張 昱, 齊 驥, 劉 豐, 王 寧, 孫西艷, 崔 榮,于佳洛, 葉嘉明, 劉 萍, 李博偉*, 陳令新*

(1. 煙臺大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院, 山東 煙臺 264003; 2. 中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所,山東省海岸帶環(huán)境過程重點實驗室, 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室, 山東 煙臺 264003;3. 浙江清華長三角研究院分析測試中心, 國家食品安全風(fēng)險評估中心應(yīng)用技術(shù)合作中心, 浙江 嘉興,314006)

1990年,由Manz等[1]第一次提出微型全分析系統(tǒng)(miniaturized total analysis system, μTAS)這一名詞后,微型分析平臺的相關(guān)研究迅速發(fā)展。在這其中,微流控技術(shù),又被稱為芯片實驗室、微流控芯片等,也在迅速崛起。它是對微觀尺度流體能進(jìn)行精準(zhǔn)操作和控制的一類技術(shù),其在微米尺度的芯片上,實現(xiàn)了分析處理全過程的高效化、微型化、集成化和便捷化操作[2-4]。微流控技術(shù)依靠運輸便利性、樣品及試劑量小、快速分析、能夠進(jìn)行平行處理等獨特優(yōu)勢,在醫(yī)療領(lǐng)域、生物工程、環(huán)境監(jiān)測等許多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

微流控紙芯片(microfluidic paper-based chips)或微流控紙分析裝置(microfluidic paper-based analytical devices, μPADs)是基于紙張加工微流體通道的微流控分析設(shè)備,同時也是微流控技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域。微流控紙芯片與傳統(tǒng)微流控芯片相比,具有獨特優(yōu)點:(1)紙張作為原材料，來源十分廣泛。生產(chǎn)微流控芯片傳統(tǒng)的制作材料石英、玻璃、硅片和有機(jī)聚合物等與紙相比,價格更高,其來源也不如紙張廣泛。(2)運輸方便,便攜性高,可進(jìn)行實時操作。紙張厚度小(0.06～1 mm),可折疊以方便保存和攜帶[5]。(3)無需外加動力源。流體可以通過紙張纖維素的毛細(xì)作用流動[6],通過疏水化處理形成一定結(jié)構(gòu)的通道可使流體有序流動。(4)生物兼容性優(yōu)越。紙張的纖維素可被功能化,其親水性、吸水性等可被改變[7]。(5)環(huán)境友好度高。紙芯片在使用后可通過點燃等簡單方法進(jìn)行處理,幾乎不會對環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。

1 微流控紙芯片與環(huán)境監(jiān)測

1.1 微流控紙芯片在環(huán)境檢測分析中的意義

現(xiàn)代社會迅速發(fā)展帶來的環(huán)境問題越來越多,對人們的身體健康和生活方式都造成了負(fù)面影響。工廠的違規(guī)排放、農(nóng)藥的濫用等對河流、湖泊、海洋等水體造成了嚴(yán)重污染。同樣地,土壤環(huán)境與空氣質(zhì)量也在受到破壞,全球的生態(tài)平衡與生態(tài)安全在遭受著嚴(yán)重威脅。因此尋找一種低成本、易操作并且能夠即時檢測的方法進(jìn)行環(huán)境檢測顯得尤為重要。紙芯片除了能夠很好地執(zhí)行常規(guī)環(huán)境監(jiān)測外,還有其他獨特優(yōu)勢:制作成本低,可以大量生產(chǎn),增加監(jiān)測的頻率,使監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確;高便攜性和運輸?shù)谋憷阅軌蚴贡O(jiān)測的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,使環(huán)境監(jiān)測覆蓋的范圍更加廣泛;其易上手和易操作可以讓更多的人參與到環(huán)境監(jiān)測中,同時也拓寬了監(jiān)測結(jié)果的受眾范圍;即時檢測能夠為突發(fā)環(huán)境事件提供及時準(zhǔn)確的反饋,能夠使解決方法更加有針對性。因此,紙芯片在環(huán)境領(lǐng)域具有重要作用,是對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測分析的一類強(qiáng)大工具[8,9]。

1.2 紙芯片的制作方法

制作紙芯片,首先要選對紙張。能夠制造紙芯片的紙張要有一定機(jī)械承受力,在液體中不會輕易變形;還要有良好的親水或疏水性,以形成測試區(qū)域;另外化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定,不與試樣發(fā)生反應(yīng)[10]。目前微流控紙芯片制作的基底材料通常選擇吸水性能優(yōu)異、不易變形且廉價易得的濾紙,其中表面光滑平整、性質(zhì)均一、流體流速適中且顆粒留存度高的Whatman No.1濾紙是最常用的一種濾紙。此外,需要根據(jù)不同的檢測要求選擇不同類型的紙張[11-14]。

紙芯片制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是通過構(gòu)建親疏水網(wǎng)絡(luò)從而控制液體流動來制成二維(2D)紙芯片,還可通過疊加黏合或折紙法制成三維(3D)紙芯片[15,16]。依據(jù)構(gòu)建親疏水通道方法的不同可分為如下幾類:通過疏水材料如石蠟、光刻膠、聚氨酯丙烯酸酯等在紙上構(gòu)成疏水通道(對于有機(jī)溶劑不能采取此方法);使用聚合物如聚二甲硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯或聚亞胺酯對紙上孔洞進(jìn)行堵塞形成物理屏障;通過物理切割直接形成通道。這些方法都有各自的優(yōu)缺點,制作出的紙芯片也具有不同的特點,因此可以根據(jù)對芯片的不同需要選擇不同的加工方法進(jìn)行制作。

