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(jià)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(shí)檢測的方 法，始終是重金屬污染研究領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注方向。

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，目前采用比色法的紙芯片可以檢測到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，近期有研究采用比色法對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(yùn)動障礙，罹患冠心病的概率上升，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，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50nmol/Ｌ。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。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) 。目前本課題組將熒光法的優(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(shí)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 ，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(diǎn)研究內(nèi)容。平行檢測在節(jié)省時(shí)間的同時(shí)降低了成本，分析效率也得到了顯著提升。由于重金屬離子種類繁多、價(jià)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(shí)，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(jià)值。

圖２　 測定重金屬離子的紙芯片

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；氮磷肥料的相關(guān)工業(yè)的揚(yáng)塵排放、運(yùn)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。

檢測氨的紙芯片大多采用基于比色的氣體擴(kuò)散方法?；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)由膜或隔離物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，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)），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(jì)研發(fā)能夠同時(shí)對亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行測定的裝置也是研究的熱點(diǎn)。最新的一種基于比色法的紙芯片不僅能同時(shí)測定硝酸鹽、亞硝酸鹽，還能測定硼砂和水楊酸。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

環(huán)境中的磷酸鹽也是近年來的重點(diǎn)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，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，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 。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。

近些年來，人們備受環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)污染帶來的困擾，因此對這些營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行常規(guī)定期監(jiān)測十分必要。檢測氨和亞硝酸鹽的傳統(tǒng)方法是采用分光光度法進(jìn)行檢測，而磷酸鹽也通常采用電化學(xué)方法等。這些傳統(tǒng)方法雖然靈 敏度較高，但都依賴于大型儀器，局限于實(shí)驗(yàn)室之中，無法進(jìn)行現(xiàn)場檢測。然而，紙芯片這種成本低、易操作的分析測試方法能夠很好地執(zhí)行這種常規(guī)檢測，并且能夠進(jìn)行現(xiàn)場即時(shí)檢測，解決了傳統(tǒng)檢測方法存在的問題。還可以在紙芯片上針對不同的樣品設(shè)計(jì)不同的預(yù)處理區(qū)域，這與傳統(tǒng)方法相比節(jié)約了測試時(shí) 間，測試效率得到提升。同時(shí)在靈敏度、檢出限、特異性等方面與傳統(tǒng)方法相比，差異并不明顯。通過上述研究能夠看出紙芯片在營養(yǎng)物污染這一領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間，通過結(jié)合更多、更新的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)更多種類、更大范圍的營養(yǎng)物污染監(jiān)測。

3.農(nóng)藥檢測

農(nóng)藥在保護(hù)植物和農(nóng)作物不受病蟲侵害的同時(shí)，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 、液相色譜?質(zhì)譜等方法是測定農(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(shí)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(shí)，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(yàn)等無法對農(nóng)藥進(jìn)行簡單靈活、經(jīng)濟(jì)廉價(jià)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(shí)檢測和多次檢測，同時(shí)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。

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(jià)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(shí)驗(yàn)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(shí)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。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(xiǎn)，現(xiàn)已開發(fā)出多種 μＰＡＤｓ檢測大腸桿菌的方法；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，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(gè)分析過程可在幾小時(shí)內(nèi)完成 。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 。

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(shí)驗(yàn)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(yùn)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。

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。抗生素自被發(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(shí)，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(diǎn)問題。抗生素通常在畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中，作為促進(jìn)生長或用來預(yù)防細(xì)菌感染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 。近期，Ｎｉｌｇｈａｚ 等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(shí)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(diǎn)方向。近期，Ｘｉｎｇ等就制作出一種紙芯片可以同時(shí)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(shí)檢測鉛、微囊藻毒素，氯霉素，睪丸激素和百菌清，整個(gè)檢測過程僅需 20min 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(shí)現(xiàn)了高精度檢測的同時(shí)也帶來了高昂的成本，這其中既有儀器的費(fèi)用也包括不菲的人工成本。運(yùn)用紙芯片對抗生素檢測，則無需考慮上述問題。

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 ，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。這些方法在具有高靈敏度和特異選擇性等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在成本高、操作難度大、便攜性差等缺陷，使得其在實(shí)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(shí)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 、ＳＥＲＳ法 、熒光法 、比色法的微流控紙芯片，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。

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，藻毒素中毒性最高的是微囊藻毒素?ＬＲ（ＭＣ?ＬＲ） ，會造成嚴(yán)重的水 質(zhì)污染，對生物體造成危害 。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(jià)的檢測手段仍是一項(xiàng)重要課 題。Ｇｅ等利用金紙工作電極（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。

圖４　 用于檢測炸藥、藻毒素和鹵化物的紙芯片示例

還有一些污染物，比如碘 、溴、氯等鹵族元素，以及溴化物和其他鹵化物，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(shí)、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(shí)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ΑＭ瑫r(shí)，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(jì)通道使樣品在通往測試區(qū)域時(shí)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(jì)專門區(qū)域進(jìn)行分離提純區(qū)域，減少預(yù)處理時(shí)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(shí)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(jì)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。

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(shí)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(shí)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(shí)際應(yīng)用的價(jià)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(jiān)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(shí)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(shí)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(jì)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(jià)的生產(chǎn)方 法，實(shí)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。

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