纸基微流控技术及其在食品安全检测中的研究进展

发布时间：2021-10-18

　　摘要：纸基微流控技术(μPADs)是一种在微米尺度的纸基芯片上进行样品制备、反应、分离、检测的技术，具有材料便宜、制作简单、易回收、结构多样、试剂消耗少、环保可降解等特点，在食品安全快速检测领域具有实用价值。该文对纸芯片制备、流体操控及检测模式进行了介绍。首先阐述了纸芯片功能化改性方法及生物分子的固定方式，总结了经处理后的纸张制备为二维(2D)或三维(3D)纸芯片的方法;其次论述了流体在纸基材料上不完全浸湿和完全浸湿两个阶段的运输机理，综合分析了智能化流体操纵技术;最后介绍了可与纸基微流控平台联用的检测方法，并综述了纸基微流控装置在食品安全检测中的应用研究进展，提出纸基微流控技术在食品行业未来面临的挑战及发展趋势。

　　关键词：纸基微流控技术;食品安全;快速检测;综述

　　随着生活水平的提高，人们越来越注重健康，而食品安全问题在全世界范围内是一个非常重要的公共健康问题。近年来，“苏丹红”、“三聚氰胺”、“染色馒头”等食品安全事件不断，引起人们的强烈关注。为确保食品的质量与安全，发展高效快速评估食物产业链潜在有害因素的检测方法至关重要。目前，我国食品安全监测主要采用快速筛查检测与大型仪器确证技术互补模式。大型检测仪器如色谱、质谱及其联用技术等虽然可以满足精准检测的要求，但其价格昂贵、检测周期长、费用高，无法适应现场检测[1-3]。快速筛查法作为大型仪器确证技术的补充，在我国食品安全监控中发挥着越来越重要的作用，主要包括免疫分析技术[4]、酶抑制法[5]、传感技术[6]、光谱检测技术[7]等，通常具有无需大型仪器、成本低、快速、可现场、易于使用等优点，已成为人们持续的研究热点。然而，目前各单项快速检测技术仍存在需手动进样，自动化程度低，难以普遍实现多重多靶标分析，消耗试剂多等问题，与现阶段我国快速增长的食品行业亟待高通量、集成化、微型化检测技术的需求矛盾突出。

　　2007年，由Martinez等[8]首次提出的微全分析系统(Micro-total-analysissystems，μTAS)(又称微流控芯片技术)迅速发展，成为当代前沿整合性平台技术之一，具有消耗试剂少、可自动化、多重分析等优点，与目前流行的多数快速检测方法相结合，可将样品前处理、试剂反应、分离检测等繁杂的操作集中在微米尺度的芯片上，提供更准确的检测结果，为食品安全快速检测提供了新思路[9-11]。近些年，本课题组也初步开展了食品中农兽药的微流控芯片免疫检测方法研究[12]，该方法具有高通量、样品消耗少、检测速度快、操作简便等特点。微流控芯片是μTAS的核心技术之一，为各类快速检测技术提供了微型化和集成化的理想平台，可由石英、玻璃、高分子聚合物、纸等多种材料构成，其中基于纸张的微流控检测平台(μPADs)研究报道较多[13-14]，与通常需要外加泵来控制流体的传统μTAS相比优点突出：①体积小，消耗试剂少;②质地柔软，易与固体物质接触富集分析物;③气体可透过材料，避免产生气泡;④可依靠毛细作用输送液体;⑤材料成本低，器件制作简单;⑥可储存和运输一定体积的试剂，使用时无需添加反应试剂。基于这些优势，越来越多的分析方法可在纸基平台上实现，如比色法、电化学法、化学发光法、荧光法等[15]。目前开发与各种检测方法联用的纸基微流控设备已成为研究发展的趋势，μPADs在生物医学、环境、临床分析和化工等领域均被广泛应用[16-17]，其低成本、高灵敏、非专业人员可使用并快速获得检测结果的优势，使之在食品安全方面也具有巨大的发展空间和潜力，成为将传统快速检测技术集成化的理想选择。

　　μPADs技术的基本工作原理(图1)是在亲水纸基上制作图案化的疏水屏障，形成毛细管微流通道，以控制微量液体流动。其技术要点在于纸芯片的制备及流量的控制，这将影响流体通道构建、样品前处理过程及检测通量等问题，另外，检测方法将决定检测灵敏度和准确度。因此，本文从技术层面对纸芯片制备、流体操控及检测模式进行了介绍，并综述了μPADs在食品安全检测中的应用研究进展，提出了目前在食品行业未来面临的挑战和今后的发展趋势。