1.2.1常見制作方法

蠟印法:蠟是用于制作μPADs最常見的材料,其成本低、易獲得,化學(xué)性質(zhì)相對不活潑。蠟印法只需將蠟塊加熱,使蠟融化滲入紙張,通過噴蠟打印機(jī)進(jìn)行打印即可完成,而且通過印刷不同厚度或數(shù)量的蠟就能在紙上構(gòu)造出半封閉和全封閉以及不同尺寸的通道。石蠟打印法是目前最常用的制作方法,可大批量生產(chǎn)對圖案分辨率要求不高的紙芯片。

光刻法:光刻法是最早被用來創(chuàng)建疏水屏障的一類方法[17]。光刻膠能夠使液體在紙上運動不泄漏,還能形成高分辨率圖案,但光刻膠的低柔韌性導(dǎo)致制成的紙芯片易碎[18]。常用的負(fù)光膠SU-8,可以有效抵擋表面活性劑溶液和有機(jī)溶劑,但價格貴且工藝復(fù)雜。近期本實驗室就采用聚氨酯丙烯酸酯(PUA)[19]這種光敏材料來制造低成本且環(huán)境友好的紙芯片,還有利用紫外光降解自組裝硅烷化單分子層[20]以得到具有清晰圖案且性質(zhì)穩(wěn)定的紙芯片。

切割法:切割技術(shù)是通過創(chuàng)建物理邊界來構(gòu)成通道或圖案,使制造過程更簡單,有工藝刀切割和激光切割兩種方法。工藝刀切割是在電腦控制下進(jìn)行制作,依據(jù)切割力度和角度的不同進(jìn)行制作,可在底部加裝保護(hù)層以避免紙張被刀割破;激光切割無需外加保護(hù)層但需要專門的激光切割儀器進(jìn)行操作,與工藝刀相比操作難度增加,成本提高。Crooks等[21]用激光將設(shè)計好的通道切除,形成的中間鏤空的夾心型紙芯片會讓流體流動速度得到大幅度提升。

等離子體法:等離子體技術(shù)是利用等離子體發(fā)射設(shè)備以還原紙張的局部親水性,因此經(jīng)常出現(xiàn)在紙芯片親水區(qū)域的制造環(huán)節(jié)中[22,23]。近期,Kao等[24]制造了一種電池供電的便攜式微等離子體產(chǎn)生裝置,可在一般條件下對疏水區(qū)進(jìn)行化學(xué)改性,成為親水區(qū),擺脫了大型等離子儀器的桎梏,使等離子體裝置的便攜應(yīng)用成為可能。

刻蝕法主要有激光刻蝕法、噴墨劑刻蝕法兩種。激光刻蝕法利用激光對具有疏水層的紙張進(jìn)行選擇性改變,使其由疏水變?yōu)橛H水[25]。與激光刻蝕法原理類似,噴墨劑刻蝕法利用的是噴墨劑對疏水紙張進(jìn)行改性,針對不同物質(zhì)形成的疏水層可以采用不同的噴墨劑進(jìn)行刻蝕以形成親水通道[26,27]。

一些紙芯片的制造方法示例見圖1。

圖 1 常見的紙芯片制作方法Fig. 1 Common production methods of microfluidic paper-based chipsa. photolithography[19]; b. cutting method[21]; c. plasma method[24]; d. etching method[26].

1.2.2其他方法

手工繪圖簡單方便,使用蠟筆等就可完成無需借助儀器,適合于制造圖案簡單、對分辨率要求不高且不接觸有機(jī)溶劑的紙芯片?？梢詫⒂∷⑿袠I(yè)中常見的絲網(wǎng)印刷運用于紙芯片的制造，操作簡單[28],適合于大批量生產(chǎn)分辨率不高的紙芯片;融蠟浸透法[29]既無需借助儀器也不需要化學(xué)試劑,但制作出的紙芯片精度較低;柔印法[30]也是一種能快速生產(chǎn)大量紙芯片的方法,但由于要配備專用的柔性版印刷機(jī)和該打印機(jī)專用的單個印版,其設(shè)計靈活性受到了限制。

三維立體紙芯片:隨著研究的深入和發(fā)展,除了傳統(tǒng)的2D橫向流紙芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)縱橫方向上均有通道、可使液體相互交叉不污染的3D紙芯片是一類應(yīng)用前景廣闊、發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦图埿酒?其出色的流體分配能力極大地拓展了分析能力,可以實現(xiàn)多目標(biāo)的同時測定,分析效率得到大幅度提升。3D紙芯片的制作技術(shù)有用膠帶或噴涂將單獨的圖案紙層黏合在一起的黏合法,以及將單層的圖案紙簡單折疊的折紙法[31,32]。

2 環(huán)境檢測分析中微流控紙芯片的分析方法

環(huán)境檢測分析中紙芯片的分析方法主要包括電化學(xué)法、發(fā)光法、比色法以及新興的表面增強(qiáng)拉曼法(SERS)和集成移動感測平臺法等。

