紙基微流控芯片技術(shù)及在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

楊洋春 胡敬芳,2,4＊ 肖疏雨 宋鈺,2,4＊ 李延生,2 高國(guó)偉,2,3

1. 北京信息科技大 學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192

2. 北京信息科技大學(xué) 傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

3. 北京信息科技大學(xué) 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

4. 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感器聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050

0 引言

水是生命之源，是生物賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。在過(guò)去幾十年里，伴隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求越來(lái)越大，水污染問(wèn)題也日漸嚴(yán)重，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我們必須采取一些有效措施來(lái)減少甚至根除水污染。水質(zhì)檢測(cè)作為控制水污染問(wèn)題的第一步，其作用和影響也變得愈發(fā)重要。用于水質(zhì)檢測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法主要有：氣相色譜法[1]、原子吸收分光光度法[2]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[3]、吸收分光光度法[4]等。這些方法盡管靈敏度較高，但存在儀器價(jià)格高昂、體積龐大、需要專(zhuān)人操作、耗時(shí)耗力等問(wèn)題，不適用于現(xiàn)場(chǎng)分析和即時(shí)檢測(cè)。對(duì)于一些發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)，這些方法及儀器的推廣會(huì)受到很大限制。為了解決使用受限等問(wèn)題，國(guó)家在2013年發(fā)布的《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，要大力發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)。

微流控芯片技術(shù)是通過(guò)微細(xì)加工手段將樣品的預(yù)處理、分離和檢測(cè)集成到一個(gè)僅幾平方厘米的微芯片上，利用微米或亞微米通道控制微量液體流動(dòng)，在完成各種生化反應(yīng)后，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分析檢測(cè)的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)，微流控芯片技術(shù)所具有的微型化、集成化和便攜化的優(yōu)勢(shì)，使其在醫(yī)療快速診斷[5-6]、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7-8]、食品快速檢測(cè)[9-10]等分析領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。作為其分支，紙基微流控芯片技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[11]。紙張具有來(lái)源廣泛、環(huán)保、成本低廉、易于攜帶、操作相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。以紙張作為基底材料制備微流控芯片的研究可以追溯到1949年，MüLLER R H等人[12]開(kāi)展了類(lèi)似微流控技術(shù)的工作，他們使用熱熔石蠟的方法，首次在紙上成功制作了流體通道用于混合顏料的選擇性洗脫。2007年，來(lái)自哈佛大學(xué)的MARTINEZ A W等人[13]首次提出了紙基微流控分析裝置（microfluidic paperbased analytical devices，μPADs）這一概念，并且最先應(yīng)用激光光刻膠的方法制作芯片用于葡萄糖和蛋白質(zhì)的測(cè)定。他們將濾紙浸泡在SU-8光刻膠溶液中30 s，經(jīng)過(guò)烘烤和曝光等步驟，在紙上構(gòu)建了微流通道，但此種方法制作成本較高，涉及大量實(shí)驗(yàn)步驟。在這之后，紙基微流控就引起了人們的廣泛研究興趣。2009年，來(lái)自麥克馬斯特大學(xué)的PELTON R等人[14]進(jìn)一步給出了生物活性紙這一概念，他們力圖通過(guò)各種加工技術(shù)在紙上形成親水、疏水通道，構(gòu)建“紙基上的實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-paper）”，實(shí)現(xiàn)快速的低成本檢測(cè)。2012年，MAEJIMA K等人[15]提出利用噴墨打印的方法制作芯片，研發(fā)出了成本低廉、可量產(chǎn)，在家就能進(jìn)行檢測(cè)的紙基芯片。繼2008年美國(guó)亞利桑那大學(xué)KE Y等人[16]制作出第一張折紙芯片后，我國(guó)上海交通大學(xué)張釗[17]在2009年將KE Y使用的折紙圖形上的V字型探針改為最常用的一字型探針，開(kāi)發(fā)出新型DNA折紙芯片，該芯片克服了之前KE Y的折紙芯片具有的位置效應(yīng)等缺點(diǎn)，不用做索引標(biāo)記，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展?jié)摿Α?011年，來(lái)自武漢大學(xué)王方方等人[18]利用光刻法制作芯片，實(shí)現(xiàn)了在一維和二維紙基芯片上用化學(xué)發(fā)光法來(lái)檢測(cè)葡萄糖和尿酸。2012年，來(lái)自西北大學(xué)趙聯(lián)朝等人[19]利用基于過(guò)氯乙烯樹(shù)脂甲苯溶液制備的紙基微流控芯片檢測(cè)亞硝酸根離子，通過(guò)顯色反應(yīng)測(cè)定亞硝酸鹽含量，成本低廉，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的分析檢測(cè)裝置。2013年，來(lái)自浙江大學(xué)馬翠翠等人[20]研究了一種基于紫外光降解自組裝單分子層的紙芯片加工新方法，該方法簡(jiǎn)單易操作，成本低，不需要貴重儀器，具有較高的分辨率，在食品分析和臨床檢驗(yàn)中具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。近幾年來(lái)，紙基微流控芯片的新型制作方法[21-24]、多物質(zhì)同步檢測(cè)方法[25-26]，以及紙基智能檢測(cè)[27-29]等持續(xù)受到關(guān)注。

