紙基微流控技術及其在食品安全檢測中的研究進展

李 露，楊金易，徐振林，王 弘，雷紅濤，孫遠明，沈玉棟

（華南農業(yè)大學 食品學院，廣東省食品質量安全實驗室，廣東 廣州510642）

隨著生活水平的提高，人們越來越注重健康，而食品安全問題在全世界范圍內是一個非常重要的公共健康問題。近年來，“蘇丹紅”、“三聚氰胺”、“染色饅頭”等食品安全事件不斷，引起人們的強烈關注。為確保食品的質量與安全，發(fā)展高效快速評估食物產業(yè)鏈潛在有害因素的檢測方法至關重要。目前，我國食品安全監(jiān)測主要采用快速篩查檢測與大型儀器確證技術互補模式。大型檢測儀器如色譜、質譜及其聯(lián)用技術等雖然可以滿足精準檢測的要求，但其價格昂貴、檢測周期長、費用高，無法適應現(xiàn)場檢測［1－3］?？焖俸Y查法作為大型儀器確證技術的補充，在我國食品安全監(jiān)控中發(fā)揮著越來越重要的作用，主要包括免疫分析技術［4］、酶抑制法［5］、傳感技術［6］、光譜檢測技術［7］等，通常具有無需大型儀器、成本低、快速、可現(xiàn)場、易于使用等優(yōu)點，已成為人們持續(xù)的研究熱點。然而，目前各單項快速檢測技術仍存在需手動進樣，自動化程度低，難以普遍實現(xiàn)多重多靶標分析，消耗試劑多等問題，與現(xiàn)階段我國快速增長的食品行業(yè)亟待高通量、集成化、微型化檢測技術的需求矛盾突出。

2007年，由Martinez等［8］首次提出的微全分析系統(tǒng)（Micro－total－analysis systems，μTAS）（又稱微流控芯片技術）迅速發(fā)展，成為當代前沿整合性平臺技術之一，具有消耗試劑少、可自動化、多重分析等優(yōu)點，與目前流行的多數(shù)快速檢測方法相結合，可將樣品前處理、試劑反應、分離檢測等繁雜的操作集中在微米尺度的芯片上，提供更準確的檢測結果，為食品安全快速檢測提供了新思路［9－11］。近些年，本課題組也初步開展了食品中農獸藥的微流控芯片免疫檢測方法研究［12］，該方法具有高通量、樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便等特點。微流控芯片是μTAS的核心技術之一，為各類快速檢測技術提供了微型化和集成化的理想平臺，可由石英、玻璃、高分子聚合物、紙等多種材料構成，其中基于紙張的微流控檢測平臺（μPADs）研究報道較多［13－14］，與通常需要外加泵來控制流體的傳統(tǒng)μTAS相比優(yōu)點突出：①體積小，消耗試劑少；②質地柔軟，易與固體物質接觸富集分析物；③氣體可透過材料，避免產生氣泡；④可依靠毛細作用輸送液體；⑤材料成本低，器件制作簡單；⑥可儲存和運輸一定體積的試劑，使用時無需添加反應試劑。基于這些優(yōu)勢，越來越多的分析方法可在紙基平臺上實現(xiàn)，如比色法、電化學法、化學發(fā)光法、熒光法等［15］。目前開發(fā)與各種檢測方法聯(lián)用的紙基微流控設備已成為研究發(fā)展的趨勢，μPADs在生物醫(yī)學、環(huán)境、臨床分析和化工等領域均被廣泛應用［16－17］，其低成本、高靈敏、非專業(yè)人員可使用并快速獲得檢測結果的優(yōu)勢，使之在食品安全方面也具有巨大的發(fā)展空間和潛力，成為將傳統(tǒng)快速檢測技術集成化的理想選擇。

μPADs技術的基本工作原理（圖1）是在親水紙基上制作圖案化的疏水屏障，形成毛細管微流通道，以控制微量液體流動。其技術要點在于紙芯片的制備及流量的控制，這將影響流體通道構建、樣品前處理過程及檢測通量等問題，另外，檢測方法將決定檢測靈敏度和準確度。因此，本文從技術層面對紙芯片制備、流體操控及檢測模式進行了介紹，并綜述了μPADs在食品安全檢測中的應用研究進展，提出了目前在食品行業(yè)未來面臨的挑戰(zhàn)和今后的發(fā)展趨勢。

