摘要：近年來，微流控紙芯片由于低成本、便攜化、檢測(cè)快等優(yōu)點(diǎn)，在需要快速檢測(cè)的環(huán)境分析領(lǐng)域中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。該綜述從微流控紙芯片在環(huán)境分析中的應(yīng)用角度，總結(jié)歸納了微流控紙芯片在環(huán)境分析中 的最新研究進(jìn)展，并展望了其在未來的發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)。該綜述包括微流控紙芯片在環(huán)境檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)與制 造方 法介紹；電化學(xué)法、熒光法、比色法、表面增強(qiáng)拉曼法、集成傳感法等基于紙芯片的先進(jìn)分析方法介紹；根據(jù)環(huán)境分析目標(biāo)物種類，如重金屬離子、營(yíng)養(yǎng)鹽、農(nóng)藥、微生物、抗生素以及其他污染物等，對(duì)紙芯片的最新應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了舉例評(píng)述；基于微流控紙芯片的環(huán)境分析研究的未來發(fā)展趨勢(shì)和前景展望。通過綜述近期相關(guān)研究，表明微流控紙芯片從提出至今雖然只有十幾年的發(fā)展歷程，但其在環(huán)境分析研究中的發(fā)展卻十分迅速。微流控紙芯片可以根據(jù)不同的環(huán)境條件和檢測(cè)要求靈活選擇制作與分析方法，實(shí)現(xiàn)最佳的檢測(cè)效果。但是微流控紙芯片也面臨一些挑戰(zhàn)，如紙張機(jī)械強(qiáng)度不足、流體控制程度不佳等問題。這些問題指出了微流控紙芯片在環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，相信隨著不斷深入的研究，紙芯片 將會(huì)在未來的環(huán)境分析中發(fā)揮更大作用。

1990年，由Ｍanz等第一次提出微型全分析系統(tǒng)這一名詞后，微型分析平臺(tái)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(shí)驗(yàn)室、微流控芯片等，也在迅速崛起。它是對(duì)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(shí)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 。微流控技術(shù)依靠運(yùn)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療領(lǐng)域、生物工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)等許多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

微流控紙芯片或微流控紙分析裝置是基于紙張加工微流體通道的微流控分析設(shè)備，同時(shí)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（ 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(jià)格更高，其來源也不如紙張廣泛。（２）運(yùn)輸方便，便攜性高，可進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。紙張厚度小，可折疊以方便保存和攜帶 。（３）無需外加動(dòng)力源。流體可以通過紙張纖維素的毛細(xì)作用流動(dòng) ，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(dòng)。（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 。（５）環(huán)境友好度高。紙芯片在使用后可通過點(diǎn)燃等簡(jiǎn)單方法進(jìn)行處理，幾乎不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。

微流控紙芯片與環(huán)境監(jiān)測(cè)

１．微流控紙芯片在環(huán)境檢測(cè)分析中的意義

現(xiàn)代社會(huì)迅速發(fā)展帶來的環(huán)境問題越來越多，對(duì)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(duì)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(shí)檢測(cè)的方法進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)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(cè)外，還有其他獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：制作成本低，可以大量生產(chǎn)，增加監(jiān)測(cè)的頻率，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確；高便攜性和運(yùn)輸?shù)谋憷阅軌蚴贡O(jiān)測(cè)的范圍進(jìn) 一步擴(kuò)大，使環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)中，同時(shí)也拓寬了監(jiān)測(cè)結(jié)果的受眾范圍；即時(shí)檢測(cè)能夠?yàn)橥话l(fā)環(huán)境事件提供及時(shí)準(zhǔn)確的反饋，能夠使解決方法更加有針對(duì)性。因此，紙芯片在環(huán)境領(lǐng)域具有重要作用，是對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析的一類強(qiáng)大工具 。

１．２紙芯片的制作方法

制作紙芯片，首先要選對(duì)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(huì)輕易變形；還要有良好的親水或疏水性，以形成測(cè)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) 。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(jià)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(cè)要求選擇不同類型的紙張。

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(dòng)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 。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；使用聚合物如聚二甲硅氧烷（PDMS） 、聚苯乙烯或聚亞胺酯對(duì)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(diǎn)，制作出的紙芯片也具有不同的特點(diǎn)，因此可以根據(jù)對(duì)芯片的不同需要選擇不同的加工方法進(jìn)行制作。

１．1 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(duì)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(duì)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。光刻膠能夠使液體在紙上運(yùn)動(dòng)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 。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(jià)格貴且工藝復(fù)雜。近期本實(shí)驗(yàn)室就采用聚氨酯丙烯酸酯（PUA）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(jiǎn)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等用激光將設(shè)計(jì)好的通道切除，形成的中間鏤空的夾心型紙芯片會(huì)讓流體流動(dòng)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。近期，Kao等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(duì)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(duì)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。與激光刻蝕法原理類似，噴墨劑刻蝕法利用的是噴墨劑對(duì)疏水紙張進(jìn)行改性，針對(duì)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。