1 紙基微流控芯片技術(shù)

1.1 基底材料的選擇

在基底材料的發(fā)展過(guò)程中，單晶硅由于其強(qiáng)度和散熱性好以及純度高和耐腐蝕等特點(diǎn)，成為最早使用的基底材料[30-31]，尤其是隨著微電子行業(yè)的迅速發(fā)展，用硅做基底的技術(shù)逐漸完善。但硅價(jià)格高昂，又具有易碎、絕緣性差和透光性不強(qiáng)等缺陷，使其在芯片中的應(yīng)用受到限制。隨后使用的石英和玻璃克服了單晶硅的一些缺點(diǎn)，具有較好的光學(xué)性質(zhì)、電滲透性和生物相容性，成為制備微流控芯片的主要基底材料。這兩種材料的通道加工方法主要是刻蝕法和光刻法，由于這兩種方法涉及大量實(shí)驗(yàn)步驟，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因而逐漸也被人們舍棄。近年來(lái)，高分子聚合物，如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）[32]、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）[33]和聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）[34]等，由于其光透性好、配方可以更改和易于生產(chǎn)規(guī)模化等特點(diǎn)，逐漸成為了主要的基底材料。但由于高分子聚合物材料制作工藝較為復(fù)雜，同樣沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。因此，尋找一種制作簡(jiǎn)單、成本低廉以及滿(mǎn)足檢測(cè)要求的材料具有重大意義。

相比之下，用紙張作為基底的微流控芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）成本低，市場(chǎng)初步投資低，便于推廣應(yīng)用[35]；

（2）一次性處理，易于使用和存儲(chǔ)，同時(shí)也方便運(yùn)輸[36]；

（3）柔韌性好，方便印刷，易于折疊，可形成三維結(jié)構(gòu)[36]；

（4）具有生物可降解性和生物相容性。

除上述優(yōu)點(diǎn)之外，基于紙張的芯片具有微型化的潛力，也無(wú)需外置流體驅(qū)動(dòng)裝置，可以利用自身的毛細(xì)力輸送流體，只用相對(duì)少量的樣品就能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的目的[37-38]。

