基于紙基微流控的熒光技術在環境檢測中的應用

李 卓， 孟 爽， 楊圓圓

（同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092）

快速發展的工業技術和過度的自然資源開發導致了能源和資源的枯竭，引發了環境污染和氣候變化等難題，對人類健康和生態環境構成了巨大威脅。完善環境檢測技術，特別是現場快速檢測技術，對于強化環境污染風險管控、維護人類健康和生態平衡具有至關重要的意義。因此，迫切需要發展新型快速檢測技術以適應日益嚴峻的環境污染防控和管理。

基于微流控技術的微型分析設備不僅可以有效降低分析成本，簡化操作步驟，還易于實現在線監測，能夠有效增加環境監測的頻率和擴大地理覆蓋范圍，為解決上述問題提供了新策略[1］。

微流控技術是一種利用微小管道和微型器件來處理和操控微量液體樣品的技術，在近年來發展迅速，應用范圍不斷擴大[2］。微流控芯片被稱作芯片上的實驗室，將化學、生物等實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米甚至更小的芯片中進行分析，可利用微量樣品進行高靈敏度分析，具有微型化、集成化等特征。微流控紙基分析器件（microfluidic paperbased analysis device， μ-PADs）是微流控芯片的進一步發展，采用紙張作為基底，用于進行相關反應和分析。

長期以來，研究者們已將μ-PADs與多種分析方法（如比色法[3］，電化學法[4］，熒光法[5］，表面增強拉曼光譜法[6］等）相結合制備微型檢測平臺，實現對目標污染物的快速檢測。其中，與熒光法的結合操作簡單，結果可視，且檢測靈敏程度高，響應快速，在水污染現場檢測方面具備獨特的優勢。

1 紙基微流控技術及μ-PADs

隨著微量分析方法的出現（如氣/液相色譜、毛細管電泳等），分析化學領域迎來了新的發展，探尋利用極少量樣品進行高靈敏度分析鑒定的微尺度分析方法已成為研究的重點，因此微流控技術應運而生。

微流控基底材料發展迅速，從最初的單晶硅，到透明有機玻璃，再到具有光學透明特性的高分子聚合物，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等[7-10］。2007 年，Whitesides 等[11］首次提出了紙芯片的概念，紙質材料作為一種新型基底逐漸受到關注，并在近年來發展迅速。μ-PADs以纖維素紙作為基底，通過各種精細加工技術，在紙上構建具有特定結構的微通道和分析單元，不僅結合了傳統微流控芯片微型化、自動化、集成化、便攜化的優點，還具備以下優點：①成本低廉，②良好的生物相容性，③無需驅動裝置，④柔性材料，便于設計多種結構，⑤一次性處理，方便可拋，⑥操作簡單。

μ-PADs的具體制作過程是在親水的紙基上通過疏水機制的精細化構建，形成圖案化的親疏水圍堰，構成功能分區，包括樣品區、檢測區、通道等[12］。檢測過程是將待測的目標分析物滴加到μ-PADs 的樣品區，通過紙纖維之間的毛細作用將待測物運送至檢測區，與檢測區上精確負載的相關指示劑發生反應，產生可檢測或直接視覺讀取的信號（電信號、光學信號等）。目前已被開發并投入應用的加工技術有光刻、等離子體處理、噴墨打印、蠟印、切割等。光刻技術雖然具有更高的分辨率，但操作復雜；等離子體處理技術的試劑成本低廉，但在實際操作中可能受到紙張材質和厚度的限制；噴墨打印技術成本也較低，但需要改造打印機，操作繁瑣；蠟印技術操作簡單，可批量生產，但不耐有機溶劑；工藝刀切割技術操作簡便、成本低廉，但圖案可能過于簡單且容易受污染[11，13-16］。綜合而言，各項技術都有其優缺點。在選擇μ-PADs的加工技術時，需要考慮應用條件并選擇最適合的方法。

