毛罕平 左志強 施 杰 楊 寧,2 HUANG J S 嚴玉婷,4

(1.江蘇大學現代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室， 鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學電氣信息工程學院， 鎮(zhèn)江 212013；3.加州大學圣地亞哥分校信息理論與應用研究中心， 圣地亞哥 CA 92126； 4.江蘇大學化工化學學院， 鎮(zhèn)江 212013)

基于紙質微流控芯片的農藥檢測系統(tǒng)

毛罕平1左志強1施 杰1楊 寧1,2HUANG J S3嚴玉婷1,4

(1.江蘇大學現代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室， 鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學電氣信息工程學院， 鎮(zhèn)江 212013；3.加州大學圣地亞哥分校信息理論與應用研究中心， 圣地亞哥 CA 92126； 4.江蘇大學化工化學學院， 鎮(zhèn)江 212013)

針對當前農藥檢測手段儀器復雜、成本昂貴等問題，提出了一種基于紙質微流控農藥檢測方法。設計了具有自動進樣、混合反應、電化學檢測等功能的紙質微流控芯片，采用石墨碳、Ag/AgCl材料以及結合化學交聯(lián)法制備了環(huán)狀結構的絲網印刷酶電極，并利用循環(huán)伏安法對制備的酶電極進行了電化學表征，構建了一套基于酶抑制法的集成酶電極紙質微流控農藥檢測系統(tǒng)。最后建立了酶抑制率與對硫磷濃度的數學模型，并測試了酶電極的性能。實驗結果表明，酶電極具有良好的制備重復性、穩(wěn)定性和線性度。抑制率與對硫磷濃度的負對數在 1.0×10-7～1.0×10-5g/mL范圍內呈良好的線性關系，線性回歸方程為：I=158.82+21.11lgC，R2為0.993，最低檢出限為3.3×10-8g/mL。所制備的酶電極微流控傳感器抗干擾性較強，對對硫磷農藥具有一定的選擇性。加標回收率范圍在95.8%～115.0%之間。

農藥檢測系統(tǒng)； 酶抑制法； 紙質微流控芯片； 酶電極； 電化學檢測

引言

微流控技術是近年來發(fā)展起來的一項以微流體操控為核心的科學技術，它將生化檢測所涉及的進樣、混合、反應、檢測等功能集成到一塊微米尺度芯片上構建“芯片實驗室”(Lab on a chip)，具有集成度高、耗材少、檢測速度快、自動化程度高等特點[1-3]，已逐步被應用在農藥檢測領域。郭紅斌等[4]研制了一種有機磷農藥檢測微流控芯片，利用甲基對硫磷和水解酶發(fā)生水解反應產生有色溶液，用分光光度計檢測；DUFORD等[5]研制了一種由電動機驅動的陣列化離心式旋轉微流控芯片，利用分光光度計對2個獨立通道內顯色區(qū)域進行對比檢測來實現農藥檢測；苑寶龍等[6]研制了一種用于農藥殘留現場快速檢測微流控芯片，以二硫代二硝基苯甲酸和碳酸氫納為顯色劑，結合手持式光度分析裝置實現農藥檢測。以上微流控芯片農藥檢測存在一些不足，微流控芯片造價高、芯片結構復雜、需要外置驅動來操控流體流動。

而紙質微流控芯片的出現，解決了傳統(tǒng)微流控芯片的諸多弊端，它具有成本低、結構簡單、無需外置驅動，依靠自身層析力流動，具有廣泛的應用前景，引起了國內外眾多研究者的關注[7-9]。CARRILHO等[10]利用噴蠟打印法，在紙上創(chuàng)建了完整的疏水區(qū)域、親水通道、流體液池和反應區(qū)，并利用所制作的紙質微流控芯片來檢測乳酸；馬翠翠等[11]創(chuàng)建了一種利用紫外光降解自組裝單分子層的紙芯片制作方法，并以顯色檢測的方式對血液中亞硝酸根進行定量分析；WANG等[12]利用噴蠟打印機、蠟、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等作為疏水性材料結合普通濾紙制備紙芯片，完成了重金屬離子的顯色分析。到目前為止，紙質微流控技術在農藥檢測領域鮮有報道，把紙質微流控技術引入農藥檢測，發(fā)揮紙質微流控芯片諸多優(yōu)勢，將有效彌補傳統(tǒng)微流控農藥檢測成本高、結構復雜、需外置驅動等諸多弊端。