　　1纸基微流控芯片的制备

　　1.1纸基微流控芯片功能化改性

　　纸基微流控芯片以滤纸、石墨纸、色谱纸等多孔膜为材料，这类材料由纯纤维组成，表面含有丰富的羟基，具有高亲水性，能够进行功能化修饰，是运输流体和固定生物分子的理想材料。目前大多采用化学改性方法或物理沉积技术堵塞纤维素纸内的孔隙来改变亲水性纤维的物质特征，从而建立疏水屏障，形成限定的亲水毛细管通道，达到运输流体的目的，功能化改性方法包括光刻法、蜡染、喷墨打印、丝网印刷、柔性版印刷、3D打印、压花、聚二甲基硅氧烷(PDMS)屏蔽法等[18-19]，Ganesan等[14]进行了较全面的总结(图2)。基于纸基微流控芯片的食品安全检测分析方法，通常需在亲水纤维素上固定生物传感分子，迄今为止有物理吸附、包埋法及化学固定3种方式[20]。物理吸附主要取决于范德华力和静电作用，将生物分子通过浸泡或涂刷的方式直接沉积在纸张表面[21]。包埋法是通过溶胶-凝胶法将生物分子包埋在特定基质中，以凝胶中形成的二氧化硅层为媒介将传感材料固定在纸纤维上[22]。化学固定主要依靠生物分子和纤维素之间稳定的共价键，共价固定的方式大多基于纤维素羟基的化学修饰，如二乙烯砜化[23]、醛基和羧基化[24-25]、4-叠氮-1-氟-2-硝基苯化[26]、环氧化[27]等各种表面功能化。但纸基表面纤维素化学结构具有差异性，羟基的类型和位置各有不同，将影响其可及性和反应性，通常C3位的羟基活性最低，而C2和C6位的羟基活性最强。Böhm等[28]开发了一种基于光交联聚合物涂层的方法用于纤维表面改性，不依赖于纤维表面的OH基团，实现了酶在纸纤维上的共价附着。

　　1.2纸基微流控芯片的构造

　　根据流体流动的方向(水平或垂直水平方向)，纸基微流控芯片可大致分为二维(2D)和三维(3D)。通过上述表面改性方法制备的平面纸基微流控芯片可视为2DμPADs，其结构简单易得，但使用效果不佳，流体在通道中的渗透、挥发及粘滞力会导致传送率降低，干扰检测结果，无法满足高通量现场检测需求[29-31]。而三维纸基微流控装置(3DμPADs)可使流体在垂直和水平方向上分布，将错综复杂的通道网络连接到统一测试区域，实现快速检测多种物质的目标，具有低成本、简单和灵活的优点。3DμPADs的制备主要通过堆叠和折纸的方法获得，如Andres等[32]设计了一种利用纸和双面胶带分层制作三维微流控装置的方法(图3)，该方法通过交叉堆叠的方式将切割成相同尺寸的纸层与胶带层组装成三维装置，使得试剂可通过在纸上自驱动相互作用实现多重分析。Xie等[33]开发了一种使用PDMS涂布可折叠掩膜的3D纸基微流控芯片，将色谱纸插入具有特定图案的PDMS折叠膜形成夹层结构，构造清晰的通道，具有简单、省时、环保、经济实用、材料易获取等优点。

　　2流体在纸基材料上的运输

　　2.1运输机理

　　纸基微流控芯片毛细管通道孔径小、纤维长度短，雷诺数低，流体的粘性力占主要地位，使流体呈层流状态运动[34-35]。流体正处于缓慢渗透纸张的状态为不完全浸湿阶段。此时，多孔网络中的流体可看作一维流体，即只有长度而没有宽度和高度，其传输过程遵循Washburn方程[36]：L=()γDtcosθ/2μ，其中，L为流体渗透距离;t为时间;D为平均毛细管半径;γ为液体的表面张力;μ为流体粘度;θ为流体和边界壁之间的夹角。由方程可知，流体的表面张力有利于液体渗入纸层，而流体的粘性阻力与速度成正比，且随流体移动距离的增加而增加，导致流体穿过多孔介质时流速降低。此方程忽略不计引力、蒸发效应和疏水边界对毛细管流的影响，具有一定的局限性，仅能用于一维流体，不适用于可变横截面的纸条。且在润湿过程中纤维会发生膨胀，流体在纤维内的流动，也将影响流体的渗透距离，因此通常情况下流体渗透距离预测结果偏大于实际值[37-38]。