2.1 電化學(xué)法

電化學(xué)法中的電極通常包括工作電極、對電極和參比電極3部分,具有高靈敏度和高選擇性,其與紙芯片的兼容性極其優(yōu)異。在紙芯片上制造電極的方法目前有使用石墨鉛筆直接繪制電極[33]或用導(dǎo)電的碳或金屬墨水絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷電極[34],也有研究采用掩模引導(dǎo)噴涂電極[35]。具有高導(dǎo)電率、高透明度、高機(jī)械強(qiáng)度以及巨大比表面積的石墨烯電極是電極材料的首選,通過涂抹氧化鋅納米顆粒[36]、鉑納米顆粒[37]等納米級別的貴金屬顆粒,可提高它和生物分子(DNA、蛋白質(zhì))的偶聯(lián)能力,實現(xiàn)對生物分子更高水平的檢測。電化學(xué)紙芯片可以通過折紙法形成3D結(jié)構(gòu)[38],為環(huán)境監(jiān)測提供更好的分析平臺,近期還有研究[39]將紙芯片與陶瓷或塑料電極組件進(jìn)行結(jié)合，以提高使用次數(shù)和延長使用壽命。

2.2 光學(xué)分析法

2.2.1發(fā)光法

發(fā)光法有熒光法、化學(xué)發(fā)光法、電化學(xué)發(fā)光法3種。熒光法選擇性和靈敏度高,檢出限低,但其需要借助儀器,也易受到紙張自身熒光劑的干擾;化學(xué)發(fā)光法和電化學(xué)發(fā)光法與熒光法相比更加靈敏[40],無需激發(fā)源,所以背景光的信號更低,誤差更小。但化學(xué)發(fā)光法只能通過試劑和待測物的物理混合來控制反應(yīng),而電化學(xué)發(fā)光法則可以通過控制在芯片上的激發(fā)時間和位置來實現(xiàn)更好的分析選擇性[41]。

熒光法需要借助熒光儀進(jìn)行分析,通常是檢測待測樣品表面結(jié)合的熒光團(tuán)或紙上量子點的熒光猝滅[42,43]。據(jù)本課題組的現(xiàn)有研究表明[42],水中重金屬可通過熒光法在紙芯片上進(jìn)行檢測,現(xiàn)象明顯,檢測靈敏度高,測試效果良好。除重金屬離子之外,也有研究團(tuán)隊開發(fā)出了其他污染物包括有毒化合物[44]、農(nóng)藥[45]、DNA[46]等的基于熒光法的紙芯片。

化學(xué)發(fā)光法的基本原理是通過化學(xué)反應(yīng)在某個時刻的發(fā)射光強(qiáng)來分析某一組分的濃度?；瘜W(xué)發(fā)光法所用的試劑大都價格低廉,但化學(xué)發(fā)光法的靈敏度很高,因此非常適合進(jìn)行低成本的高靈敏度測定[47-50]。通過構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)對多種樣品進(jìn)行平行檢測[51]。

電化學(xué)發(fā)光法是由Delaney等[52]提出的一種將電化學(xué)技術(shù)與化學(xué)發(fā)光法相結(jié)合的新型方法,通過控制電位可以提高選擇性,檢測的動態(tài)濃度范圍也有所擴(kuò)大,并且兼容適用于化學(xué)發(fā)光法的所有試劑,是最受歡迎的分析方法之一[53-57]。

上述研究結(jié)果表明,基于發(fā)光法的紙芯片在自身優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,還可以與其他多種技術(shù)結(jié)合,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)檢測物種類上更大范圍的檢測,還在精度和靈敏度上也將會有相當(dāng)程度的提高。而且發(fā)光法的現(xiàn)象明顯,能夠在結(jié)果的表達(dá)上進(jìn)行簡化,使檢測過程更加簡單。

2.2.2比色法

比色法包括視覺、光度和反射檢測3種方法[58-60],通過顯色反應(yīng),可以直接用肉眼觀察顏色變化,進(jìn)行半定量分析[61],還可以采用相機(jī)拍照、掃描成像獲得圖片后利用圖像軟件(Photoshop、Image J等)進(jìn)行定量分析,現(xiàn)在更傾向?qū)⑵浜椭悄茉O(shè)備集成,分析過程得到簡化,分析效率提高[62-64]。比色法與其他方法如電化學(xué)法等相比,雖然檢測結(jié)果會受到環(huán)境光線的影響,抗干擾性能有所不足,但是現(xiàn)象明顯,有時無需借助專門的儀器通過肉眼就能進(jìn)行初步分析,而且分析方法也相對簡單,且易操作。隨著智能設(shè)備如智能手機(jī)的不斷發(fā)展,這些成像設(shè)備的發(fā)展已能夠在一定程度上消除光線條件對成像的影響。因此,比色法是一類十分受歡迎且使用范圍最廣泛的紙芯片分析方法。