圖1 基于紙張微流體通道示意圖［14］Fig.1 Schematic diagram of a paper-based microfluidic channel［14］

1 紙基微流控芯片的制備

1.1 紙基微流控芯片功能化改性

紙基微流控芯片以濾紙、石墨紙、色譜紙等多孔膜為材料，這類材料由純纖維組成，表面含有豐富的羥基，具有高親水性，能夠進行功能化修飾，是運輸流體和固定生物分子的理想材料。目前大多采用化學改性方法或物理沉積技術堵塞纖維素紙內的孔隙來改變親水性纖維的物質特征，從而建立疏水屏障，形成限定的親水毛細管通道，達到運輸流體的目的，功能化改性方法包括光刻法、蠟染、噴墨打印、絲網印刷、柔性版印刷、3D打印、壓花、聚二甲基硅氧烷（PDMS）屏蔽法等［18－19］，Ganesan等［14］進行了較全面的總結（圖2）。基于紙基微流控芯片的食品安全檢測分析方法，通常需在親水纖維素上固定生物傳感分子，迄今為止有物理吸附、包埋法及化學固定3種方式［20］。物理吸附主要取決于范德華力和靜電作用，將生物分子通過浸泡或涂刷的方式直接沉積在紙張表面［21］。包埋法是通過溶膠-凝膠法將生物分子包埋在特定基質中，以凝膠中形成的二氧化硅層為媒介將傳感材料固定在紙纖維上［22］?；瘜W固定主要依靠生物分子和纖維素之間穩(wěn)定的共價鍵，共價固定的方式大多基于纖維素羥基的化學修飾，如二乙烯砜化［23］、醛基和羧基化［24－25］、4-疊氮-1-氟-2-硝基苯化［26］、環(huán)氧化［27］等各種表面功能化。但紙基表面纖維素化學結構具有差異性，羥基的類型和位置各有不同，將影響其可及性和反應性，通常C3位的羥基活性最低，而C2和C6位的羥基活性最強。B?hm等［28］開發(fā)了一種基于光交聯(lián)聚合物涂層的方法用于纖維表面改性，不依賴于纖維表面的OH基團，實現(xiàn)了酶在紙纖維上的共價附著。

圖2 紙基微流控裝置的表面改性技術［14］Fig.2 Surface modification of paper-based microfluidic devices［14］

1.2 紙基微流控芯片的構造

根據流體流動的方向（水平或垂直水平方向），紙基微流控芯片可大致分為二維（2D）和三維（3D）。通過上述表面改性方法制備的平面紙基微流控芯片可視為2D μPADs，其結構簡單易得，但使用效果不佳，流體在通道中的滲透、揮發(fā)及粘滯力會導致傳送率降低，干擾檢測結果，無法滿足高通量現(xiàn)場檢測需求［29－31］。而三維紙基微流控裝置（3D μPADs）可使流體在垂直和水平方向上分布，將錯綜復雜的通道網絡連接到統(tǒng)一測試區(qū)域，實現(xiàn)快速檢測多種物質的目標，具有低成本、簡單和靈活的優(yōu)點。3D μPADs的制備主要通過堆疊和折紙的方法獲得，如Andres等［32］設計了一種利用紙和雙面膠帶分層制作三維微流控裝置的方法（圖3），該方法通過交叉堆疊的方式將切割成相同尺寸的紙層與膠帶層組裝成三維裝置，使得試劑可通過在紙上自驅動相互作用實現(xiàn)多重分析。Xie等［33］開發(fā)了一種使用PDMS涂布可折疊掩膜的3D紙基微流控芯片，將色譜紙插入具有特定圖案的PDMS折疊膜形成夾層結構，構造清晰的通道，具有簡單、省時、環(huán)保、經濟實用、材料易獲取等優(yōu)點。