淺談鋼纖維環(huán)氧樹(shù)脂混凝土在維修橋梁伸縮縫中的應(yīng)用……………………………………………………… 陳聯(lián)川（9-89）

1.2 紙基微流控芯片的制作方法

紙基微流控芯片技術(shù)是一種成本低廉、使用方便、簡(jiǎn)單快速的檢測(cè)手段，是近年來(lái)微全分析系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)[39-40]。它可以使用極少的樣品，如尺寸在微米級(jí)或亞微米級(jí)的通道控制10-18～10-9L的檢測(cè)劑，極大地提高了效率和減少了樣品的消耗[41]。濾紙的基本成分是棉質(zhì)纖維，可用于過(guò)濾、分離和吸水，內(nèi)部有很強(qiáng)的毛細(xì)管作用力，可以提高液體傳輸速率，所以目前常使用濾紙作為芯片的基底材料。紙基微流控芯片的基本工作原理就是在親水的紙張上形成疏水的邊界來(lái)劃分區(qū)域，先在親水區(qū)制作樣品的傳輸通道等單元，再利用毛細(xì)管力實(shí)現(xiàn)樣品在通道內(nèi)自主流動(dòng)，與事先固定好的指示劑反應(yīng)，完成樣品的分析處理。由于濾紙具有優(yōu)異的親水性，可利用疏水性的物質(zhì)在濾紙上劃分區(qū)域，通過(guò)疏水壁分離親水通道，進(jìn)而形成微流控通道。根據(jù)不同維度和結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，紙基微流控芯片包括2D和3D。2D紙基微流控芯片是通過(guò)在平面上構(gòu)建通道來(lái)完成檢測(cè)，3D紙基微流控芯片能同時(shí)實(shí)現(xiàn)向水平和垂直兩個(gè)方向輸送樣品[42]。

兩類(lèi)芯片的制作方法也各不相同。2D紙基微流控芯片的制作方法主要包括手工、模具、打印和切割4種，如圖 1所示。這4種制作方法及特點(diǎn)分別如表 1所示。由表可見(jiàn)，每種制作方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際研究制備過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)需求和具體應(yīng)用選擇最適宜的制作方法。目前，2D紙基微流控芯片制作過(guò)程中大多采用石蠟、光刻膠（如SU-8）和烷基烯酮二聚體（alkyl ketene dimer，AKD）等疏水材料形成疏水邊界，但石蠟和AKD無(wú)法阻擋甲醇、乙醇等表面張力弱的有機(jī)材料進(jìn)入疏水區(qū)域，SU-8的成本過(guò)高，這些都導(dǎo)致芯片在使用上會(huì)受限[43]。此外，2D紙基微流控芯片只有單層結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生試劑間的交叉污染，無(wú)法滿(mǎn)足高通量、多靶標(biāo)和多反應(yīng)的檢測(cè)需求。

表1 紙基微流控芯片制作方法比較

為了解決2D紙基微流控芯片在實(shí)際應(yīng)用中的可能問(wèn)題，在其基礎(chǔ)上通過(guò)打孔、折疊、粘貼等方法制作了3D紙基微流控芯片。3D紙基微流控芯片具有立體三維的多層結(jié)構(gòu)，它突破了2D芯片局限，通過(guò)多層微流道的控制，實(shí)現(xiàn)試劑的快速分配和多種物質(zhì)的同時(shí)檢測(cè)。早在2008年，MARTINEZ A W等人[53]就使用打孔方法并在孔內(nèi)填充了纖維素粉的雙面膠用于固定多層光刻有不同圖案的二維紙基微流通道，首次制作了3D紙基微流控芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖和蛋白質(zhì)的檢測(cè)。LIU H等人[54]利用手工折紙方法，將2D芯片折疊得到3D芯片，無(wú)需額外的制造費(fèi)用，并且能夠還原到2D結(jié)構(gòu)用于分析檢測(cè)，如圖2所示，基于此芯片聯(lián)合比色法和熒光法實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖和牛血清白蛋白的檢測(cè)。盡管3D紙基微流控芯片具有更加高效快速的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，然而目前其制備方法仍大多基于手工，存在制作過(guò)程繁瑣，常規(guī)固態(tài)雙面膠粘貼不夠牢固或粘貼后芯片表面存在大量氣泡，以及需要特制的有進(jìn)樣口和出樣口的封裝容器等局限性。