環(huán)境分析檢測中最為典型的有關(guān)比色法的應(yīng)用是對水中的硝酸鹽、亞硝酸鹽[65,66]和重金屬離子[67-70]進(jìn)行檢測?；诒壬ǖ募埿酒瑱z測水中重金屬離子是一種簡單實用的強(qiáng)大工具,能夠?qū)﹁F、汞、銅、鉻、鉛等多種金屬離子進(jìn)行分析,操作簡單方便,成本低廉,現(xiàn)象明顯,且靈敏度高。

2.2.3表面增強(qiáng)拉曼法

表面增強(qiáng)拉曼是一類分子振動光譜,增強(qiáng)分子的拉曼光譜信號,能夠提高檢測水平,從而實現(xiàn)更低的檢出限。SERS能夠進(jìn)行極低濃度水平上的生化檢測[71],是生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)分析領(lǐng)域中的重要方法?；赟ERS的紙芯片已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)分析[72]等領(lǐng)域,本課題組目前也正對基于SERS的紙芯片進(jìn)行積極研究[73],希望開發(fā)出更加靈敏、檢出限更低的檢測方法。Hariharan小組[74]設(shè)計的基于SERS的微流控紙芯片檢測出了極低濃度的兒茶酚。這一研究表明,基于SERS的紙芯片可與和其他方法聯(lián)用,拓展應(yīng)用范圍。

2.3 集成移動感測平臺

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,將智能手機(jī)與紙芯片結(jié)合,構(gòu)成新的集成移動感測平臺,在更高水平上更好地發(fā)揮作用,成為一項備受關(guān)注的研究課題。將紙芯片與智能手機(jī)集成,可對空氣顆粒物[75]、食品中的諾氟沙星[76]、水中的重金屬[77,78]和農(nóng)藥[79]進(jìn)行檢測分析,而且核酸[80]等生物分子以及細(xì)菌[81]、病毒[82]等也能采用這種集成平臺進(jìn)行分析,簡化了檢測過程,降低了生產(chǎn)與檢測成本。

本課題組[83]設(shè)計出一種依據(jù)光反射原理進(jìn)行定量比色測定的便攜式紙芯片設(shè)備,其體積小、重量輕,操作方便,并且自帶讀數(shù)功能,可以進(jìn)行即時分析,是一類簡單高效的檢測分析工具。Chen等[84]設(shè)計出的雙極電極電化學(xué)發(fā)光紙芯片,具有電池能量供應(yīng)和智能手機(jī)讀數(shù)功能。這些設(shè)計說明，智能手機(jī)與紙芯片結(jié)合的集成移動感測平臺仍有許多方向值得深入研究，能夠在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

3 微流控紙芯片在環(huán)境檢測分析中的應(yīng)用

3.1 重金屬離子檢測

重金屬廣泛分布在生態(tài)環(huán)境中,如在大氣圈、水圈、土壤圈[85]都可以找到重金屬的蹤跡。不僅難以對其進(jìn)行生物降解,而且它能在生態(tài)系統(tǒng)中持續(xù)累積。即使在環(huán)境中含量極少的情況下也會對生物體造成危害,因此重金屬污染一直是大眾關(guān)注的環(huán)境問題。重金屬種類繁多,不同的價態(tài)對環(huán)境造成的影響也有所區(qū)別,所以研發(fā)對重金屬能夠進(jìn)行高靈敏度特異性檢測和即時檢測的方法,始終是重金屬污染研究領(lǐng)域的重點關(guān)注方向。

為了有效避免公司經(jīng)營發(fā)展過程中可能會出現(xiàn)的財務(wù)風(fēng)險問題，應(yīng)該建立完善公司內(nèi)部的財務(wù)風(fēng)險預(yù)警體系。對于財務(wù)風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)的選擇，可以綜合選擇資產(chǎn)負(fù)債率、總資產(chǎn)報酬率、收入利潤率、支出利潤率、資本保值增值率、利潤增長率、經(jīng)濟(jì)利潤率等相應(yīng)的財務(wù)預(yù)警分析指標(biāo)，通過對一系列財務(wù)指標(biāo)的跟蹤監(jiān)測，綜合運用資產(chǎn)狀況分析法、風(fēng)險調(diào)查分析法以及環(huán)境分析法等，及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的財務(wù)風(fēng)險，進(jìn)而有針對性地制定財務(wù)風(fēng)險預(yù)警防范措施，通過風(fēng)險轉(zhuǎn)移、風(fēng)險減輕以及風(fēng)險接受等風(fēng)險應(yīng)對措施，最大程度的防范各類財務(wù)風(fēng)險問題的發(fā)生。

目前已有許多基于比色法的μPADs能夠?qū)Νh(huán)境中的重金屬離子進(jìn)行檢測分析。銅(Cu)作為日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中常用的重金屬,進(jìn)入環(huán)境的方式多種多樣。過量攝入Cu會對人體造成傷害,尤其會引起心臟和腎臟疾病[86],目前采用比色法的紙芯片[87,88]可以檢測到mg/L的Cu2+。鉛(Pb)在環(huán)境中不可降解,相較于對成人的危害,兒童受到的傷害更大,會導(dǎo)致兒童生長發(fā)育緩慢[89],近期有研究[90]采用比色法對Pb進(jìn)行檢測,可以檢測到mg/L的Pb2+。汞(Hg)是劇毒有害金屬,長期接觸會對人類造成運動障礙,罹患冠心病的概率上升[91],現(xiàn)有采用雙層紙芯片結(jié)合未修飾的銀納米顆粒對其進(jìn)行檢測[92],也有利用金納米顆粒結(jié)合表面等離子體激元耦合的比色法,其檢測靈敏度為50 nmol/L[93]。鉻(Cr)也是一種工業(yè)生產(chǎn)中使用范圍較為廣泛的重金屬材料,常見于金屬表面處理、印染等行業(yè)中,可在水環(huán)境中長期存在并積累[94]。Cr在環(huán)境中的穩(wěn)定態(tài)有Cr3+和Cr6+兩種,目前也有基于比色法的紙芯片對河水[95]中的Cr6+進(jìn)行檢測。