圖3 三維紙基微流控芯片示意圖［32］Fig.3 Schematic diagram of 3D μPADs［32］

2 流體在紙基材料上的運輸

2.1 運輸機理

紙基微流控芯片毛細管通道孔徑小、纖維長度短，雷諾數(shù)低，流體的粘性力占主要地位，使流體呈層流狀態(tài)運動［34－35］。

流體正處于緩慢滲透紙張的狀態(tài)為不完全浸濕階段。此時，多孔網絡中的流體可看作一維流體，即只有長度而沒有寬度和高度，其傳輸過程遵循Washburn方程［36］：其中，L為流體滲透距離；t為時間；D為平均毛細管半徑；γ為液體的表面張力；μ為流體粘度；θ為流體和邊界壁之間的夾角。由方程可知，流體的表面張力有利于液體滲入紙層，而流體的粘性阻力與速度成正比，且隨流體移動距離的增加而增加，導致流體穿過多孔介質時流速降低。此方程忽略不計引力、蒸發(fā)效應和疏水邊界對毛細管流的影響，具有一定的局限性，僅能用于一維流體，不適用于可變橫截面的紙條。且在潤濕過程中纖維會發(fā)生膨脹，流體在纖維內的流動，也將影響流體的滲透距離，因此通常情況下流體滲透距離預測結果偏大于實際值［37－38］。

流體充滿紙基材料，通過毛細作用運輸時為完全浸濕階段。流體在等寬直紙道中流動可用達西定律描述［39］：Q=-κWHΔP/μL，式中Q為容積流量，κ為紙張滲透性，WH為紙張垂直流動的橫截面積，μ為動態(tài)粘度，ΔP為沿流線在通道長L處發(fā)生的壓降。在N個連通的不同寬度的直流道中，流體通過每個通道的試劑流量相同，時間t=V/Q，V為通道體積，將Q帶入可得：

假設滲透率、粘度和壓差恒定，則流體在兩個紙帶中傳輸時間由紙帶的幾何性質決定。兩個矩形紙帶組成的通道（這兩個矩形紙帶的長度分別為L1和L2、寬度分別為W1和W2），流體的輸送時間為t=當方程中L1＝L2時，W2/W1比例越大，流體的運輸時間越長。

2.2 流量控制方法

實際應用中，對食品中有害物質的復雜分析將會增加試劑數(shù)量和洗滌步驟，亟待開發(fā)更智能化的紙基流體操控技術，這些技術可將試劑和樣品在適當?shù)臋z測時間內輸送到相應區(qū)域。根據有無外部輸入設備可將μPADs分為被動和主動裝置。被動裝置依靠毛細作用輸送流體無需額外設備，簡單易制造，但流量控制精度低。主動裝置依賴于外部輸入系統(tǒng)，能夠達到多步驟精確控制流體流量的目的［40］。

被動式流體控制裝置可通過化學處理紙張或改變紙張的形狀來控制流體。有實驗將稀釋的蔗糖溶液鋪在紙板上做干燥處理以延遲液體流動，不同濃度的樣品溶液溶解蔗糖能力不同，導致流體粘度發(fā)生變化，從而實現(xiàn)延遲效應［41］。Houghtaling等［42］在紙通道內建立可溶解橋，切斷流體流動以調節(jié)流量。另外，還可通過改變紙張形狀來調整流體流量，如Fu等［43］設計了3組實驗來說明多孔介質中流體在紙上的滲透過程（圖4）。當紙帶寬度不同時，流體滲透速度相同，流體輸送量與紙帶寬度成正比；當流體滲透到由窄變寬的過渡段時，流體的滲透速度明顯增加，過渡段位置在紙片總長度的二分之一處時，流體滲透時間最短；當流體滲透到由窄變寬的過渡段時，違反了恒截面Washburn方程，流體的滲透速度明顯減慢。目前關于無閥紙基材料上的流體操縱技術已有不少研究可供參考［44－45］。

圖4 改變紙條幾何形狀制備的紙基芯片［43］Fig.4 A paper-based chip prepared by changing the strip geometry［43］

