微流控纸芯片在环境检测分析中的应用

1.重金属离子检测　　

重金属广泛分布在生态环境中，如在大气圈、水圈、土壤圈都可以找到重金属的踪迹。不仅难以对其进行生物降解，而且它能在生态系统中持续累积。即使在环境中含量极少的情况下也会对生物体造成危害，因此重金属污染一直是大众关注的环境问题。重金属种类繁多，不同的价态对环境造成的影响也有所区别，所以研发对重金属能够进行高灵敏度特异性检测和即时检测的方 法，始终是重金属污染研究领域的重点关注方向。

目前已有许多基于比色法 的 μPADs 能够对环境中的重金属离子进 行检测分析。铜（Cu）作为日常生活和工业生产中常用的重金属，进入环境的方式多种多样。过量摄入Ｃu会对人体造成伤害，尤其会引起心脏和肾脏疾病，目前采用比色法的纸芯片可以检测到mg/L 的Cu２＋。铅（Pb）在环境中不可降解，相较于对成人的危害，儿童受到的伤害更大，会导致儿童生长发育缓慢，近期有研究采用比色法对Pb进行检测，可以检测到ｍｇ／Ｌ的Pb２＋。汞（Hg）是剧毒有害金属，长期接触会对人类造成运动障碍，罹患冠心病的概率上升，现有采用双层纸芯片结合未修饰的银纳米颗粒对其进行检测，也有利用金纳米颗粒结合表面等离子体激元耦合的比色法，其检测灵敏度为50nmol/Ｌ。铬（Cr）也是一种工业生产中使用范围较为广泛的重金属材料，常见于金属表面处理、印染等行业中，可在水环境中长期存在并积累。Cr在环境中的稳定态有Cr３＋和Cr６＋两种，目前也有基于比色法的纸芯片对河水中的Cr６＋进行检测。

除了最常采用的比色法，还可采用电化学方法，对上述重金属离子进行检测，能够检测到μｇ／Ｌ的重金属离子检出限的数量级可达 。目前本课题组将荧光法的优势（灵敏度高、检出限低）与印迹技术的特长（选择性优异）相结合，实现了待测物的特异性检测。采用仅靠重力和毛细管力驱动的化学发光法 ，对金属离子进行检测，能够检测到ｍｇ／Ｌ的金属离子，而且成本更低，操作简单。

在纸芯片上对多种重金属进行平行检测也是纸芯片领域的重点研究内容。平行检测在节省时间的同时降低了成本，分析效率也得到了显著提升。由于重金属离子种类繁多、价态多样，针对重金属离子检测的纸芯片种类也相应很多。图２展示了部分用于重金属离子检测的纸芯片。而且使用纸芯片检测样品中的重金属离子在灵敏度、选择性、检出限及线性范围等方面都展现出了良好的效果。同时，在研究开发能够对多种金属离子进行平行检测的纸芯片这一领域中，仍有极大的发展空间。以上这些例子均表明纸芯片在重金属离子检测领域具有很大的潜力，有进一步开发探索的价值。

图２　 测定重金属离子的纸芯片

2.营养盐检测

大量无机盐尤其是硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐等通过工业生产、畜牧养殖、农业灌溉进入到环境当中。含有氮磷化合物的废水进入水体，会造成水体富营养化，形成水华；氮磷肥料的相关工业的扬尘排放、运输可能会对 周围环境，尤其是土壤，造成环境污染，沉积的污染物则会对植物和地下水造成破坏。

检测氨的纸芯片大多采用基于比色的气体扩散方法。基于比色的检测装置包括两部分：含有氢氧化钠的圆形亲水层和酸碱指示剂区。指示剂区由膜或隔离物所形成的气体缝隙隔开。在待测物到达氢氧化钠层后，铵离子被转化为氨气，氨气通过疏水膜或气体缝隙进入指示剂区，导致比色剂发生变化。近期，还有课题组发明出一种新型双层纸芯片用来测定淡水中的总氨，基本原理也是基于比色法的气体扩散。