除了最常采用的比色法,還可采用電化學(xué)方法,對上述重金屬離子進(jìn)行檢測,能夠檢測到μg/L的重金屬離子檢出限的數(shù)量級可達(dá)[96,97]。目前本課題組[98,99]將熒光法的優(yōu)勢(靈敏度高、檢出限低)與印跡技術(shù)的特長(選擇性優(yōu)異)相結(jié)合,實現(xiàn)了待測物的特異性檢測。采用僅靠重力和毛細(xì)管力驅(qū)動的化學(xué)發(fā)光法[100],對金屬離子進(jìn)行檢測,能夠檢測到mg/L的金屬離子,而且成本更低,操作簡單。

在紙芯片上對多種重金屬進(jìn)行平行檢測也是紙芯片領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容。平行檢測在節(jié)省時間的同時降低了成本,分析效率也得到了顯著提升。Mentele等[101]設(shè)計出一種包含4個檢測區(qū)域的紙芯片,可以同時測量燃燒灰分中Fe、Cu和Ni 3種金屬元素。Devadhasan等[102]提出一種利用3種生色試劑(茚三酮、石蕊和2-硝基苯甲酸試劑)能夠同時檢測Ni2+、Cr6+和Hg2+的紙質(zhì)傳感器,這種紙質(zhì)傳感器能夠同時檢測mg/L的Ni2+、Cr6+和 Hg2+，檢測效率得到了明顯提高。這表明平行檢測的潛力十分巨大,值得進(jìn)一步深入探索。

圖 2 測定重金屬離子的紙芯片F(xiàn)ig. 2 Microfluidic paper-based chips for measuring heavy metal ionsDetermination of (a) several metal ions[96], (b) Cu2+and Hg2+[98], (c) Fe, Cu and Ni[101].

由于重金屬離子種類繁多、價態(tài)多樣,針對重金屬離子檢測的紙芯片種類也相應(yīng)很多。圖2展示了部分用于重金屬離子檢測的紙芯片。而且使用紙芯片檢測樣品中的重金屬離子在靈敏度、選擇性、檢出限及線性范圍等方面都展現(xiàn)出了良好的效果。同時,在研究開發(fā)能夠?qū)Χ喾N金屬離子進(jìn)行平行檢測的紙芯片這一領(lǐng)域中,仍有極大的發(fā)展空間。以上這些例子均表明紙芯片在重金屬離子檢測領(lǐng)域具有很大的潛力,有進(jìn)一步開發(fā)探索的價值。

3.2 營養(yǎng)鹽檢測

大量無機(jī)鹽尤其是硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽等通過工業(yè)生產(chǎn)、畜牧養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)入到環(huán)境當(dāng)中。含有氮磷化合物的廢水進(jìn)入水體,會造成水體富營養(yǎng)化,形成水華[103];氮磷肥料的相關(guān)工業(yè)的揚塵排放、運輸可能會對周圍環(huán)境,尤其是土壤,造成環(huán)境污染,沉積的污染物則會對植物和地下水造成破壞[104]。

檢測氨的紙芯片大多采用基于比色的氣體擴(kuò)散方法[105,106]?；诒壬臋z測裝置包括兩部分:含有氫氧化鈉的圓形親水層和酸堿指示劑區(qū)。指示劑區(qū)由膜(聚四氟乙烯膠帶)或隔離物(沒有膜)所形成的氣體縫隙隔開。在待測物到達(dá)氫氧化鈉層后,銨離子被轉(zhuǎn)化為氨氣,氨氣通過疏水膜或氣體縫隙進(jìn)入指示劑區(qū),導(dǎo)致比色劑發(fā)生變化。近期,還有課題組[107]發(fā)明出一種新型雙層紙芯片用來測定淡水中的總氨,基本原理也是基于比色法的氣體擴(kuò)散。

亞硝酸鹽作為常見的食品添加劑,容易和食物中的胺類物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生致癌的亞硝胺化合物[108],對人體健康造成危害。目前針對亞硝酸鹽檢測的紙芯片大多基于Griess反應(yīng)(偶聯(lián)反應(yīng))[109,110],如圖3a所示。硝酸鹽和亞硝酸鹽也是重要的水質(zhì)參數(shù),設(shè)計研發(fā)能夠同時對亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行測定的裝置也是研究的熱點。最新的一種基于比色法的紙芯片不僅能同時測定硝酸鹽、亞硝酸鹽,還能測定硼砂和水楊酸[111]。此方法無需外接儀器,檢測過程在相當(dāng)程度上被簡化,檢測效率大幅度提高。

圖 3 用于檢測細(xì)菌、抗生素和多種污染物的紙芯片示例Fig. 3 Examples of microfluidic paper-based chips used to the detection of bacteria, antibiotics and multiple pollutants a. combination of smart phone and microfluidic paper-based chip to determine pH and nitrite[109]; b. surface-enhanced Raman scattering (SERS)-based microfluidic paper-based chip determination of thiram[120]; c. combination of smart phone and microfluidic paper-based chip to detect Salmonella[81].