　　2.2流量控制方法

　　实际应用中，对食品中有害物质的复杂分析将会增加试剂数量和洗涤步骤，亟待开发更智能化的纸基流体操控技术，这些技术可将试剂和样品在适当的检测时间内输送到相应区域。根据有无外部输入设备可将μPADs分为被动和主动装置。被动装置依靠毛细作用输送流体无需额外设备，简单易制造，但流量控制精度低。主动装置依赖于外部输入系统，能够达到多步骤精确控制流体流量的目的[40]。被动式流体控制装置可通过化学处理纸张或改变纸张的形状来控制流体。有实验将稀释的蔗糖溶液铺在纸板上做干燥处理以延迟液体流动，不同浓度的样品溶液溶解蔗糖能力不同，导致流体粘度发生变化，从而实现延迟效应[41]。Houghtaling等[42]在纸通道内建立可溶解桥，切断流体流动以调节流量。另外，还可通过改变纸张形状来调整流体流量，如Fu等[43]设计了3组实验来说明多孔介质中流体在纸上的渗透过程(图4)。当纸带宽度不同时，流体渗透速度相同，流体输送量与纸带宽度成正比;当流体渗透到由窄变宽的过渡段时，流体的渗透速度明显增加，过渡段位置在纸片总长度的二分之一处时，流体渗透时间最短;当流体渗透到由窄变宽的过渡段时，违反了恒截面Washburn方程，流体的渗透速度明显减慢。目前关于无阀纸基材料上的流体操纵技术已有不少研究可供参考[44-45]。

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　　与被动装置相比，主动运输装置需要外部输入和附加设备，具有可编程性、可再现性、多种操作的优点。Koo等[46]利用电润湿现象在微流控装置中实现了对流体的控制，主要将聚四氟乙烯疏水导电电极和亲水导电电极印刷于纸上，通过施加电压破坏疏水电极的氟化层，使样品试剂从亲水电极透过后到疏水电极停止，直接控制流体流动，实现了食源性病原体酿酒酵母的检测。Rosenfeld等[47]则利用电渗泵(EO)通过施加电压创建可逆性调节阀门来实现加速或延迟流体的运输。而Qi等[48]将荧光检测与分子印迹技术结合在旋转芯片上测定了4-硝基酚(4-NP)和2，4，6-三硝基酚(TNP)两种酚类污染物，该旋转阀可360°旋转控制流体流动，同时增加芯片空间利用率，实现了多路检测(图5)。另外，对于利用机械驱动的有阀装置，常采用可膨胀材料、电磁阀、压力阀和可重新配置的流量开关来操纵流体。有研究利用海绵的可膨胀性使得与海绵相关联的通道连接到另一个通道，从而控制流体的传送[49]。Kim等[50]研究了一种依靠螺线管驱动的压力阀，通过向螺线管制动器施加电压增加对纸条的压力，从而延迟流体流动。压力驱动阀门系统采用Arduino微处理器实现了可编程可重复的流体控制。一般基于主动运输的有阀装置具有精确控制流体流量及方向的优点，但需额外的机械或外部系统可能导致成本及复杂性增加而影响实用性。

　　3μPADs检测技术

　　3.1比色法

　　比色法的原理是通过毛细管作用将分析溶液运输到试验区，与精确装载的传感材料发生颜色反应，实现可视化定性或定量分析。根据分子相互作用的类型，比色传感可被分为生物传感和化学传感。生物分子传感包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、核酸等生物活性物的检测，常用的传导材料有酶、氧化还原指示剂和纳米颗粒。例如Nouanthavong等[51]利用有机磷农药对固定化乙酰胆碱酯酶的抑制作用，开发了一种纳米颗粒包裹的μPADs传感器以提高检测灵敏度，可用于食品中甲基对氧磷和毒死蜱残留的比色检测，检测限分别为18ng/mL和5.3ng/mL，对加标白菜和干贝中甲基对氧磷的回收率均在95%左右(图6)。化学分子的传感可分为有机化合物、重金属离子、易爆物和有毒气体的检测，常用的化学反应染料有路易斯酸/碱性染料、布隆斯特德酸/碱性染料、溶剂变色染料和金属卟啉等，可对不同分析物显示不同的颜色。贵金属纳米颗粒(如金、银、铜)因其独特的表面等离子体共振特性可被用于重金属的检测，主要通过纳米颗粒的聚集或分解导致表面等离子体共振特性发生变化实现信号输出[52-53]。Chen等[54]借助Janovsky颜色反应原理开发了食品中常用添加剂苯甲酸的μPADs检测平台，并制备了一套由微型加热仪、检测盒和智能手机组成的便携式检测系统，实现了多样品检测目的，但有时背景纸张颜色或照明可能会导致自动读数出现偏差。