與被動裝置相比，主動運輸裝置需要外部輸入和附加設備，具有可編程性、可再現(xiàn)性、多種操作的優(yōu)點。Koo等［46］利用電潤濕現(xiàn)象在微流控裝置中實現(xiàn)了對流體的控制，主要將聚四氟乙烯疏水導電電極和親水導電電極印刷于紙上，通過施加電壓破壞疏水電極的氟化層，使樣品試劑從親水電極透過后到疏水電極停止，直接控制流體流動，實現(xiàn)了食源性病原體釀酒酵母的檢測。Rosenfeld等［47］則利用電滲泵（EO）通過施加電壓創(chuàng)建可逆性調節(jié)閥門來實現(xiàn)加速或延遲流體的運輸。而Qi等［48］將熒光檢測與分子印跡技術結合在旋轉芯片上測定了4-硝基酚（4-NP）和2，4，6-三硝基酚（TNP）兩種酚類污染物，該旋轉閥可360°旋轉控制流體流動，同時增加芯片空間利用率，實現(xiàn)了多路檢測（圖5）。另外，對于利用機械驅動的有閥裝置，常采用可膨脹材料、電磁閥、壓力閥和可重新配置的流量開關來操縱流體。有研究利用海綿的可膨脹性使得與海綿相關聯(lián)的通道連接到另一個通道，從而控制流體的傳送［49］。Kim等［50］研究了一種依靠螺線管驅動的壓力閥，通過向螺線管制動器施加電壓增加對紙條的壓力，從而延遲流體流動。壓力驅動閥門系統(tǒng)采用Arduino微處理器實現(xiàn)了可編程可重復的流體控制。一般基于主動運輸?shù)挠虚y裝置具有精確控制流體流量及方向的優(yōu)點，但需額外的機械或外部系統(tǒng)可能導致成本及復雜性增加而影響實用性。

圖5 基于旋轉閥的紙基微流控裝置［48］Fig.5 μPADs based on rotary valve［48］

3 μPADs檢測技術

3.1 比色法

比色法的原理是通過毛細管作用將分析溶液運輸?shù)皆囼瀰^(qū)，與精確裝載的傳感材料發(fā)生顏色反應，實現(xiàn)可視化定性或定量分析。根據分子相互作用的類型，比色傳感可被分為生物傳感和化學傳感。生物分子傳感包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、核酸等生物活性物的檢測，常用的傳導材料有酶、氧化還原指示劑和納米顆粒。例如Nouanthavong等［51］利用有機磷農藥對固定化乙酰膽堿酯酶的抑制作用，開發(fā)了一種納米顆粒包裹的μPADs傳感器以提高檢測靈敏度，可用于食品中甲基對氧磷和毒死蜱殘留的比色檢測，檢測限分別為18 ng/mL和5.3 ng/mL，對加標白菜和干貝中甲基對氧磷的回收率均在95%左右（圖6）?；瘜W分子的傳感可分為有機化合物、重金屬離子、易爆物和有毒氣體的檢測，常用的化學反應染料有路易斯酸/堿性染料、布隆斯特德酸/堿性染料、溶劑變色染料和金屬卟啉等，可對不同分析物顯示不同的顏色。貴金屬納米顆粒（如金、銀、銅）因其獨特的表面等離子體共振特性可被用于重金屬的檢測，主要通過納米顆粒的聚集或分解導致表面等離子體共振特性發(fā) 生 變 化 實 現(xiàn) 信 號 輸 出［52－53］。Chen等［54］借 助Janovsky顏色反應原理開發(fā)了食品中常用添加劑苯甲酸的μPADs檢測平臺，并制備了一套由微型加熱儀、檢測盒和智能手機組成的便攜式檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了多樣品檢測目的，但有時背景紙張顏色或照明可能會導致自動讀數(shù)出現(xiàn)偏差。

圖6 基于納米顆粒對有機磷殺蟲劑的紙基微流控比色檢測系統(tǒng)［51］Fig.6 Paper-based microfluidic colorimetric detection system for organophosphorus insecticides based on nanoparticles［51］