環(huán)境中的磷酸鹽也是近年來的重點研究對象。磷酸鹽不僅會造成水華,還會對人體腎臟造成危害[112],因此對磷酸鹽進(jìn)行快速靈敏的現(xiàn)場測定顯得尤為重要。目前已有超靈敏檢測海水中磷酸鹽的比色法紙芯片[113],也有基于熒光法與智能手機(jī)集成的微流控紙芯片檢測環(huán)境中的磷酸鹽[114]。針對土壤中的磷酸鹽,目前也有一種新型低成本微流控紙質(zhì)分析儀[115]可以對其進(jìn)行檢測,在此分析設(shè)備上最多可進(jìn)行15次活性磷酸鹽的重復(fù)測定,大大降低了檢測成本,設(shè)備利用率得到顯著提高。

3.3 農(nóng)藥檢測

農(nóng)藥在保護(hù)植物和農(nóng)作物不受病蟲侵害[116]的同時,其濫用也對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染,河流、土壤、空氣甚至日常的食物中都能找到農(nóng)藥的蹤跡。液相色譜[117,118]、液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)[119]等方法是測定農(nóng)藥的常用技術(shù),但這些方法大都需要借助儀器,成本高,操作難度大,測試時間長,不適于現(xiàn)場測定。紙芯片是一種行之有效的解決方案,無需借助大型儀器,能夠進(jìn)行快速現(xiàn)場測定,更重要的是對測試人員的要求不高,生產(chǎn)成本也更低,對經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)藥污染的監(jiān)測與治理意義重大。目前已開發(fā)出多種測定環(huán)境中農(nóng)藥的紙芯片,如Zhu等[120]將SERS結(jié)合微流控紙芯片對福美雙(thiram)進(jìn)行高靈敏度檢測(見圖3b);Hossain等[121]則開發(fā)出監(jiān)測環(huán)境中有機(jī)磷酸酯農(nóng)藥的紙芯片。相信隨著更加深入的研究,紙芯片將能夠?qū)Ω喾N類的農(nóng)藥進(jìn)行分析測定,為農(nóng)藥污染治理提供更有力的工具。

農(nóng)藥為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來便利的同時,也為生態(tài)環(huán)境帶來了極大挑戰(zhàn)。農(nóng)藥污染會直接危害到人類的身體健康,需要對其進(jìn)行長期的常規(guī)檢測,而傳統(tǒng)的檢測方法超高效液相色譜、液相色譜-質(zhì)譜、酶聯(lián)免疫吸附試驗等無法對農(nóng)藥進(jìn)行簡單靈活、經(jīng)濟(jì)廉價的檢測。但紙芯片卻能夠擺脫傳統(tǒng)方法對大型儀器的依賴,能夠進(jìn)行成本低廉的即時檢測和多次檢測,同時紙芯片的檢測結(jié)果也表現(xiàn)出了良好的靈敏度、重復(fù)性與穩(wěn)定性,為農(nóng)藥污染的監(jiān)測方法帶來了潛在可能和新的發(fā)展方向。

3.4 微生物檢測

微生物廣泛分布在生態(tài)環(huán)境中,對生態(tài)系統(tǒng)和生物健康都有著重大意義,因此開發(fā)一種簡單方便、價格低廉的微生物檢測方法向來是環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的重要研究方向。傳統(tǒng)檢測方法是在實驗室中對樣品進(jìn)行培養(yǎng)分析或通過聚合酶鏈反應(yīng)、酶聯(lián)免疫吸附測定等方法進(jìn)行分子分析。這些方法測試時間長,操作條件復(fù)雜,對操作人員要求高。與之相比,紙芯片成本低,操作簡單,能很好地完成常規(guī)測試。

目前應(yīng)用μPADs進(jìn)行檢測的細(xì)菌主要有大腸桿菌、沙門氏菌和單核細(xì)胞增生性李斯特菌,可以檢測沙門氏菌的紙芯片如圖3c所示[81]。致病性大腸桿菌可通過飲水、食物等途徑引起腹瀉等多種疾病,嚴(yán)重者會有生命危險,現(xiàn)已開發(fā)出多種μPADs檢測大腸桿菌的方法[122-124];沙門氏菌與許多食源性疾病有關(guān),可引起多種腸胃疾病,目前已有基于比色法的紙芯片[125]和集成智能手機(jī)和紙芯片的分析裝置等對其進(jìn)行檢測;單核細(xì)胞增生性李斯特菌也是一種常見的病原體,它引起的李斯特菌病雖然流行程度不高,但相比之下死亡率卻很高(20%～30%)[126],現(xiàn)有一種RNA標(biāo)記測定方法是在基于金納米顆粒的紙質(zhì)平臺上進(jìn)行的,整個分析過程可在幾小時內(nèi)完成[127]。還有一種對農(nóng)業(yè)用水中大腸桿菌、沙門氏菌和單核增生李斯特菌濃縮、富集和檢測集于一體的基于比色法的μPAD[128]。