因此，本文基于紙質微流控芯片的廉價、結構簡單、自身層析流動等優(yōu)勢，設計紙質微流控芯片和酶電極，構建基于酶抑制法的集成酶電極紙質微流控農藥檢測系統(tǒng)。測試并驗證酶電極的制備重復性、貯藏性和線性度。建立抑制率與對硫磷濃度的負對數線性數學模型。最后，分別針對實際樣品河水、黃瓜、番茄中的農藥進行加標回收率的計算，為農藥檢測提供一種低廉、簡便的檢測手段。

1 紙質微流控農藥檢測系統(tǒng)

1.1 檢測原理

采用乙酰膽堿酯酶抑制法作為紙質微流控系統(tǒng)檢測農藥的基本生化檢測方法，具體檢測原理為：底物氯化乙酰硫代膽堿在乙酰膽堿酯酶(AChE)催化下分解生成硫代膽堿和乙酸產物，而產物硫代膽堿在電極表面的激勵電流作用下發(fā)生氧化還原反應，最終生成二硫化物、氫離子和電子，從而產生氧化還原電流[13]。化學反應整個過程為

有機磷農藥的磷?；芘c乙酰膽堿酯酶的活性位點緊密結合，導致乙酰膽堿酯酶磷?；Щ頪14]。在上述化學反應中，當加入有機磷農藥后，乙酰膽堿酯酶的活性就會被抑制，催化能力隨之降低，致使中間產物硫代膽堿減少，在電極的電流激勵下，相應生成的二硫化物、氫離子和電子的量也隨之減少，此時氧化還原反應電流降低。通過電極來檢測乙酰膽堿酯酶被農藥抑制前后氧化還原反應伴隨的電流變化，將所檢測到的抑制前后2個電流代入

(1)

式中 I——乙酰膽堿酯酶抑制率 I1——在乙酰膽堿酯酶未被有機磷農藥抑制下底物溶液中所測得的穩(wěn)定電流

I2——在乙酰膽堿酯酶被農藥抑制下底物溶液中所測得的穩(wěn)定電流

可以計算出當前農藥濃度下對應的酶抑制率。

在一定范圍內，有機磷農藥濃度越大，乙酰膽堿酯酶的抑制率就越大，兩者之間具有正相關關系，為實現農藥濃度的定量檢測奠定了重要的基礎。

1.2 紙質微流控芯片結構

紙質微流控芯片選用英國Whatman4號濾紙，如圖1所示，芯片由進樣池A和進樣池B、進樣通道A和進樣通道B、檢測池A和檢測池B、方波型被動式微混合器構成[15]，進樣池A和進樣池B分別位于進樣通道A和進樣通道B的上端部，檢測池A位于進樣通道A的中部，檢測池B位于方波型微混合器混合通道的末端。紙質微流控芯片的微通道橫截面尺寸長為800 μm，寬(即紙厚度)為100 μm, 進樣池A和B的半徑均為2 mm, 檢測池A和B的半徑是進樣池A和B的1.5倍，為3 mm；進樣通道A長度為15 mm, 進樣通道B長度為20 mm, 方波形被動式微混合器有效長度為22 mm。具體原理為：氯化乙酰硫代膽堿溶液從進樣池A進入進樣通道A，經過檢測池A中酶電極檢測電流為I1，之后與從進樣池B中進入進樣通道B中的有機磷農藥匯合，在方波型混合結構中充分混合，并在有機磷農藥抑制后共同進入含有酶電極的檢測池B中得到檢測電流I2, 根據式(1)計算農藥濃度。

圖1 紙質微流控芯片原理圖Fig.1 Schematic of designed paper-based microfluidic chip1.方波型被動式微混合器 2.進樣通道B 3.進樣池B 4.進樣池A 5.進樣通道A 6.檢測池A 7.檢測池B

1.3 酶電極設計及制作

1.3.1 絲網印刷三電極設計

碳具有良好的穩(wěn)定性和導電性，且具有成本低等優(yōu)點，故選用石墨碳為工作電極和對電極的材料。絲網印刷三電極中的參比電極材料一般選用Ag/AgCl[16-17],故選用Ag/AgCl作為參比電極制作材料。