2 熒光傳導機制

熒光檢測法是指某些物質被紫外光照射后處于激發態，當其從激發態再回到基態時，過剩的能量以電磁輻射的形式釋放，即發出能反映出該物質特性的熒光，由此進行定性或定量分析的方法[17］。基于μ-PADs的熒光檢測技術是將熒光材料通過滴涂、浸漬、打印等方法精確負載于紙芯片上，利用目標分子和熒光材料之間的相互作用，導致熒光猝滅或熒光增強等不同的熒光響應。檢測結果可直接以視覺方式讀取，也可通過掃描儀、手機攝像頭或相機拍攝μ-PADs檢測區域圖像，然后傳輸至電腦端或手機端進行更準確的數字化定量分析[18］。熒光傳導機制包括聚集誘導熒光猝滅（AIFQ），光致電子轉移（PET），分子內電荷轉移（ICT），熒光共振能量轉移（FRET），螯合增強熒光（CHEF），內濾效應（IFE），離子交換（IE）和靜態猝滅等：

（1）聚集誘導熒光猝滅。絕大多數的熒光物質在稀溶液中會呈現出較強的熒光，但在高濃度溶液中或是被制成固態時，其發光性能往往會減弱或完全消失。這種 “濃度猝滅” 現象主要是由分子間聚集態的形成所引起的（圖1a）。

（2）熒光共振能量轉移。FRET是指在一定波長的光激發下，熒光基團中的能量給體產生熒光發射，并通過偶極之間的相互作用把能量無輻射地轉移給其附近的處于基態的能量受體熒光基團的過程（圖1b）。

（3）螯合增強熒光。CHEF是由于熒光物質單獨存在時僅發出微弱的熒光，當待測物與熒光物質發生螯合配位時，可產生能量轉移而使熒光增強（如圖1c）。

（4）光致電子轉移。由于熒光材料被激發到最低未占據分子軌道（LUMO）的電子在返回最高占有分子軌道（HOMO）的過程中，很容易轉移到目標物的LUMO 上，或目標物HOMO 上的電子占據了熒光材料HOMO上電子的位置，使熒光材料被激發的電子無法返回。這種電子轉移作用在熒光材料與目標物之間發生，導致了熒光猝滅。當熒光材料與離子團由間隔物連接時，兩者之間發生PET使得熒光猝滅，目標物與離子團的結合使其HOMO 能量降低，電子無法轉移，熒光得以恢復（圖1d）。

3 基于μ-PADs 的熒光傳感器在環境污染物檢測中的應用

環境中的污染物形態變化莫測，尤其是水體污染物，傳統大型檢測設備難以滿足快速現場檢測的需求，因此小型便攜的μ-PADs逐漸發揮作用。近年來，基于μ-PADs的熒光傳感器在環境污染物的檢測領域已有許多的研究，包括重金屬、營養鹽、農藥、抗生素等。

3.1 重金屬

隨著現代工業的快速發展，重金屬廢水的排放越來越普遍。盡管低濃度的重金屬離子并不會立即對環境或人體造成直接危害，但它們降解緩慢，在生物體內易積累，并通過食物鏈傳播至人體。傳統的重金屬離子的檢測方法如原子吸收分光光度法、電感耦合等離子體發射光譜法、電化學法等均需在實驗室進行，而在轉移環境樣本的過程中，重金屬離子容易發生價態上的變化，從而導致對環境重中金屬離子的種類和濃度的情況的掌握出現誤差[19-20］。因此，現場便攜式分析技術的重要性日益突出。

目前，已有眾多研究者基于紙基微流控技術實現了對重金屬離子的現場熒光檢測。Bian等[21］使用基于金納米團簇的熒光試紙對Hg2+和Pb2+離子進行了可回收檢測。當暴露于含Hg2+的環境時，由于ACQ效應，觀察到試紙的熒光猝滅，而暴露于含的Pb2+環境時，由于AIE 效應，觀察到熒光顯著增強（圖2a）。Li等[22］設計了基于PET機理的雙碳點比率熒光紙傳感器用于Cu2+的定性和半定量檢測，以藍色熒光碳點作為內標探針，紅色熒光碳點作為傳感探針實現線性熒光強度變化，為Cu2+的視覺檢測提供了一種很有前途的策略（圖2b）。而隨著對紙基微流控芯片的關注度越來越高，更多研究者開始著眼于開發具有新型結構的μ-PADs用于重金屬的熒光檢測。Wang等[23］利用熒光傳感布基組件和旋轉μ-PADs的協同作用，設計了一種新型3D旋轉布/紙復合微流控分析裝置（圖2c），實現了對Hg2+和Pb2+的精確檢測，檢測限分別為0.17 μg/L和0.08 μg/L。Zhou等[24］基于三維旋轉紙基微流控芯片平臺利用離子印跡熒光ZnSe量子點，實現了對Cd2+和Pb2+的特異性和多通道測定，其檢測過程和芯片結構如圖2d所示。