1.3 用于紙基微流控芯片的檢測(cè)方法

用于紙基微流控芯片常用的檢測(cè)方法主要有4種：比色法、熒光法、電化學(xué)分析法、化學(xué)發(fā)光法以及電化學(xué)發(fā)光法。目前，比色法和電化學(xué)分析法應(yīng)用最為廣泛。

1.3.1 比色法

比色法是目前紙基微流控芯片領(lǐng)域中比較簡(jiǎn)單常用的檢測(cè)方法。基于被測(cè)物溶液加入顯色劑后生成的有色溶液的顏色，根據(jù)其顏色色相的變化進(jìn)行定量或者半定量分析。目測(cè)法不需要額外設(shè)備，但會(huì)有主觀誤差，用于半定量分析。MARTINEZ A W等人[55]采用掃描儀或數(shù)碼相機(jī)等圖像輸入設(shè)備來(lái)捕獲圖像，再利用圖像處理相關(guān)軟件來(lái)進(jìn)行定量分析，可以減少不同大腦產(chǎn)生的視覺(jué)差，進(jìn)而提高結(jié)果的準(zhǔn)確性和靈敏性。

1.3.2 熒光法

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，熒光法的準(zhǔn)確性和強(qiáng)選擇性日益提升，是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測(cè)的常用方法之一，得到很多領(lǐng)域?qū)W者的廣泛認(rèn)可。一般來(lái)說(shuō)，熒光法分為直接熒光法和間接熒光法。其中，直接測(cè)量是最普遍常用的方法。熒光法既可以進(jìn)行定量分析，也可以進(jìn)行定性分析，已經(jīng)被成功應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、食品安全和水質(zhì)檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。其最突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度極高，如污水中汞含量和銀含量都可以檢測(cè)到10-10克[56]。但熒光法的缺陷是對(duì)物質(zhì)的檢出限低，需要額外的設(shè)備，并且可能會(huì)受到紙中熒光增白劑的干擾，紙張的白度也會(huì)對(duì)熒光的表達(dá)造成影響，由此在紙基微流控中應(yīng)用較少[21]。

1.3.3 電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析法是以組分本身的電化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的一種方法[56]，通過(guò)傳感器將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，達(dá)到定性或定量檢測(cè)的目的。它與電極和電極反應(yīng)密不可分，廣泛應(yīng)用于理論研究和實(shí)踐生產(chǎn)，是儀器分析的一個(gè)重要組成部分，已經(jīng)成功應(yīng)用到膽固醇[57]、離子[58-60]、維生素C[60-61]和葡萄糖[62]等成分的檢測(cè)中。在進(jìn)行測(cè)定時(shí)要使待測(cè)溶液組成一個(gè)電化學(xué)電池，通過(guò)測(cè)量該電池的參數(shù)及其變化來(lái)進(jìn)行分析。常用參數(shù)包括電阻、電導(dǎo)、電流和電量等。在測(cè)量時(shí)一般需要3個(gè)電極系統(tǒng)，即工作電極、參比電極和對(duì)電極。傳統(tǒng)的固態(tài)電極價(jià)格昂貴，而紙基芯片的電極是建立在紙上的，所以可以在很大程度上降低成本。RATTANARAT P課題組[63]將比色法和電化學(xué)紙基微流控分析設(shè)備用三維結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，用于檢測(cè)重金屬離子。該芯片具有雙層結(jié)構(gòu)，即比色檢測(cè)層和電化學(xué)檢測(cè)層。每層都可以對(duì)同一個(gè)樣本進(jìn)行檢測(cè)，互不干擾。如，比色層利用顯色反應(yīng)檢測(cè)Ni2+、Fe2+、Cr2+和Cu2+，電化學(xué)層檢測(cè)Cd2+和Pb2+。這種方法所用的設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種金屬離子的同步檢測(cè)。