據文獻[18]可知，電極尺寸對擴散傳質速率和電流具有較大的影響。如果電極尺寸半徑越小，那么擴散傳質速率就越大，反應越快。電流與電極表面積成正比，而電極尺寸又不能無限制地縮小，否則會導致電流太小，不利于正常檢測。因此，設計工作電極直徑為3 mm。此外，三電極環(huán)狀結構對去離子水具有較好的電流響應特性[19]，本文設計的三電極結構如圖2所示，參比電極和對電極呈環(huán)形，并分別位于工作電極的兩側，構成絲網印刷三電極，電極采用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為基底。

圖2 絲網印刷三電極Fig.2 Three screen-printed electrodes

1.3.2 乙酰膽堿酯酶的固定

酶固定所用的試劑與儀器有：亞甲基藍(MB，西隴化工)、曲拉通X-100(Triton X-100，西隴化工)、乙酰膽堿酯酶(AchE，上海金穗生物科技有限公司)、戊二醛(C5H8O2，西隴化工)、牛血清白蛋白(BSA，上海金穗生物科技有限公司)、磷酸鹽緩沖液(PBS，自行配制)、微量移液槍(艾本德)。

酶一般有固態(tài)和溶液態(tài)，溶液態(tài)的酶通常不穩(wěn)定、易失活且耗量大成本高，因此需要將酶固定化。目前酶的固定方法分為：吸附法、交聯(lián)法、包埋法、共價鍵合法[20-23]。其中，交聯(lián)法結合力強且穩(wěn)定性好、能保持較好的酶活性，故采用交聯(lián)法作為固定酶的方法，并選用牛血清白蛋白-戊二醛作為交聯(lián)劑。

在乙酰膽堿酯酶固定前，必須首先采用文獻[24]中的方法先對裸電極進行修飾。修飾的目的是提高電極的物化性能，加快電子的傳遞，具體修飾過程如下:把0.128 g亞甲基藍粉末加入到10 mL 0.01 mol/L 的磷酸鹽緩沖液中(pH值為7.4)，不斷攪拌均勻，配置成40 mol/L的亞甲基藍溶液；再向剛配好的亞甲基藍溶液中加入10 μL的Triton X-100 溶液(確保亞甲基藍更好地吸附在電極表面)，攪拌使之充分混合，用微型移液槍抽取5 μL 的修飾溶液滴至工作電極表面，在24℃恒溫的室內放置12 h。電極修飾完畢后，取1 g牛血清白蛋白加入10 mL 磷酸鹽緩沖液中，配置成10%的牛血清白蛋白溶液；取2 mL 25%的戊二醛溶液加入8 mL磷酸鹽緩沖液中，配置成5%的戊二醛溶液；分別取40 μL乙酰膽堿酯酶溶液(500 U/mL)，5 μL 10%的牛血清白蛋白溶液，5 μL 5%的戊二醛溶液，三者充分混合后，用移液槍將5 μL 的混合酶液滴涂在工作電極表面，室溫下晾干后并放置在4℃的冰箱內保存。

1.4 實驗平臺

圖3 紙質微流控農藥檢測實驗平臺Fig.3 Experiment platform of paper-based microfluidic for pesticides detection1.紙質微流控系統(tǒng) 2.微量注射泵 3.轉換接頭 4.電化學工作站

如圖3所示為搭建的紙質微流控農藥檢測實驗平臺，平臺包括紙質微流控系統(tǒng)(由紙質微流控芯片和集成酶電極構成)、微量注射泵(LSP04-1A，保定蘭格)、電化學工作站(CHI660C，上海辰華)。另外，電化學工作站與電極連接線末端的3個金屬夾頭太大，無法夾緊酶電極的三電極，又為了便于酶電極與紙芯片的集成，因此采用了轉換接頭，轉換接頭右邊類似USB插口，便于酶電極平行插入， 轉換接頭左邊引出凸出的3根金屬棒，分別對應三電極，便于電化學工作站連接線上的3個鱷魚夾夾緊。

2 實驗方案與設計

2.1 試劑材料

表征溶液所采用的試劑材料有：亞鐵氰化鉀(K4Fe(CN)6，成都科龍化工)、鐵氰化鉀(K3Fe(CN)6，成都科龍化工)、氯化鉀(KCl，成都科龍化工)。所需要的表征溶液為5 mmol/L鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀溶液+0.1 mol/L氯化鉀溶液，其中，鐵氰化鉀-亞鐵氰化鉀溶液為氧化還原探針，氯化鉀溶液為電解質溶液。配制方法為：稱取0.164 6 g鐵氰化鉀、0.211 2 g亞鐵氰化鉀、0.745 5 g氯化鉀，并用去離子水定容到100 mL即可。