3.2 營養鹽

氮和磷化合物是水生植物光合作用的必要營養物質，當濃度足夠高時，就會引起水體富營養化，這不僅會通過促進藻類的大量繁殖破壞水環境的生態平衡，還會對人類健康構成威脅。McKelvie等[25］首次提出了基于流體控制方法的紙張技術用于監測和分析水生系統營養物質，促進了便攜式μ-PADs的進一步發展，近年來，研究者開始研發基于μ-PADs的營養鹽檢測。然而，水中營養鹽存在形式基本上是各元素最穩定的存在狀態，難以進行電子轉移，因此對營養鹽的紙基熒光檢測研究案例較少，目前基本處于起步階段。

Zheng等[26］通過一種綠色簡單的化學還原法合成了水溶性熒光銅納米團簇并接枝到μ-PADs上，探索了便攜式紙基傳感器在紫外燈下通過出現不同程度的藍色熒光來視覺檢測水溶液中的微量亞硝酸根離子的技術，檢測限低至3.6 nmol·L-1，顯著優于傳統的Griess比色檢測法。Sarwar等[27］提出了一種可定點檢測環境中磷酸鹽的3D熒光紙基傳感設備，該設備利用一種對磷酸鹽濃度敏感的熒光團作為熒光信號進行響應和分析，響應時間僅為4 s，線性范圍為1.1～64 ppb。Wu等[28］開發了一種具有多色發射和高熒光量子產率的蒽羧基酰亞胺類化合物，并將其與1， 2-苯二胺反應合成了一種新型熒光傳感器，熒光隨NO2-的添加而增強，并將此傳感機理成功應用到試紙上投入檢測。

3.3 農藥

農藥有效促進了農作物的產量和質量的提高，但農藥殘留問題對人類健康、生態系統等也帶來了嚴重威脅，已引起高度重視。因此，迫切需要快速、準確和無儀器的農藥檢測方法，以適用于現場檢測，準確掌握農藥的污染情況。

Zhang等[29］首次報道了基于熒光多孔聚合物的傳感試紙用于有毒農藥的檢測，該熒光試紙在紫外燈下發出明亮的藍綠色熒光，農藥殺螟松、氟樂靈和草甘膦可以有效猝滅熒光，檢測限低至10-5mol/L級（圖3a）。Wang等[30］利用納米卟啉對兩種量子點的不同猝滅效應，構建了紙基熒光可視化傳感器，三種有機磷農藥（樂果、敵敵畏、內吸磷）可不同程度地破壞納米卟啉對雙量子點的猝滅效應，實現高選擇性和高穩定性的檢測，該研究為復雜體系中有機磷殘留的鑒定提供了一種新的方法（圖3b）。但上述研究僅對農藥殘留進行了定性地檢出，并未定量確定其濃度，而發展同時定性和定量檢測環境中的農藥殘留的紙基熒光檢測技術對保護環境和人類健康有著更為重要的研究意義。Chen等[31］制備了一種新型紙基傳感器，并基于納米鋅卟啉對CdTe量子點的熒光猝滅效應和氨基甲酸酯農藥與納米鋅卟啉結合對量子點的熒光恢復作用，實現了三種氨基甲酸酯類農藥（速滅威、克百威和西維因）的紙基定量熒光檢測（圖3c）。馬昕等[32］設計開發了一種比率熒光傳感的3D微流控紙芯片用于環境中農藥的定量檢測（圖3d），以綠色熒光作為對照熒光源，根據半胱氨酸修飾后的碳量子點的熒光變化來實現農藥苯醚甲環唑的快速檢測，檢測限達75 nmol·L-1。Zhang等[33］構建了一種3D紙基微流控芯片用于農藥2，4-二氯苯氧乙酸的熒光定量分析，2，4-二氯苯氧乙酸的加入使得硝基苯并惡二唑和CdTe量子點兩種熒光物質之間發生FRET，實現了對其快速、選擇性、定量的熒光檢測（圖3e）。

