸芯片与智能手机集成，可对空气颗粒物、食品中的诺氟沙星 、水中的重金属和农药进行检测分析，而且核酸等生物分子以及细菌、病毒等也能采用这种集成平台进行分析，简化了检测过程，降低了生产与检测成本。本课题组设计出一种依据光反射原理进行定量比色测定的便携式纸芯片设备，其体积小、重量轻，操作方便，并且自带读数功能，可以进行即时分析，是一类简单 高效的 检测分析 工具。Chen等设计出的双极电极电化学发光纸芯片，具有电池能量供应和智能手机读数功能。这些设计说明，智能手机与纸芯片结合的集成移动感测平台仍有许多方向值得深入研究，能够在环境监测领域中发挥更大的作用。

论文链接：DOI:10.3724/SP.J.1123.2020.09004

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