農藥檢測所需試劑材料有：氯化鈉(NaCl，上海國藥試劑)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O，上海國藥試劑)、磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O，上海國藥試劑)、氯化乙酰膽堿即底物(ACH，上海金穗生物科技有限公司)、乙酰膽堿酯酶(AChE，上海金穗生物科技有限公司)、對硫磷溶液(北京世紀奧科生物技術有限公司)。

2.2 實驗方法

采用1.3節(jié)中酶電極制備方法重復制作6只酶電極，將它們分別置于底物溶液中，用差分脈沖伏安法分別測得它們的峰電流，根據峰電流的穩(wěn)定性來測試酶電極的制備重復性。

將制備好的酶電極保存在4℃冰箱中，保持其他環(huán)境相同，每隔5 d測一次峰電流值，以此來考察其穩(wěn)定性。

將10-4g/mL 的對硫磷溶液稀釋成不同濃度梯度的農藥溶液，并將稀釋的農藥和底物溶液同時注入紙質微流控系統(tǒng)，通過電化學工作站采集2個檢測池中集成的酶電極上的電流信號，代入式(1)后可得到當前農藥濃度所對應的抑制率，以此來建立相應的數學模型。通過這種模型來求得所構建系統(tǒng)對有機磷的檢測線性度及最低檢測限。

傳感檢測系統(tǒng)的準確度常選擇用回收率指標來表示[25]。回收率的計算方法為：加標后的實際測量值除以加入的標準濃度值。為考察該檢測系統(tǒng)的實用性能，通過加標回收的方法測算檢測系統(tǒng)的回收率。采用標準加入法，分別用江蘇大學玉帶河水、新鮮黃瓜和番茄汁配置成10-5g/mL、10-6g/mL、10-7g/mL 3種濃度的對硫磷溶液作為標本，利用該紙質微流控農藥檢測系統(tǒng)測出當前農藥濃度值，繼而求得回收率。

3 結果與討論

3.1 酶電極電化學表征

在酶電極電化學表征前，必須對電化學工作站進行參數設置，具體參數設置如下：掃描范圍-0.2～0.6 V，掃描速度0.1 V/s，采樣間隔0.001 V，靜止時間2 s，靈敏度10-5A/V。圖4中曲線a為修飾亞甲基藍的電極，曲線b為修飾亞甲藍并固定酶的電極，曲線c為裸電極。由圖4可知，修飾亞甲基藍的電極在氧化過程中，當工作電壓為-0.026 V時取得峰電流I1；固定酶的電極在氧化過程中，當工作電壓為-0.034 V時取得峰電流I2；裸電極在氧化過程中，當工作電壓為-0.015 V時取得峰電流I3，電流I1>I2>I3。與裸電極相比，修飾了亞甲基藍的電極測得的峰電流明顯增大，極大地改善了電極導電性能，表明亞甲基藍的修飾提高了電極的電導性；而把膽堿酯酶固定到電極上時，峰電流反而有所減小, 原因是酶分子沒有導電性，阻礙了電子的傳遞，也說明酶固定成功。

圖4 循環(huán)伏安表征圖Fig.4 Cyclic voltammetry characterization

最后利用電化學工作站探究掃描速度v與峰電流I之間的關系。設置掃描速度為6個不同的值，分別為50、75、100、125、150、200 mV/s，在不同的掃描速度下測取峰電流。如圖5所示，隨著掃描速度的增加，峰電流也相應地增加，實驗數據顯示，峰電流與掃描速度的平方根之間呈現出良好的線性關系，氧化反應和還原反應過程的相關性方程分別為：I=-14.48v1/2+41.53(決定系數R2=0.993)、I=19.15v1/2-59.84(決定系數R2=0.996)，實驗結果說明在氧化還原反應過程中，電極表面表現出擴散電流的特征。

圖5 掃速平方根與峰電流關系曲線Fig.5 Relationship between square root of sweep speed and peak current