亚硝酸盐作为常见的食品添加剂，容易和食物中的胺类物质发生反应产生致癌的亚硝胺化合物，对人体健康造成危害。目前针对亚硝酸盐检测的纸芯片大多基于Ｇriess反应（偶联反应），如图３ａ所示。硝酸盐和亚硝酸盐也是重要的水质参数，设计研发能够同时对亚硝酸盐和硝酸盐进行测定的装置也是研究的热点。最新的一种基于比色法的纸芯片不仅能同时测定硝酸盐、亚硝酸盐，还能测定硼砂和水杨酸。此方法无需外接仪器，检测过程在相当程度上被简化，检测效率大幅度提高。

图３　 用于检测细菌、抗生素和多种污染物的纸芯片示例

环境中的磷酸盐也是近年来的重点研究对象。磷酸盐不仅会造成水华，还会对人体肾脏造成危害，因此对磷酸盐进行快速灵敏的现场测定显得尤为重要。目前已有超灵敏检测海水中磷酸盐的比色法纸芯片，也有基于荧光法与智能手机集成的微流控纸芯片检测环境中的磷酸盐 。针对土壤中的磷酸盐，目前也有一种新型低成本微流控纸质分析仪可以对其进行检测，在此分析设备上最多可进行15次活性磷酸盐的重复测定，大大降低了检测成本，设备利用率得到显著提高。

近些年来，人们备受环境中营养物质污染带来的困扰，因此对这些营养物质进行常规定期监测十分必要。检测氨和亚硝酸盐的传统方法是采用分光光度法进行检测，而磷酸盐也通常采用电化学方法等。这些传统方法虽然灵 敏度较高，但都依赖于大型仪器，局限于实验室之中，无法进行现场检测。然而，纸芯片这种成本低、易操作的分析测试方法能够很好地执行这种常规检测，并且能够进行现场即时检测，解决了传统检测方法存在的问题。还可以在纸芯片上针对不同的样品设计不同的预处理区域，这与传统方法相比节约了测试时 间，测试效率得到提升。同时在灵敏度、检出限、特异性等方面与传统方法相比，差异并不明显。通过上述研究能够看出纸芯片在营养物污染这一领域有很大的发展空间，通过结合更多、更新的方法，能够实现更多种类、更大范围的营养物污染监测。

3.农药检测

农药在保护植物和农作物不受病虫侵害的同时，其滥用也对环境造成了严重污染，河流、土壤、空气甚至日常的食物中都能找到农药的踪迹。液相色谱 、液相色谱⁃质谱等方法是测定农药的常用技术，但这些方法大都需要借助仪器，成本高，操作难度大，测试时间长，不适于现场测定。纸芯片是一种行之有效的解决方案，无需借助大型仪器，能够进行快速现场测定，更重要的是对测试人员的要求不高，生产成本也更低，对经济不发达地区农药污染的监测与治理意义重大。目前已开发出多种测定环境中农药的纸芯片，如Ｚｈｕ等将ＳＥＲＳ 结合微流控纸芯片对福美双（ｔｈｉｒａｍ）进行高灵敏度检测（见图 ３ｂ） ； Ｈｏｓｓａｉｎ 等则开发出监测环境中有机磷酸酯农药的纸芯片。相信随着更加深入的研究，纸芯片将能够对更多种类的农药进行分析测定，为农药污染治理提供更有力的工具。

农药为农业生产带来便利的同时，也为生态环境带来了极大挑战。农药污染会直接危害到人类的身体健康，需要对其进行长期的常规检测，而传统的检测方法超高效液相色谱、液相色谱⁃质谱、酶联免疫吸附试验等无法对农药进行简单灵活、经济廉价的检测。但纸芯片却能够摆脱传统方法对大型仪器的依赖，能够进行成本低廉的即时检测和多次检测，同时纸芯片的检测结果也表现出了良好的灵敏度、重复性与稳定性，为农药污染的监测方法带来了潜在可能和新的发展方向。

4.微生物检测

微生物广泛分布在生态环境中，对生态系统和生物健康都有着重大意义，因此开发一种简单方便、价格低廉的微生物检测方法向来是环境监测领域的重要研究方向。传统检测方法是在实验室中对样品进行培养分析或通过聚合酶链反 应、酶联免疫吸附测定等方法进行分子分析。这些方法测试时间长，操作条件复杂，对操作人员要求高。与之相比，纸芯片成本低，操作简单，能很好地完成常规测试。