1.3.4 化學(xué)發(fā)光法以及電化學(xué)發(fā)光法

化學(xué)發(fā)光法是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)發(fā)射出的可見(jiàn)光或熒光的光強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)分析物濃度，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、線性范圍寬和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。將化學(xué)發(fā)光法和電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合就產(chǎn)生了電化學(xué)發(fā)光法。電化學(xué)發(fā)光法利用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)光，不需要額外的激發(fā)光源，設(shè)備簡(jiǎn)單，靈敏度高，反應(yīng)可控性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)范圍濃度增加，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小分子、金屬離子、食品營(yíng)養(yǎng)成分檢測(cè)和ECL免疫分析等領(lǐng)域。

2 紙基微流控和水質(zhì)檢測(cè)結(jié)合

由于水體具有流動(dòng)性，水中污染物濃度變化速度較快，大型設(shè)備在使用上不便利，小型便攜式的、集成化的、快速簡(jiǎn)單的紙基微流控芯片逐漸發(fā)揮作用。該芯片在水質(zhì)檢測(cè)方面的研究還處于初步探索階段，研究對(duì)象主要包括重金屬、富營(yíng)養(yǎng)化元素和有機(jī)污染物等。

2.1 紙基微流控芯片技術(shù)在水質(zhì)重金屬檢測(cè)方面的應(yīng)用

在城市化和工業(yè)化快速發(fā)展的國(guó)家，重金屬污染往往也十分嚴(yán)重。當(dāng)水體受到重金屬污染后，各種重金屬在生物體內(nèi)富集，最終通過(guò)食物鏈累積在人體，對(duì)神經(jīng)、四肢、皮膚等產(chǎn)生危害，導(dǎo)致嚴(yán)重的器官衰竭，給人們的生命安全帶來(lái)長(zhǎng)期影響和巨大威脅[29]。紙基微流控芯片技術(shù)給檢測(cè)重金屬離子提供了新的可行方案。

SHI J J等人[64]將濾紙條和絲網(wǎng)印刷碳電極結(jié)合起來(lái)，組裝了一個(gè)可以直接定量測(cè)量水溶液中重金屬鉛和鎘的紙基微流控裝置。他們采用了一種紙基電化學(xué)傳感裝置方案，由于紙條具有良好的潤(rùn)濕性，能與絲網(wǎng)印刷碳電極（screen-printed carbon electrode，SPCE）很好地接觸，完全覆蓋絲網(wǎng)印刷的3個(gè)電極，最后鉛和鎘離子的最低檢出限分別是2.0×10-9和2.3×10-9。

DEVADHASAN J P等人[65]成功地將不同的官能團(tuán)和比色試劑固定在化學(xué)紙基微流控分析裝置上，實(shí)時(shí)檢測(cè)樣品中的重金屬，具有較高的檢測(cè)靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)精確的定量檢測(cè)。該裝置可以識(shí)別金屬離子混合物中的單個(gè)金屬離子，不會(huì)受到外來(lái)其他離子的干擾，為多種重金屬離子的檢測(cè)提供了快速便捷的方法。此外，裝置通過(guò)集成一個(gè)和智能手機(jī)無(wú)線連接RGB傳感器來(lái)量化顏色強(qiáng)度，是一個(gè)用戶(hù)友好型的數(shù)據(jù)收集平臺(tái)。

王冠等人[26]以接入了熒光量子點(diǎn)的玻璃纖維紙為基底，使用電子顯微鏡在真空條件下觀察裸紙、量子點(diǎn)接枝到紙表面后以及Cd-IIP接枝到紙片后的形態(tài)，如圖 3所示，通過(guò)離子印跡的方法將鎘和鉛離子印跡聚合物分別合成在量子點(diǎn)表面。由此得到的紙芯片不僅具有熒光響應(yīng)信號(hào)，還能特異性識(shí)別鎘和鉛離子。其中，檢測(cè)鎘離子的線性范圍是0.05～80.0 μg/L，檢出限為0.01 μg/L；檢測(cè)鉛離子的線性范圍是0.10～ 78.0 μg/L，檢出限為0.03 μg/L。結(jié)果表明，該芯片可以快速準(zhǔn)確地定量檢測(cè)溶液中的鎘和鉛離子的含量，靈敏度高，檢出限低，還能用于檢測(cè)其他環(huán)境中的重金屬離子，具有廣泛的應(yīng)用前景。