3.2 酶電極性能測試與分析

3.2.1 重復性

制作出來的不同電極之間物理化學性質相差太大，會給檢測結果造成較大的誤差，所以需要驗證以相同的工藝重復制備多只電極時的制備重復性是否滿足要求。

采用相同的制作工藝制備出6只酶電極，并放置在相同的底物溶液中測試，以電極對底物的電流響應值來測試酶電極的制備重復性。所測得6只酶電極峰電流的方差S2為0.16，相對標準偏差(RSD)為5.04%。實驗結果表明，當制作6只酶電極時，峰電流的離散度較低，說明相同工藝制作出的多只電極之間的物化性能相差不大，檢測效果相似，因此，酶電極有良好的制備重復性，可批量制備。

3.2.2 穩(wěn)定性

把制備完成的酶電極保存在溫度為4℃的冰箱中，保持其他環(huán)境相同，每隔5 d測量一次。過15 d后，在底物溶液中測得的峰電流仍然保持在初始電流的90%以上，30 d后測得的峰電流值保持在初始電流的80%左右，實驗數據說明酶電極在保持良好的性能之下存放時間較長，穩(wěn)定性好，且保持良好穩(wěn)定性最佳時間范圍在15 d以內。主要原因是電極表面被修飾了亞甲基藍，亞甲基藍表現出了兩大優(yōu)勢，第一提高了電極的電導性，能夠促進電子轉移，第二使電極具有更好的生物兼容性，保持其表面所固定酶的活性，也能使固定在電極表面的酶更加牢固，提高了酶的有效固定量。

3.2.3 線性度

線性度是衡量紙質微流控農藥檢測系統(tǒng)特性的一個重要指標，表征了平均校準曲線與擬合直線之間的偏離程度。只有系統(tǒng)保持較高的線性度，才能建立更準確的數學模型，達到精準檢測農藥的目的。因此，需要測量線性度來考察檢測系統(tǒng)的性能。

實驗結果如圖6所示，抑制率與對硫磷濃度的負對數在1.0×10-7～1.0×10-5g/mL 的濃度范圍內呈現出良好的線性關系，線性回歸方程為：I=158.82+21.11lgC，其中C表示對硫磷濃度，決定系數R2為0.993，按抑制率為10%確定檢出限，則檢出限為3.3×10-8g/mL，該檢測方法檢出限低于對硫磷國家檢出限標準5.0×10-7g/mL。

圖6 對硫磷濃度負對數與抑制率關系Fig.6 Relationship between negative logarithm of parathion concentration and inhibition rate

3.2.4 抗干擾選擇性測試

圖7 不同干擾物質加入后酶電極對0.4 μg/mL對硫磷溶液的電化學響應Fig.7 Amperometric response of sensor to 0.4 μg/mL parathion in absence and presence of different interference substances

3.3 實際樣品檢測

采用江蘇大學玉帶河水、新鮮黃瓜和番茄搗碎萃取汁液作為實際樣本。通過標準加入法，把10-4g/mL的對硫磷溶液加入到不等量的河水、新鮮黃瓜汁和番茄汁中，稀釋配置成10-5、10-6、10-7g/mL 3種濃度的對硫磷溶液，利用加標回收的方法測取系統(tǒng)的回收率，回收率的計算方法為：加標后的實際檢測濃度除以加入的標準濃度(加標回收率在90%～120%之間視為正常)。

表1 河水中對硫磷檢測濃度Tab.1 Detectable concentrations of parathion in river water g/mL

表2 河水中對硫磷的加標回收率Tab.2 Recovery rates of parathion in river water

表3 黃瓜汁中對硫磷的檢測濃度Tab.3 Detectable concentrations of parathion in cucumber juice g/mL

表4 黃瓜汁中對硫磷的加標回收率Tab.4 Recovery rates of parathion in cucumber juice

表5 番茄汁中對硫磷的檢測濃度Tab.5 Detectable concentrations of parathion in tomato juice g/mL

所制備酶電極傳感器分別對河水、新鮮黃瓜汁和番茄汁的回收率范圍都處在正?；厥章史秶?0%～120%內，方差S2都小于1, 相對標準偏差都小于10%, 結果表明所制備的酶電極抗干擾性較強。其中，加標回收率在以100%為基準上下微小浮動，原因是實際樣品中存在各種不明的雜質等干擾物質，對制備的酶電極傳感器有一定程度上微小的干擾，河水的水質環(huán)境最為復雜，不明干擾物質較多，其回收率的范圍、方差、相對標準偏差相比新鮮黃瓜汁和番茄汁較大。