目前应用 μPADs进行检测的细菌主要有大肠杆菌、沙门氏菌和单核细胞增生性李斯特菌，可以检测沙门氏菌的纸芯片如图３ｃ所示。致病性大肠杆菌可通过饮水、食物等途径引起腹泻等多种疾病，严重者会有生命危险，现已开发出多种 μＰＡＤｓ检测大肠杆菌的方法；沙门氏菌与许多食源性疾病有关，可引起多种肠胃疾病，目前已有基于比色法的纸芯片和集成智能手机和纸芯片的分析装置等对其进行检测；单核细胞增生性李斯特菌也是一种常见的病原体，它引起的李斯特菌病虽然流行程度不高，但相比之下死亡率却很高，现有一种RNA标记测定方法是在基于金纳米颗粒的纸质平台上进行的，整个分析过程可在几小时内完成 。还有一种对农业用水中大肠杆菌、沙门氏菌和单核增生李斯特菌浓缩、富集和检测集于一体的基于比色法的 μPAD 。

微生物本身是自然界的一部分，但如果数量失去控制或者出现在本不应出现的环境中，同样会导致环境问题。与农药污染的传统检测方法类似，对于微生物的检测方法以往也是在实验仪器的桎梏之中，采用电化学法、光学方法完成核酸检测特定基因目标，这些方法都需要特定的设备和培训。简单高效的纸芯片则无需培训易于上手，体积微小具有运输上的便利性，更易于进行现场化检测，这对检测不同地区、不同环境中的微生物具有积极意义。目前纸芯片检测微生物的水平与传统方法相比尚有一定距离，但其为环境微生物的检测提供了一种新的思路，可以在此基础之上继续优化，以在未来的应用中发挥更大的作用。

5.新兴污染物抗生素的检测

随着现代科技的发展，环境中污染物的种类与数量也在与日俱增。这其中，就包括在医疗领域广为使用的抗生素。抗生素自被发现和使用后，在医学方面为人类带来巨大福祉的同时，其滥用对环境造成的污染也一直是环境研究中的重点问题。抗生素通常在畜牧业和水产养殖行业中，作为促进生长或用来预防细菌感染的药剂添加在动物的饲料和饮水中。这种使用方式极大地促进了细菌耐药性的增长，而且过度使用，会造成基因污染，很有可能催生出“超级细菌”。 因此，对环境中的抗生素进行检测意义重大。传统方法通常采用LC ⁃MS／MS对抗生素进行检测，此方法需借助大型仪器，对测试人员的操作要求高，需要大量样品进行净化、浓缩 。近期，Ｎｉｌｇｈａｚ 等研究出一种基于微流控纸芯片的比色法检测猪肉中土霉素和诺氟沙星残留物，克服了传统方法的固有短板，为抗生素的检测方法提供了新思路。

能够对多种污染物同时进行检测的微流控纸芯片向来是纸芯片研究领域的重点方向。近期，Ｘｉｎｇ等就制作出一种纸芯片可以同时检测饮用水中５种化学物质，利用基于抗体⁃抗原反应的多组分侧向流动检测技术同 时检测铅、微囊藻毒素，氯霉素，睾丸激素和百菌清，整个检测过程仅需 20min 即可完成，高效便捷。

关于抗生素这类新兴污染物的检测方法，发展初期大部分还是采用大型仪器联 用，实现了高精度检测的同时也带来了高昂的成本，这其中既有仪器的费用也包括不菲的人工成本。运用纸芯片对抗生素检测，则无需考虑上述问题。

6.其他污染物检测

许多炸药的成 分如 ２，４，６⁃三硝基甲苯（ＴＮＴ）都具有高毒性，而且可在环境中长期存在，不合理的处置方式会使炸药对空气、土壤、水体产生污染 ，对环境造成严重危害。目前用于炸药检测的方法有很多。这些方法在具有高灵敏度和特异选择性等优点的同时也存在成本高、操作难度大、便携性差等缺陷，使得其在实际应用中无法完全发挥作用。而纸芯片的高度便携性可以对爆炸前后进行即时检测，快速得到结果，不仅对环境检测具有重要作用，对机场、火车站等场所的公共安全也具有重要意义。目前已开发出多种基于化学发光法 、ＳＥＲＳ法 、荧光法 、比色法的微流控纸芯片，用以检测环境中污染物，图４ａ就展示了一种检测爆炸物的纸芯片。