一些紙芯片的制造方法示例見圖 １。

2.1其他方法　 　

手工繪圖簡(jiǎn)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(jiǎn)單、對(duì)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(yùn)用于紙芯片的制造，操作簡(jiǎn)單，適合于大批量生產(chǎn)分辨率不高的紙芯片；融蠟浸透法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(gè)印版，其設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的同時(shí)測(cè)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(dú)的圖案紙層黏合在一起的黏合法，以及將單層的圖案紙簡(jiǎn)單折疊的折紙法 。

環(huán)境檢測(cè)分析中微流控紙芯片的分析方法

環(huán)境檢測(cè)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(dòng)感測(cè)平臺(tái)法等。

1.電化學(xué)法　　

電化學(xué)法中的電極通常包括工作電極、對(duì)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或用導(dǎo)電的碳或金屬墨水絲網(wǎng)印刷或噴墨印刷電極，也有研究采用掩模引導(dǎo)噴涂電極。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 、鉑納米顆粒等納米級(jí)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(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子更高水平的檢測(cè)。電化學(xué)紙芯片可以通過折紙法形成3D結(jié)構(gòu)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供更好的分析平臺(tái)，近期還有研究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(zhǎng)使用壽命。

2光學(xué)分析法

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，無需激發(fā)源，所以背景光的信號(hào)更低，誤差更小。但化學(xué)發(fā)光法只能通過試劑和待測(cè)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(shí)間和位置來實(shí)現(xiàn)更好的分析選擇性 。

熒光法需要借助熒光儀進(jìn)行分析，通常是檢測(cè)待測(cè)樣品表面結(jié)合的熒光團(tuán)或紙上量子點(diǎn)的熒光猝滅。據(jù)本課題組的現(xiàn)有研究表明，水中重金屬可通過熒光法在紙芯片上進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)象明顯，檢測(cè)靈敏度高，測(cè)試效果良好。除重金屬離子之外，也有研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了其他污染物包括有毒化合物 、農(nóng)藥、ＤＮＡ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(gè)時(shí)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(jià)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(cè)定。通過構(gòu)建3Ｄ結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種樣品進(jìn)行平行檢測(cè)。

電化學(xué)發(fā)光法是由Delaney 等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(cè)的動(dòng)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。

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(shì)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(cè)物種類上更大范圍的檢測(cè)，還在精度和靈敏度上也將會(huì)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(jiǎn)化，使檢測(cè)過程更加簡(jiǎn)單。

2.2比色法　 　

比色法包括視覺、光度和反射檢測(cè)3種方法 ，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，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(jiǎn)化，分析效率提高。比色法與其他方法如電化學(xué)法等相比，雖然檢測(cè)結(jié)果會(huì)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(shí)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)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(cè)中最為典型的有關(guān)比色法的應(yīng)用是對(duì)水中的硝酸鹽、亞硝酸鹽和重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)?；诒壬ǖ募埿酒瑱z測(cè)水中重金屬離子是一種簡(jiǎn)單實(shí)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(jiǎn)單方便，成本低廉，現(xiàn)象明顯，且靈敏度高。

2.3 表面增強(qiáng)拉曼法

表面增強(qiáng)拉曼是一類分子振動(dòng)光譜，增強(qiáng)分子的拉曼光譜信號(hào)，能夠提高檢測(cè)水平，從而實(shí)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(cè)，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)分析等領(lǐng)域，本課題組目前也正對(duì)基于SERS的紙芯片進(jìn)行積極研究，希望開發(fā)出更加靈敏、檢出限更低的檢測(cè)方法。

2.4集成移動(dòng)感測(cè)平臺(tái)　　

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(dòng)感測(cè)平臺(tái)，在更高水平上更好地發(fā)揮作用，成為一項(xiàng)備受關(guān)注的研究課題。將紙芯片與智能手機(jī)集成，可對(duì)空氣顆粒物、食品中的諾氟沙星 、水中的重金屬和農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)分析，而且核酸等生物分子以及細(xì)菌、病毒等也能采用這種集成平臺(tái)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化了檢測(cè)過程，降低了生產(chǎn)與檢測(cè)成本。本課題組設(shè)計(jì)出一種依據(jù)光反射原理進(jìn)行定量比色測(cè)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(shí)分析，是一類簡(jiǎn)單 高效的 檢測(cè)分析 工具。Chen等設(shè)計(jì)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(jì)說明，智能手機(jī)與紙芯片結(jié)合的集成移動(dòng)感測(cè)平臺(tái)仍有許多方向值得深入研究，能夠在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

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