3.2 電化學法

電化學檢測需在紙基表面制造敏感電極，然后在電極上固定生物活性分子，使其具備捕獲目標分子的能力。敏感電極可將待測物質與固定化生物分子之間發(fā)生相互作用時所產生的生物化學信號轉化為電流、電勢、阻抗等電信號，從而實現(xiàn)定性或定量檢測。通常具有氧化活性的生物分子或重金屬可使用安培法和伏安法引起電流響應直接進行鑒定。Shi等［55］通過方波陽極溶出伏安法（SWASV）對污染水樣中的Pb和Cd進行直接定量測試，檢測限分別為2.0 ng/mL和2.3 ng/mL，該方法極大地增強了電化學信號，對蘇打水碳酸飲料和地下水等實際樣品也表現(xiàn)出優(yōu)良的分析性能。而針對多種電位相似的氧化還原活性分析物，可在工作電極中加入貴金屬類及石墨烯類納米材料，通過其不同電催化特性，將氧化作用轉移到較低的電位，促進信號分離。例如，抗壞血酸和多巴胺的氧化峰電位經常重疊在未修飾的電極上［56］，阻礙了兩種分析物準確測定，Sun等［57］通過使用石墨烯/鉑納米復合材料修飾電極，使抗壞血酸峰向較低的氧化電位轉移，分離了抗壞血酸和多巴胺。另外，檢測抗體或核酸等這類氧化還原活性不高的分子時，可用電化學親和法，此方法基于生物識別元件與目標分子結合產生電化學信號變化來實現(xiàn)定量分析。Jyoti等［58］開發(fā)了一種快速、低成本檢測金黃色葡萄球菌的紙基電化學免疫傳感器（圖7），實驗將金黃色葡萄球菌抗體（Ab）－單壁碳納米管（SWCNT）生物偶聯(lián)物固定在工作電極上，通過分析抗原-抗體復合物形成后的峰電流值變化定量檢測食品中金黃色葡萄球菌的含量。該免疫傳感器峰電流的增加與金黃色葡萄球菌濃度對數(shù)呈良好的線性關系（r2=0.976），對加標牛奶樣品進行快速檢測（30 min），檢出限為13 CFU/mL。電化學檢測具有便攜、簡單、選擇性高、靈敏度好、電耗低、儀器設備少等特點，不易受照明條件、紙的基質效應和樣品顏色引起的背景干擾，同時紙的粗糙度和孔隙率可使沉積材料的表面積增加，改善傳感器的響應，靈敏度高。但也存在不足，如制備微電極增加了檢測成本，但可通過印刷技術的進步和納米粒子或導電油墨技術降低成本。

圖7 電化學紙基傳感系統(tǒng)的原理圖［58］Fig.7 Schematic diagram of electrochemical paper-based sensing system［58］

3.3 化學發(fā)光法與電化學發(fā)光法

化學發(fā)光是反應物基態(tài)分子吸收化學反應產生的能量后，躍遷到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的中間體不穩(wěn)定，將由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，此時會釋放等能量的光子，再對其發(fā)光強度進行測定從而實現(xiàn)定量分析，主要用發(fā)光劑標記抗原或抗體等生物分子，再固定到紙芯片檢測區(qū)域對分析物檢測［59］（圖8）。常用的化學發(fā)光劑有吖啶酯、三聯(lián)吡啶釕、魯米諾等，此類物質發(fā)生氧化還原后發(fā)光，可由集光器和光電倍增管接收單位時間內產生的光子，得到分析物濃度。電化學發(fā)光是化學發(fā)光過程的一種衍生［60］，其中信號是通過電化學電勢來啟動和控制化學發(fā)光反應，與化學發(fā)光檢測相比，更容易實現(xiàn)時間控制的信號捕獲，而且檢測靈敏度高。Xu等［61］開發(fā)了一種基于比色法和電化學發(fā)光雙模式檢測Pb2+的紙基裝置，測定了加標自來水和河水等復雜樣品基質中的Pb2+含量，回收率分別為96.7%～97.6%和96.1%～99.5%，相對標準偏差（RSD）為3.0%～5.3%和2.2%～5.3%，方法具有良好的可靠性和準確性。

圖8 制作用于H-FABP、CTnl和copeptin多重CL免疫分析的3D μPAD的示意圖［59］Fig.8 Schematically illustration for the fabrication of the 3D μPAD for multiplexed CL immunoassay of H-FABP，CTnl and copeptin［59］

3.4 熒光法

熒光法利用目標分子和熒光劑之間的相互作用，用特定波長的光源來誘導熒光探針發(fā)光，再將產生的光進行過濾處理，將發(fā)射光子與激發(fā)光子隔離開來，對光強進行量化以測量分析物濃度，傳感機制主要基于分子內電荷轉移（ICT）［62］、光誘導電子轉移（PET）［62］和熒光共振能量轉移（FRET）［63］等多種模式（圖9）。作為信號轉換的熒光團，被目標分子識別后光物理特性會發(fā)生改變，從而改變熒光信號的輸出形式。目前，報道的發(fā)光材料有金屬納米粒子、量子點和鑭系結合的上轉換發(fā)光納米顆粒［64］，可采用紫外燈實現(xiàn)可視化半定量檢測或熒光讀數(shù)儀定量檢測，靈敏穩(wěn)定，且易實現(xiàn)多重檢測。但使用紙張作為基底，其本身在紫外光下將產生額外的熒光信號，增大了背景干擾，影響檢測準確率，需采用有效技術策略克服干擾，改善準確性。