藻毒素是蓝藻在淡水生态系统中产生的高毒性次生代谢产物，藻毒素中毒性最高的是微囊藻毒素⁃ＬＲ（ＭＣ⁃ＬＲ） ，会造成严重的水 质污染，对生物体造成危害 。检测水中ＭＣ⁃ＬＲ的方法很多，但要找出一种既简单方便又快速廉价的检测手段仍是一项重要课 题。Ｇｅ等利用金纸工作电极（Ａｕ⁃ＰＷＥ）专门对水中的 ＭＣ⁃ＬＲ 进行电化学免疫测定；Ｗａｎｇ等开发出一种采用三电极的基于碳纳米管的纸芯片测定 ＭＣ⁃ＬＲ，如图 ４ｂ所示，其检测效果可与酶联免疫吸附测定相媲美。

图４　 用于检测炸药、藻毒素和卤化物的纸芯片示例

还有一些污染物，比如碘 、溴、氯等卤族元素，以及溴化物和其他卤化物，目前也开发出相应的纸质传感器，能够对上述物质进行即时、高灵敏度的现场测定（见图 ４ｃ）。 相对于以往采用的检测方法，优势明显，是一种简单实用的测定工具。

微流控纸芯片良好的兼容性使得其能够对环境中的多种污染物进行检测，这在相当大的程度上扩展了纸芯片在环境监测领域中的应用范围。而且纸芯片与其他技术联用，表现出更加优异的性能，表明了纸芯片具有巨大的创新性与发展潜力。同时，适当的样品预处理方式也会对纸芯片检测环境样品的过程产生积极作用。环境中的污染物会以多种形式存在，这就造成了测试样品的繁杂种类，不同形态的样品都有可能出现在测试过程中，针对不同样品进行不同的预处理会使检测过程更加高效便捷。对于成分比较复杂的样品，分离与提纯是必要的预处理过程，可以在纸芯片外完成也可以在纸芯片上进行。纸芯片自身的材质使得其具有一定过滤作用，可以设计通道使样品在通往测试区域时就已完成过滤，也可以在纸芯片上利用纸张纤维素的毛细作用设计专门区域进行分离提纯区域，减少预处理时间。检测浓度极低的样品则可以在纸芯片上开发出富集与浓缩区域，以提高检测的灵敏度。若进一步将这些预处理区域与测试区域集成，则测试所需时间相应缩短，整体的检测效率随之提升。相信随着制作方法与分析技术的提高，以及预处理方法的合理选择，纸芯片的设计将得到不断优化与 发展，呈现出更加卓越的效果和更加强大的功能。

结论与展望

虽然微流控纸芯片最早是为生物医学检测领域服务，但其经济、高效、耗样量少、对环境友好、易制造和操作、能迅速进行检测等多种优势使得在环境检测分析中的应用也日渐广泛。同时它作为多学科交叉的新兴技术，可以和许多现代技术如生物工程、纳米材料、数码科技等相结合，制作方法和流程也在与时俱进。而且与其在生物医学领域已经取得的成就相比，纸芯片在环境监测方面仍有广阔的发展空间。

因此，纸芯片的制造和分析技术仍需要改进，去迎接未来发展的挑战，如机械强度不高易变形破碎，流体的操控程度不够高，多种样品平行检测技术仍不够成熟等，这些缺陷的克服都需要进一步提高测试灵敏度和现场快速测试的能力，从而增加微流控纸芯片的实际应用的价值，使其能够在未来污染物检测分析领域中担任更加重要的角色。对微流控纸芯片的改进具体可从以下几方面 进行：增加纸芯片的机械强度，使其更加坚韧不易变形；继续减少样品和试剂的消耗量，将检测成本降到更低；开发更多的检测分析方法与纸芯片相结合，实现多重分析；加强对流体的操控，使流体更加有序可控；降低多重分析中不同流体之间的相互干扰；扩大检测种类和范围；对纸芯片结构进行改造，实现多技术多分析物检测；针对不同类型的样品选择适当的预处理方法，设计不同的预处理区域，使检测过程更加高效便捷；开发更廉价的生产方 法，实现纸芯片的产业化应用等。相信随着微流控相关研究与技术 的发展，微流控纸芯片将会在未来环境污染物的检测分析中起到更大作用。

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