表6 番茄汁中對硫磷的加標回收率Tab.6 Recovery rates of parathion in tomato juice

由此可知，所設計的紙質微流控農藥檢測系統(tǒng)檢測農藥的加標回收率在正常范圍內，抗干擾能力較強，準確度較高，可用于實際樣品的檢測。

4 結束語

設計了紙質微流控芯片和酶電極，構建了紙質微流控農藥檢測系統(tǒng)并測試了酶電極的檢測性能。測試結果說明酶電極具有良好的制備重復性、穩(wěn)定性；建立了抑制率和對硫磷農藥的數學模型，即抑制率與對硫磷濃度的負對數在1.0×10-7～1.0×10-5g/mL范圍內呈現出良好的線性關系，線性回歸方程為：I=158.82+21.11lgC，R2為0.993，檢出限為3.3×10-8g/mL；檢測河水中的農藥時，加標回收率的范圍在95.8%～115.0%之間；檢測黃瓜汁中的農藥時，加標回收率的范圍在96.2%～111.0%之間；檢測番茄汁中的農藥時，加標回收率的范圍在99.1%～110.0%之間；實驗結果表明所設計的紙質微流控農藥檢測系統(tǒng)的準確度較高、可靠性強，可用于實際樣品的檢測。

1 FOUDEH A M, DIDAR T F, VERES T, et al. Microfluidic designs and techniques using lab-on-a-chip devices for pathogen detection for point-of-care diagnostics[J]. Lab on a Chip, 2012, 12(18): 3249-3266.

2 ZHENG G, WANG Y, WANG Z, et al. An integrated microfluidic device in marine microalgae culture for toxicity screening application[J]. Marine Pollution Bulletin, 2013, 72(1): 231-243.

3 GRACIOSO MARTINS A M, GLASS N R, HARRISON S, et al. Toward complete miniaturisation of flow injection analysis systems：microfluidic enhancement of chemiluminescent detection[J]. Analytical Chemistry, 2014, 86(21): 10812-10819.

4 郭紅斌, 陳國平, 蘭文升,等. 一種用于有機磷農藥檢測的微流控傳感器[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2011, 30(6):84-86. GUO Hongbin, CHEN Guoping, LAN Wensheng, et al. A microfluidic sensor for detection of organophosphorus compounds[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2011, 30(6): 84-86.(in Chinese)

5 DUFORD D A, XI Y, SALIN E D. Enzyme inhibition-based determination of pesticide residues in vegetable and soil in centrifugal microfluidic devices[J]. Analytical Chemistry, 2013, 85(16): 7834-7841.

6 苑寶龍, 王曉東, 楊平,等. 用于農藥殘留現場快速檢測的微流控芯片研制[J]. 食品科學, 2016, 37(2):198-203. YUAN Baolong, WANG Xiaodong, YANG Ping, et al. Fabrication and analytical application of microfludic chip for rapid on-site detection of pesticide residues [J]. Food Science, 2016, 37(2): 198-203.(in Chinese)

7 PAROLO C, MERKO I A. Paper-based nanobiosensors for diagnostics[J]. Chemical Society Reviews,2013,42(2):450-457.

8 SHAH P, ZHU X, LI C Z. Development of paper-based analytical kit for point-of-care testing[J].Expert Review of Molecular Diagnostics,2013,13(1):83-91.

9 BHAKTA S A, BORBA R, JR M T, et al. Determination of nitrite in saliva using microfluidic paper-based analytical devices[J].Analytica Chimica Acta,2014,809:117-122.

10 CARRILHO E, MARTINEZ A W, WHITESIDES G M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics[J]. Analytical Chemistry,2009,81(16): 7091-7095.

11 馬翠翠，何巧紅. 基于無光膠紫外光刻技術制作紙芯片的研究[C]∥2012年第三屆國際微流控分析學術論壇會議，2012.

12 WANG S, GE L, LI L, et al. Molecularly imprinted polymer grafted paper-based multi-disk micro-disk plate for chemilumin-escence detection of pesticide[J].Biosensors and Bioelectronics,2013,50:262-268.

13 孫霞，王相友，王小俞. 用于農藥殘留快速檢測的生物傳感器靈敏度篩選試驗[J].農業(yè)工程學報，2009，25(3):295-297.

14 廖淑珍. 新型乙酰膽堿酯酶生物傳感技術研究及有機磷檢測應用[D]. 長沙： 湖南大學, 2013.