圖9 熒光共振能量轉移（FRET）［63］Fig.9 Fluorescence resonance energy transfer(FRET)［63］

如今，納米顆粒檢測、拉曼光譜等技術也開始應用于μPADs平臺［65－66］。隨著技術的創(chuàng)新與發(fā)展，紙基微流控設備在食品安全領域有巨大潛力，并彰顯出獨特優(yōu)勢，被認為是一種可用于現(xiàn)場診斷和化學分析進而替代傳統(tǒng)免疫分析的方法。

4 μPADs在食品安全檢測中應用

4.1 μPADs在食品有害小分子檢測中的應用

Ma等［67］結合比色法建立了一種快速檢測牛奶中克倫特羅的紙基微流控酶聯(lián)免疫分析方法（μPADs－ELISA）。實驗發(fā)揮紙張的固有特性，利用纖維素纖維夾帶抗體，研究抗體固定模式，通過比色分析得到牛奶中鹽酸克侖特羅的檢出限（LOD）為0.2 ng/mL，驗證了μPADs可作為96孔酶聯(lián)免疫吸附試驗微板的替代品用于食品安全監(jiān)測，彌補了ELISA不便用于現(xiàn)場檢測的缺點。Wang等［68］合成了抗有機磷農藥敵敵畏（DDV）的分子印跡聚合物層（MIP），并將其電聚合在金納米顆粒（AuNP）修飾的紙基芯片上，提出將MIP引入μPADs電化學檢測方法；同時，他們還基于MIP的紙張建立了多孔微流通道，進行2，4-二氯苯氧乙酸的靈敏和特異性化學發(fā)光檢測［69］，實現(xiàn)了多重分析的目的。Liu等［70］則介紹了另一種用于檢測DDV的MIP紙基化學發(fā)光敏感芯片。分析物DDV與MIP結合可被過氧化氫（H2O2）氧化成不穩(wěn)定的過氧磷酸鹽中間體，從而與魯米諾反應增強化學發(fā)光信號，提高檢測靈敏度及特異性，該方法已成功對蔬菜中DDV進行了測定，檢測限達0.8 ng/mL。另外，他們還開發(fā)了可將水溶性金屬離子、蔬菜中的維生素與DDV分離的化學發(fā)光紙芯片，該方法的一個主要優(yōu)點是可用于真實樣品的分析，且無需復雜的前處理過程。Apilux等［71］開發(fā)了一種快速篩查有機磷酸酯（OP）和氨基甲酸酯（CM）農藥的折紙裝置，并在復蓋片上設計了緩沖載孔，以促進包被底物與固定化酶的相互作用，提高了傳感器分析性能，該裝置對呋喃、敵敵畏、西維因、對氧磷和吡米卡的檢測限分別為0.003、0.3、0.5、0.6和0.6 ng/mL。在食品添加劑方面，He等［72］提出一種利用疏水硅烷與紙纖維耦合，采用紫外光光刻技術制備紙基微流控器件的新方法，基于Griess顯色法對食品樣品中亞硝酸根離子進行了定量比色分析，該方法可在幾分鐘內建立濾紙的疏水屏障與親水通道，比傳統(tǒng)的光刻膠或蠟染的物理沉積方法更耐受有機試劑侵蝕，且親水疏水介質均適用。

4.2 μPADs在食源性致病菌檢測中的應用

目前，基于μPADs的致病菌檢測主要依據酶活性進行免疫分析實現(xiàn)。Bledar等［73］基于細菌與生物識別元素（通常是一種酶）之間相互作用可發(fā)生顏色反應，使用嵌入細菌指示底物的μPAD通過比色法檢測農業(yè)用水中的目標細菌，成功在低至0.1 CFU/mL的水平檢出單核增生李斯特菌、O157∶H7大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌，但存在由背景微生物群產生的酶或比色基質降解導致假陽性的風險。Park等［74］提出的另一種方法是使用抗體偶聯(lián)的聚苯乙烯納米顆粒檢測鼠傷寒沙門氏菌，將細菌添加到紙基設備上與聚苯乙烯珠共軛的抗體特異性結合，引起免疫凝集增加，改變光強，使用便攜式手機測定測量光散射強度實現(xiàn)檢測。該方法可通過改變抗體和重新優(yōu)化流體的物理及化學參數(shù)實現(xiàn)食品中多種病原體的檢測。Ma等［75］采用絲網印刷法制備了紙芯片，通過銀增強技術放大可視化免疫分析結果，對水樣中的細菌（大腸桿菌）進行了現(xiàn)場檢測，通過校正銀斑的灰度值與細菌數(shù)的對數(shù)值，定量測定了水樣中大腸桿菌的密度。Saravanan等［76］將紙張基板的疏水性與電極的電化學功能化相結合用于檢測水中致病菌，在疏水性紙張上利用絲網印刷技術構建碳電極，然后將Concanavalin A（Con A）生物識別元件修飾電極作為探針，通過選擇性地與細菌細胞上的單糖和寡糖相互作用，實現(xiàn)了基于阻抗傳感模式的活細菌數(shù)檢測，靈敏度達1.9×103CFU/mL。