微生物本身是自然界的一部分,但如果數(shù)量失去控制或者出現(xiàn)在本不應(yīng)出現(xiàn)的環(huán)境中,同樣會導(dǎo)致環(huán)境問題。與農(nóng)藥污染的傳統(tǒng)檢測方法類似,對于微生物的檢測方法以往也是在實驗儀器的桎梏之中,采用電化學(xué)法、光學(xué)方法完成核酸檢測特定基因目標(biāo),這些方法都需要特定的設(shè)備和培訓(xùn)。簡單高效的紙芯片則無需培訓(xùn)易于上手,體積微小具有運輸上的便利性,更易于進(jìn)行現(xiàn)場化檢測,這對檢測不同地區(qū)、不同環(huán)境中的微生物具有積極意義。目前紙芯片檢測微生物的水平與傳統(tǒng)方法相比尚有一定距離,但其為環(huán)境微生物的檢測提供了一種新的思路,可以在此基礎(chǔ)之上繼續(xù)優(yōu)化,以在未來的應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

3.5 新興污染物抗生素的檢測

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,環(huán)境中污染物的種類與數(shù)量也在與日俱增。這其中,就包括在醫(yī)療領(lǐng)域廣為使用的抗生素?？股刈员话l(fā)現(xiàn)和使用后,在醫(yī)學(xué)方面為人類帶來巨大福祉的同時,其濫用對環(huán)境造成的污染也一直是環(huán)境研究中的重點問題?？股赝ǔＴ谛竽翗I(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中[129],作為促進(jìn)生長或用來預(yù)防細(xì)菌感染[130]的藥劑添加在動物的飼料和飲水中。這種使用方式極大地促進(jìn)了細(xì)菌耐藥性的增長,而且過度使用,會造成基因污染,很有可能催生出“超級細(xì)菌”。因此,對環(huán)境中的抗生素進(jìn)行檢測意義重大。傳統(tǒng)方法通常采用LC-MS/MS[131]對抗生素進(jìn)行檢測,此方法需借助大型儀器,對測試人員的操作要求高,需要大量樣品進(jìn)行凈化、濃縮[132]。近期,Nilghaz等[133]研究出一種基于微流控紙芯片的比色法檢測豬肉中土霉素和諾氟沙星殘留物,克服了傳統(tǒng)方法的固有短板,為抗生素的檢測方法提供了新思路。

能夠?qū)Χ喾N污染物同時進(jìn)行檢測的微流控紙芯片向來是紙芯片研究領(lǐng)域的重點方向。近期,Xing等[134]就制作出一種紙芯片可以同時檢測飲用水中5種化學(xué)物質(zhì),利用基于抗體-抗原反應(yīng)的多組分側(cè)向流動檢測技術(shù)同時檢測鉛、微囊藻毒素,氯霉素,睪丸激素和百菌清,整個檢測過程僅需20 min即可完成,高效便捷。

關(guān)于抗生素這類新興污染物的檢測方法,發(fā)展初期大部分還是采用大型儀器聯(lián)用,實現(xiàn)了高精度檢測的同時也帶來了高昂的成本,這其中既有儀器的費用也包括不菲的人工成本。運用紙芯片對抗生素檢測,則無需考慮上述問題。

3.6 其他污染物檢測

許多炸藥的成分如2,4,6-三硝基甲苯(TNT)都具有高毒性,而且可在環(huán)境中長期存在,不合理的處置方式會使炸藥對空氣、土壤、水體產(chǎn)生污染[135-137],對環(huán)境造成嚴(yán)重危害。目前用于炸藥檢測的方法有很多,如熒光法[138]、LC-MS[139]、CE-MS[140]等。這些方法在具有高靈敏度和特異選擇性等優(yōu)點的同時也存在成本高、操作難度大、便攜性差等缺陷,使得其在實際應(yīng)用中無法完全發(fā)揮作用。而紙芯片的高度便攜性可以對爆炸前后進(jìn)行即時檢測,快速得到結(jié)果,不僅對環(huán)境檢測具有重要作用,對機(jī)場、火車站等場所的公共安全也具有重要意義。目前已開發(fā)出多種基于化學(xué)發(fā)光法[141]、SERS法、[142]、熒光法[143,144]、比色法[145]的微流控紙芯片,用以檢測環(huán)境中污染物,圖4a就展示了一種檢測爆炸物的紙芯片。Pesenti等[146]設(shè)計出的基于比色法的紙芯片,可同時檢測3種三硝基芳族炸藥TNT、三硝基苯(TNB)和三硝基苯甲硝胺(Tetryl)。

圖 4 用于檢測炸藥、藻毒素和鹵化物的紙芯片示例Fig. 4 Examples of microfluidic paper-based chips used to detect explosives, algal toxins and halides a. portable explosive detector based on fluorescence method[143]; b. immunoassay for determination of microcystin-LR[151]; c. microfluidic paper-based analytical devices (μPAD) for halide determination[152].