　　3.2电化学法

　　电化学检测需在纸基表面制造敏感电极，然后在电极上固定生物活性分子，使其具备捕获目标分子的能力。敏感电极可将待测物质与固定化生物分子之间发生相互作用时所产生的生物化学信号转化为电流、电势、阻抗等电信号，从而实现定性或定量检测。通常具有氧化活性的生物分子或重金属可使用安培法和伏安法引起电流响应直接进行鉴定。Shi等[55]通过方波阳极溶出伏安法(SWASV)对污染水样中的Pb和Cd进行直接定量测试，检测限分别为2.0ng/mL和2.3ng/mL，该方法极大地增强了电化学信号，对苏打水碳酸饮料和地下水等实际样品也表现出优良的分析性能。而针对多种电位相似的氧化还原活性分析物，可在工作电极中加入贵金属类及石墨烯类纳米材料，通过其不同电催化特性，将氧化作用转移到较低的电位，促进信号分离。例如，抗坏血酸和多巴胺的氧化峰电位经常重叠在未修饰的电极上[56]，阻碍了两种分析物准确测定，Sun等[57]通过使用石墨烯/铂纳米复合材料修饰电极，使抗坏血酸峰向较低的氧化电位转移，分离了抗坏血酸和多巴胺。另外，检测抗体或核酸等这类氧化还原活性不高的分子时，可用电化学亲和法，此方法基于生物识别元件与目标分子结合产生电化学信号变化来实现定量分析。Jyoti等[58]开发了一种快速、低成本检测金黄色葡萄球菌的纸基电化学免疫传感器(图7)，实验将金黄色葡萄球菌抗体(Ab)-单壁碳纳米管(SWCNT)生物偶联物固定在工作电极上，通过分析抗原-抗体复合物形成后的峰电流值变化定量检测食品中金黄色葡萄球菌的含量。该免疫传感器峰电流的增加与金黄色葡萄球菌浓度对数呈良好的线性关系(r2=0.976)，对加标牛奶样品进行快速检测(30min)，检出限为13CFU/mL。电化学检测具有便携、简单、选择性高、灵敏度好、电耗低、仪器设备少等特点，不易受照明条件、纸的基质效应和样品颜色引起的背景干扰，同时纸的粗糙度和孔隙率可使沉积材料的表面积增加，改善传感器的响应，灵敏度高。但也存在不足，如制备微电极增加了检测成本，但可通过印刷技术的进步和纳米粒子或导电油墨技术降低成本。

　　3.3化学发光法与电化学发光法化学

　　发光是反应物基态分子吸收化学反应产生的能量后，跃迁到激发态，处于激发态的中间体不稳定，将由激发态回到基态，此时会释放等能量的光子，再对其发光强度进行测定从而实现定量分析，主要用发光剂标记抗原或抗体等生物分子，再固定到纸芯片检测区域对分析物检测[59](图8)。常用的化学发光剂有吖啶酯、三联吡啶钌、鲁米诺等，此类物质发生氧化还原后发光，可由集光器和光电倍增管接收单位时间内产生的光子，得到分析物浓度。电化学发光是化学发光过程的一种衍生[60]，其中信号是通过电化学电势来启动和控制化学发光反应，与化学发光检测相比，更容易实现时间控制的信号捕获，而且检测灵敏度高。Xu等[61]开发了一种基于比色法和电化学发光双模式检测Pb2+的纸基装置，测定了加标自来水和河水等复杂样品基质中的Pb2+含量，回收率分别为96.7%~97.6%和96.1%~99.5%，相对标准偏差(RSD)为3.0%~5.3%和2.2%~5.3%，方法具有良好的可靠性和准确性。——论文作者：李露，杨金易，徐振林，王弘，雷红涛，孙远明，沈玉栋*