4.3 μPADs在重金屬檢測中的應用

近年來，水和土壤污染嚴重，并遷移至食物鏈而蓄積于人和動物體內，與蛋白質結合使其失活，產生毒害作用。因此，開發(fā)有效靈敏的重金屬檢測方法至關重要［77］。Sun等［78］發(fā)明了一種旋轉裝置安裝到紙基設備中以控制流體流動，有效避免了比色劑的隨機擴散，實現(xiàn)了對水中Ni2+、Cu2+和Cr6+的多重比色檢測，檢測限分別為4.8、1.6、0.18 mg/L。Liu等［79］設計了T型紙張流道，將帶正電的聚乙烯亞胺（PEI）和Cu2+分別在兩個通道驅動，在電場作用下，最終在同一張紙上的射流通道相遇，形成深藍色的正電絡合物，實現(xiàn)了PEI與Cu2+的在線復合反應；并利用電場放大效應增強色帶，通過智能手機對飲用水中的Cu2+進行比色檢測，檢測限達30 μmol/L。另外，利用納米材料的熒光和比色特性，將納米材料導入傳感平臺，與金屬離子結合增強發(fā)光效應，也是一個不錯的思路。Zhang等［80］開發(fā)了熒光標記功能單鏈DNA（ssDNA）的氧化石墨烯紙基微流控傳感器，在紙基材料上通過物理吸收促進了傳感器的集成，避免了復雜的表面處理和探針固定化。該裝置利用易于合成和修飾的功能性核酸，擴大了化學兼容性，可直接檢測抗體等化學污染物，實驗對食品中的Hg2+、Ag+和氨基糖苷類抗生素殘留進行了多重檢測，平均回收率為87.5%～116%，符合復雜基質樣品中痕量物質的檢測要求。Ji等［81］利用量子點（QDs）的光學特性，并結合離子印跡技術（IIP）制備了一款3D μPAD，實現(xiàn)了QDs＠IIPs從液相檢測模式到固相檢測的轉變，提高了裝置的便攜性。該平臺可同時定量檢測Cu2+和Hg2+，Cu2+印跡熒光傳感器線性范圍為0.11～58.0 μg/L，檢測限為0.035 μg/L，Hg2+線性范圍為0.26～34.0 μg/L，檢測限為0.056 μg/L。

5 總結與展望

近十年來，紙基微流控技術被科研人員大量研究，廣泛應用于生化分析、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測等多個領域，其成本低廉、反應靈敏、非專業(yè)人員可使用并快速獲得檢測結果的優(yōu)勢，也使之成為食品安全快速檢測方面的研究熱點。但紙基微流控技術的發(fā)展與應用，仍存在一些問題亟待解決：①紙張潤濕條件和液體輸送速度，會使樣品蒸發(fā)或殘留導致輸送量降低；②紙基芯片結構設計關系到檢測效率、靈敏度及特異性；③大多數(shù)研究仍停留在實驗室階段，缺乏市場化應用；④針對μPADs自動進樣的研究較少，多數(shù)報道的是紙基微流控芯片的制備方法和測定方法。因此，實現(xiàn)簡單、低成本、實用的紙基微流控芯片的制造仍具挑戰(zhàn)性。

未來紙基微流控技術擁有成熟的技術后，有望為食品安全分析提供一個具有多種新功能的平臺，具備多重分析的能力；樣品預處理能力；儲存、組合試劑的能力；能夠從未知的樣品量出發(fā)，自動分析控制進樣量的能力。雖然μPADs技術不夠成熟，但仍在不斷改進，隨著新型紙基材料的開發(fā)和各項檢測技術的發(fā)展，其在食品安全領域將有巨大潛力。