圖3 用于農藥熒光檢測的μ-PADsFig. 3 μ-PADs for pesticides fluorescence detection

3.4 抗生素

幾十年來，抗生素在農業、畜牧業、水產養殖、醫藥等行業均有著大規模的應用，使得環境中抗生素殘留問題頻發，而抗生素殘留一旦過量，就會通過食物鏈和生態循環破壞人類健康和生態環境，因此，開發高效的抗生素檢測方法具有重要意義[34］。抗生素是一類具有復雜的空間構相或環狀結構的有機物，易于進行螯合或電子轉移等反應，因此發展紙基熒光檢測技術用于環境中的抗生素檢測有著極大的潛力。

Liu 等[35］制備了一種基于金納米團簇的紙基熒光傳感器以檢測四環素，金納米團簇的熒光猝滅情況與四環素濃度（50 μg·L-1～50 mg·L-1）的變化呈現優異的線性響應（圖4a）。張昱等[36］對μ-PADs 進行了復雜化的設計，制備了一種3D 紙/布基旋轉微流控芯片（圖4b），接枝熒光納米金簇和四環素分子印跡聚合物后，結合熒光光譜儀，實現了對水體中的四環素的高靈敏特異性檢測。Han等[37］利用g-C3N4納米片偶聯Eu3+的比率熒光策略，結合紙基設備實現了對牛奶中四環素的便攜式檢測。TC 通過內濾效應（IFE）猝滅g-C3N4的熒光，同時，通過CHEF 增強Eu3+的熒光（圖4c）。此法不僅選擇性強、靈敏度高，還不易受到外部環境因素的影響，檢測限可以達到nmol·L-1的級別，有著較大的應用前景。Wang 等[38］制備了分子印跡涂布紙傳感器，通過熒光發光的視覺分析和智能手機的數字量化實現了對諾氟沙星的高靈敏和特異性檢測，檢測限為0.1 μg·mL-1（圖4d）。Yuan 等[39］將熒光硅納米粒子作為參考信號，鑭系金屬離子Eu3+作為響應信號，制備了一種基于硅納米顆粒的紙基比率熒光傳感平臺（圖4e），用于水體中環丙沙星的可視化熒光檢測，檢出限低至89 nmol·L-1。

表1 紙基熒光檢測技術對水體污染物的檢測研究總結Tab. 1 Summary of paper based fluorescence detection technology for water pollutant detection

圖4 用于抗生素熒光檢測的μ-PADsFig.4 μ-PADs for antibiotics fluorescence detection

4 結論與展望

紙基微流控技術在集成化、微型化、便攜性和環境友好性方面的獨特優勢使其在分析檢測領域具備良好的應用潛力。基于μ-PADs的熒光檢測技術紙質基底上進行相應的熒光傳導，檢測目標污染物時，紙張上呈現可視的熒光變化，實現高靈敏的便攜式檢測。近年來，基于μ-PADs用于現場便攜檢測的研究越來越豐富，雖已有不少研究者利用基于μ-PADs的熒光檢測技術對環境污染物進行可視化的熒光檢測，但目前仍然是一個相對新的研究領域，在未來還會面臨著一系列的挑戰，預計可能會有以下幾方面的發展：

（1）紙基微流控芯片用于現場環境檢測時，可一次性處理，在環境中可生物降解，具有便攜可拋的特點。盡管目前針對環境樣本的研究仍然有限，但憑借其良好的研究潛力，相信未來會有更多的研究將紙基微流控技術應用于環境檢測中。

（2）紙基微流控芯片上的各個功能分區可以發揮不同的作用，相較于簡單的試紙條具有富集、過濾功能。特別是具有多層結構的3D芯片，將在污染物的熒光檢測研究方面發揮重要的作用

（3）目前已有的紙芯片加工技術如蠟印、噴墨打印等成本較高，開發成本低廉的能夠有效阻擋溶劑的疏水化技術具有一定的研究意義

（4）如果僅僅依靠視覺化而不使用任何光學儀器，對熒光強度的區分僅僅是半定量的，將檢測區域圖像由手機攝像頭或相機收集并傳輸到電腦端或手機端，可進行更為準確的數字化定量分析。因此，開發可直接讀取顏色強度或熒光強度并進行現場分析的程序、軟件或APP 將會為μ-PADs 的發展帶來新的思路。

作者貢獻聲明：

李卓：參與選題設計；修訂論文；指導性支持；經費支持；

孟爽：參與選題設計；調研整理文獻；設計論文框架；起草論文；撰寫論文；修訂論文；

楊圓圓：參與選題設計；設計論文框架；修訂論文。