王建花等人[28]使用三維紙基微流控芯片完成了對(duì)六價(jià)鉻的顯色反應(yīng)，該芯片是在濾紙疏水化處理的基礎(chǔ)上，利用“剪切-粘貼”法將疏水基底和親水通道組合拼裝制成的，并結(jié)合自主編寫(xiě)的手機(jī)程序μPAD_DET處理拍照獲得的圖片，計(jì)算檢測(cè)結(jié)果并顯示在手機(jī)上，操作簡(jiǎn)單快捷。但與傳統(tǒng)的分光光度法相比，手機(jī)App的定量檢測(cè)結(jié)果更大，在誤差范圍內(nèi)略高。此外，拍照容易受到外界光線影響，導(dǎo)致圖片明暗強(qiáng)度有區(qū)別。

2.2 紙基微流控芯片技術(shù)在水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化元素檢測(cè)方面的應(yīng)用

硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮（簡(jiǎn)稱(chēng)“三氮”）是水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化中主要的無(wú)機(jī)含氮污染化合物。水體由于化肥和污水處理等人為因素受到含氮污染物污染的風(fēng)險(xiǎn)極高，目前，我國(guó)的水體大多面臨著三氮污染的風(fēng)險(xiǎn)。飲用水中三氮的存在是十分危險(xiǎn)的問(wèn)題，檢測(cè)水體中三氮含量，對(duì)于防止水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化污染，保障水質(zhì)安全具有重要意義。目前，一般使用分光光度法[66]、光譜法[67]和電化學(xué)法[68]來(lái)檢測(cè)三氮，但這3種方法都存在各自的缺陷。化學(xué)顯色法能夠進(jìn)行快速準(zhǔn)確地判斷，具有簡(jiǎn)單低廉等特點(diǎn)，已經(jīng)在含氮污染物的檢測(cè)方面應(yīng)用廣泛。

CHARBAJI A等人[24]研究了一種用于檢測(cè)水中硝酸鹽的紙基微流控裝置。該裝置采用了由棉纖維和鋅微粒制成的創(chuàng)新型纖維復(fù)合材料。這種材料能與紙基設(shè)備結(jié)合，產(chǎn)生更好的硝酸鹽還原效果，并設(shè)計(jì)有固定化試劑的檢測(cè)區(qū)，允許通過(guò)較大的樣品體積，提高了具有折疊結(jié)構(gòu)的紙基裝置的檢測(cè)限。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該裝置對(duì)水中硝酸鹽的檢測(cè)限為0.53×10-9，相比之前使用紙基技術(shù)檢測(cè)提高了40%以上。

JAYAWARDANE B M等人[69]研制了一種一次性的比色紙基微流控分析裝置。該紙基微流控芯片采用噴墨打印技術(shù)制作而成，并用于水質(zhì)亞硝酸鹽和硝酸鹽的測(cè)定，亞硝酸鹽可由格里斯反應(yīng)直接測(cè)定，而硝酸鹽需要在有鋅微粒的親水通道中被還原成亞硝酸鹽來(lái)間接測(cè)定。在最優(yōu)化條件下，亞硝酸鹽的檢測(cè)限和定量限分別為1.0 μM和7.8 μM，硝酸鹽的對(duì)應(yīng)值分別為19 μM和48 μM。