藻毒素是藍(lán)藻在淡水生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生的高毒性次生代謝產(chǎn)物[147],藻毒素中毒性最高的是微囊藻毒素-LR(MC-LR)[148],會造成嚴(yán)重的水質(zhì)污染,對生物體造成危害[149]。檢測水中MC-LR的方法很多,但要找出一種既簡單方便又快速廉價的檢測手段仍是一項重要課題。Ge等[150]利用金紙工作電極(Au-PWE)專門對水中的MC-LR進(jìn)行電化學(xué)免疫測定;Wang等[151]開發(fā)出一種采用三電極的基于碳納米管的紙芯片測定MC-LR,如圖4b所示,其檢測效果可與酶聯(lián)免疫吸附測定相媲美。

還有一些污染物,比如碘[152]、溴[153]、氯[154]等鹵族元素，以及溴化物[153]和其他鹵化物[152]，目前也開發(fā)出相應(yīng)的紙質(zhì)傳感器,能夠?qū)ι鲜鑫镔|(zhì)進(jìn)行即時、高靈敏度的現(xiàn)場測定(見圖4c)。相對于以往采用的檢測方法,優(yōu)勢明顯,是一種簡單實用的測定工具。

微流控紙芯片良好的兼容性使得其能夠?qū)Νh(huán)境中的多種污染物進(jìn)行檢測,這在相當(dāng)大的程度上擴(kuò)展了紙芯片在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。而且紙芯片與其他技術(shù)聯(lián)用,表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能,表明了紙芯片具有巨大的創(chuàng)新性與發(fā)展?jié)摿?。同時,適當(dāng)?shù)臉悠奉A(yù)處理方式也會對紙芯片檢測環(huán)境樣品的過程產(chǎn)生積極作用。環(huán)境中的污染物會以多種形式存在,這就造成了測試樣品的繁雜種類,不同形態(tài)的樣品都有可能出現(xiàn)在測試過程中,針對不同樣品進(jìn)行不同的預(yù)處理會使檢測過程更加高效便捷。對于成分比較復(fù)雜的樣品,分離與提純是必要的預(yù)處理過程,可以在紙芯片外完成也可以在紙芯片上進(jìn)行。紙芯片自身的材質(zhì)使得其具有一定過濾作用,可以設(shè)計通道使樣品在通往測試區(qū)域時就已完成過濾,也可以在紙芯片上利用紙張纖維素的毛細(xì)作用設(shè)計專門區(qū)域進(jìn)行分離提純區(qū)域,減少預(yù)處理時間。檢測濃度極低的樣品則可以在紙芯片上開發(fā)出富集與濃縮區(qū)域,以提高檢測的靈敏度。若進(jìn)一步將這些預(yù)處理區(qū)域與測試區(qū)域集成,則測試所需時間相應(yīng)縮短,整體的檢測效率隨之提升。相信隨著制作方法與分析技術(shù)的提高，以及預(yù)處理方法的合理選擇,紙芯片的設(shè)計將得到不斷優(yōu)化與發(fā)展,呈現(xiàn)出更加卓越的效果和更加強(qiáng)大的功能。

4 結(jié)論與展望

雖然微流控紙芯片最早是為生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域服務(wù),但其經(jīng)濟(jì)、高效、耗樣量少、對環(huán)境友好、易制造和操作、能迅速進(jìn)行檢測等多種優(yōu)勢使得在環(huán)境檢測分析中的應(yīng)用也日漸廣泛。同時它作為多學(xué)科交叉的新興技術(shù),可以和許多現(xiàn)代技術(shù)如生物工程、納米材料、數(shù)碼科技等相結(jié)合,制作方法和流程也在與時俱進(jìn)。而且與其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得的成就相比,紙芯片在環(huán)境監(jiān)測方面仍有廣闊的發(fā)展空間。

因此,紙芯片的制造和分析技術(shù)仍需要改進(jìn)，去迎接未來發(fā)展的挑戰(zhàn),如機(jī)械強(qiáng)度不高易變形破碎,流體的操控程度不夠高,多種樣品平行檢測技術(shù)仍不夠成熟等,這些缺陷的克服都需要進(jìn)一步提高測試靈敏度和現(xiàn)場快速測試的能力，從而增加微流控紙芯片的實際應(yīng)用的價值，使其能夠在未來污染物檢測分析領(lǐng)域中擔(dān)任更加重要的角色。對微流控紙芯片的改進(jìn)具體可從以下幾方面進(jìn)行:增加紙芯片的機(jī)械強(qiáng)度,使其更加堅韌不易變形;繼續(xù)減少樣品和試劑的消耗量,將檢測成本降到更低;開發(fā)更多的檢測分析方法與紙芯片相結(jié)合,實現(xiàn)多重分析;加強(qiáng)對流體的操控,使流體更加有序可控;降低多重分析中不同流體之間的相互干擾;擴(kuò)大檢測種類和范圍;對紙芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,實現(xiàn)多技術(shù)多分析物檢測;針對不同類型的樣品選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法,設(shè)計不同的預(yù)處理區(qū)域,使檢測過程更加高效便捷;開發(fā)更廉價的生產(chǎn)方法,實現(xiàn)紙芯片的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等。相信隨著微流控相關(guān)研究與技術(shù)的發(fā)展,微流控紙芯片將會在未來環(huán)境污染物的檢測分析中起到更大作用。