15 毛罕平, 施杰, 楊寧, 等. 紙質被動式農藥微混合器混合特性試驗[J/OL]. 農業(yè)機械學報, 2016,47(7):73-79. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160711&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.07.011. MAO Hanping, SHI Jie, YANG Ning, et al. Mixing characteristics experiment of paper-based passive micro-mixer for mixing pesticide[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(7):73-79. (in Chinese)

16 RENEDO O D, ALONSO-LOMILLO M A, MARTINEZ M J. Recent developments in the field of screen-printed electrodes and their related applications[J].Talanta,2007,73(2):202-219.

17 TUDORACHE M, BALA C. Biosensors based on screen-printing technology and their applications in environmental and food analysis[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry,2007,388(3):565-578.

18 張祖訓. 超微電極電化學[M]. 1版. 北京：科學出版社，1998：10-11.

19 RICCI F, AMINE A, PALLESCH G, et al. Prussian blue based screen printed biosensors with improved characteristics of long-term lifetime and pH stability[J].Biosensors and Bioelectronics,2003,18(2):165-174.

20 SOFIA S, VICKY V, NIKOS A C. Stabilization of enzymes in nanoporous materials for biosensor applications[J]. Biosensors and Bioelectronics,2005,20:1674-1679.

21 KOK F N, HASIRVI V. Determination of binary pesticide mixtures by an acetyl cholinesterase-choline oxidase biosensor[J]. Biosensors and Bioelectronics,2004, 19:661-665.

22 李元光，周永新，馮建林，等. 絲網印刷膽堿酯酶電極測定神經性毒劑沙林、梭曼[J].分析化學，2000，28(1):95-98.

23 高慧麗，康天放，王小慶，等.溶膠-凝膠法固定乙酰膽堿酯酶生物傳感器測定有機磷農藥[J].環(huán)境化學，2005，24(6):707-710.

24 李敏. 基于絲網印刷碳糊電極的血紅蛋白電化學生物傳感器研究[D].杭州：浙江大學，2014.

25 CHAI Y, NIU X H, CHEN C, et al. Carbamate insecticide sensing based on acetylcholinesterase/prussian blue-multi-walled carbon nanotubes/screen-printed electrodes[J]. Analytical Letters,2013,46(5):803-817.

Detection System for Pesticides with Paper-based Microfluidic Chip

MAO Hanping1ZUO Zhiqiang1SHI Jie1YANG Ning1,2HUANG J S3YAN Yuting1,4
(1.KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentandTechnology,MinistryofEducation,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China2.SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China3.TheInformationTheoryandApplicationsCenter，UniversityofCaliforniaSanDiego,SanDiegoCA92126,USA4.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

In order to solve the problems relating to pesticides detection with the use of complex instruments in terms of high cost, tedious operation and low degree of automation, a new method for pesticides detection with paper-based microfluidic chip was provided. The paper-based microfluidic chip was designed and developed with automatic sample injection, hybrid reaction and electrochemical detection. Subsequently, the enzyme electrode of ring structure was prepared by chemical crosslinking method using graphite carbon and Ag/AgCl materials and then characterized with electrochemistry cyclic voltammetry (CV). The integrated enzyme electrode of the paper-based microfluidic detection system for pesticides was built based on enzyme inhibition mechanism. Finally, the linear model between inhibition rate and parathion pesticides concentration was set up and the performance of the enzyme electrode was tested. The results showed that the prepared enzyme electrode was of good repeatability, linearity and stability. Furthermore, a linear relationship was displayed between inhibition rate and parathion pesticides, which was represented by the equationI=158.82+21.11lgCwith good linear range of 1.0×10-7g/mL～1.0×10-5g/mL. The determination coefficient obtained was 0.993 and the corresponding limit of detection was 3.3×10-8g/mL. The enzyme electrode integrated on the paper-based microfluidic chip was robust with parathion pesticides which can not be interfered with other pesticides and substance with standard addition recovery rate of 95.8%～115.0%.

pesticides detection system; enzyme inhibition method; paper-based microfluidic chip; enzyme electrode; electrochemical detection

2016-08-13

2016-10-19

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B03)、國家自然科學基金重點項目(61233006)、國家自然科學基金項目(31671584)、江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CXC1571033-02)和江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程項目(蘇財教(2014)37號)

毛罕平(1961—)，男，教授，博士生導師，主要從事現代農業(yè)裝備和設施農業(yè)環(huán)境控制技術研究，E-mail: maohp@ujs.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.011

S220.1； TH703

A

1000-1298(2017)05-0094-07