徐榕等學(xué)者[70]提出的基于顯色反應(yīng)的紙基微流控芯片可以對(duì)水中的三氮同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。他們構(gòu)建了可分別單獨(dú)檢測(cè)亞硝酸鹽、硝酸鹽及氨氮的紙基微流控芯片，在調(diào)整流道尺寸后，將這3種單通道紙基微流控芯片在PVC背膠板上集成為“Y”型，連接處為加樣區(qū)，制作了可同時(shí)檢測(cè)三氮化合物的多通道芯片。最終的芯片結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

2.3 紙基微流控芯片技術(shù)在水質(zhì)有機(jī)污染物檢測(cè)方面的應(yīng)用

除了富營(yíng)養(yǎng)化元素這類(lèi)無(wú)機(jī)污染物，水體中也有很多污染是來(lái)自有機(jī)物。由于有機(jī)污染物的含量不高，在檢測(cè)前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，紙基微流控芯片的優(yōu)勢(shì)在此就體現(xiàn)出來(lái)了，即：能夠?qū)⑶捌诘念A(yù)處理和后期的檢測(cè)集成，富集效率較高。JAE-CHUL L等人[71]制備了一種基于表面增強(qiáng)拉曼散射（surface-enhanced raman scattering，SERS）編碼、表面吸附了金納米粒子的紙基微流控芯片，如圖 5所示，并將其應(yīng)用在了現(xiàn)場(chǎng)直接分析廢水成分中。他們選用了4-氨基苯甲酸（PABA）和鄰苯二酚這兩種有機(jī)物來(lái)模擬廢水。實(shí)驗(yàn)證明，這種SERS紙帶對(duì)這兩種有毒的有機(jī)污染物都具有很高的靈敏度，檢出限分別達(dá)到了1×10-9mol/L和1×10-5mol/L，適用于現(xiàn)場(chǎng)快速分析。SANTHIAGO M等人[72]使用了一種用傳統(tǒng)打印紙制成的三維裝置來(lái)對(duì)水樣中的對(duì)硝基苯酚進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)化了溶液pH、緩沖液濃度、脈沖幅度等基本參數(shù)。該裝置對(duì)對(duì)硝基苯酚的靈敏度較高，檢測(cè)范圍為10～200 μmol/L，檢出限達(dá)到1.1 μM，回收率為91.8%～108.2%。有機(jī)污染物是以有毒性和降低水中溶解氧含量的方式來(lái)產(chǎn)生不良影響的，因此，化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）也作為衡量有機(jī)物含量的標(biāo)準(zhǔn)。由于檢測(cè)COD的藥劑中含有強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑，紙張會(huì)被其腐蝕，直接影響到檢測(cè)結(jié)果，所以目前相關(guān)研究很少。

3 總結(jié)和展望

近年來(lái)，紙基微流控芯片技術(shù)在集成化、微型化、便攜化和環(huán)境友好等方面展露出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因而被越來(lái)越多地應(yīng)用在水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域，包括水質(zhì)重金屬檢測(cè)、富營(yíng)養(yǎng)化元素檢測(cè)和有機(jī)污染物檢測(cè)。紙基微流控芯片具有裝置簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高等特點(diǎn)，是一種理想的多元分析檢測(cè)工具，為現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)分析設(shè)備提供有力的技術(shù)支撐。可以預(yù)計(jì)，在未來(lái)，紙基微流控芯片技術(shù)將會(huì)遇到更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，可能會(huì)朝著以下幾個(gè)方面繼續(xù)發(fā)展：

（1）開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉，能有效阻擋有機(jī)溶劑的疏水材料，拓寬紙基微流控芯片的應(yīng)用范圍；

（2）在保證高通量和多通道等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，簡(jiǎn)化3D芯片的加工制造流程，進(jìn)一步降低成本；

（3）與智能手機(jī)結(jié)合，改進(jìn)結(jié)果讀取技術(shù)，優(yōu)化手機(jī)App的處理和結(jié)果展示功能，提高其結(jié)果的準(zhǔn)確度和精度。