纸基微流控芯片技术及在水质检测中的应用

杨洋春 胡敬芳,2,4＊ 肖疏雨 宋钰,2,4＊ 李延生,2 高国伟,2,3

1. 北京信息科技大 学自动化学院，北京 100192

2. 北京信息科技大学 传感器重点实验室，北京 100101

3. 北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室，北京 100101

4. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感器联合国家重点实验室，上海 200050

0 引言

水是生命之源，是生物赖以生存的基础。在过去几十年里，伴随着工业化和城镇化的迅速发展，人们对水资源的需求越来越大，水污染问题也日渐严重，为了实现可持续发展，我们必须采取一些有效措施来减少甚至根除水污染。水质检测作为控制水污染问题的第一步，其作用和影响也变得愈发重要。用于水质检测的国家标准方法主要有：气相色谱法[1]、原子吸收分光光度法[2]、电感耦合等离子体质谱法[3]、吸收分光光度法[4]等。这些方法尽管灵敏度较高，但存在仪器价格高昂、体积庞大、需要专人操作、耗时耗力等问题，不适用于现场分析和即时检测。对于一些发展中国家和地区，这些方法及仪器的推广会受到很大限制。为了解决使用受限等问题，国家在2013年发布的《生物产业发展规划》中明确指出，要大力发展现场快速检测技术。

微流控芯片技术是通过微细加工手段将样品的预处理、分离和检测集成到一个仅几平方厘米的微芯片上，利用微米或亚微米通道控制微量液体流动，在完成各种生化反应后，对反应产物进行分析检测的技术。相比于传统的实验室分析技术，微流控芯片技术所具有的微型化、集成化和便携化的优势，使其在医疗快速诊断[5-6]、环境实时监测[7-8]、食品快速检测[9-10]等分析领域获得了广泛应用。作为其分支，纸基微流控芯片技术是当前研究热点之一[11]。纸张具有来源广泛、环保、成本低廉、易于携带、操作相对简单等优点。以纸张作为基底材料制备微流控芯片的研究可以追溯到1949年，MÜLLER R H等人[12]开展了类似微流控技术的工作，他们使用热熔石蜡的方法，首次在纸上成功制作了流体通道用于混合颜料的选择性洗脱。2007年，来自哈佛大学的MARTINEZ A W等人[13]首次提出了纸基微流控分析装置（microfluidic paperbased analytical devices，μPADs）这一概念，并且最先应用激光光刻胶的方法制作芯片用于葡萄糖和蛋白质的测定。他们将滤纸浸泡在SU-8光刻胶溶液中30 s，经过烘烤和曝光等步骤，在纸上构建了微流通道，但此种方法制作成本较高，涉及大量实验步骤。在这之后，纸基微流控就引起了人们的广泛研究兴趣。2009年，来自麦克马斯特大学的PELTON R等人[14]进一步给出了生物活性纸这一概念，他们力图通过各种加工技术在纸上形成亲水、疏水通道，构建“纸基上的实验室（Lab-on-paper）”，实现快速的低成本检测。2012年，MAEJIMA K等人[15]提出利用喷墨打印的方法制作芯片，研发出了成本低廉、可量产，在家就能进行检测的纸基芯片。继2008年美国亚利桑那大学KE Y等人[16]制作出第一张折纸芯片后，我国上海交通大学张钊[17]在2009年将KE Y使用的折纸图形上的V字型探针改为最常用的一字型探针，开发出新型DNA折纸芯片，该芯片克服了之前KE Y的折纸芯片具有的位置效应等缺点，不用做索引标记，具有很强的扩展潜力。2011年，来自武汉大学王方方等人[18]利用光刻法制作芯片，实现了在一维和二维纸基芯片上用化学发光法来检测葡萄糖和尿酸。2012年，来自西北大学赵联朝等人[19]利用基于过氯乙烯树脂甲苯溶液制备的纸基微流控芯片检测亚硝酸根离子，通过显色反应测定亚硝酸盐含量，成本低廉，无需专门的分析检测装置。2013年，来自浙江大学马翠翠等人[20]研究了一种基于紫外光降解自组装单分子层的纸芯片加工新方法，该方法简单易操作，成本低，不需要贵重仪器，具有较高的分辨率，在食品分析和临床检验中具有很大的实际应用价值。近几年来，纸基微流控芯片的新型制作方法[21-24]、多物质同步检测方法[25-26]，以及纸基智能检测[27-29]等持续受到关注。

1 纸基微流控芯片技术

1.1 基底材料的选择

在基底材料的发展过程中，单晶硅由于其强度和散热性好以及纯度高和耐腐蚀等特点，成为最早使用的基底材料[30-31]，尤其是随着微电子行业的迅速发展，用硅做基底的技术逐渐完善。但硅价格高昂，又具有易碎、绝缘性差和透光性不强等缺陷，使其在芯片中的应用受到限制。随后使用的石英和玻璃克服了单晶硅的一些缺点，具有较好的光学性质、电渗透性和生物相容性，成为制备微流控芯片的主要基底材料。这两种材料的通道加工方法主要是刻蚀法和光刻法，由于这两种方法涉及大量实验步骤，费时费力，因而逐渐也被人们舍弃。近年来，高分子聚合物，如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）[32]、聚对苯二甲酸乙二醇酯（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产规模化等特点，逐渐成为了主要的基底材料。但由于高分子聚合物材料制作工艺较为复杂，同样没有得到广泛应用。因此，寻找一种制作简单、成本低廉以及满足检测要求的材料具有重大意义。

相比之下，用纸张作为基底的微流控芯片具有如下优点：

（1）成本低，市场初步投资低，便于推广应用[35]；

（2）一次性处理，易于使用和存储，同时也方便运输[36]；

（3）柔韧性好，方便印刷，易于折叠，可形成三维结构[36]；

（4）具有生物可降解性和生物相容性。

除上述优点之外，基于纸张的芯片具有微型化的潜力，也无需外置流体驱动装置，可以利用自身的毛细力输送流体，只用相对少量的样品就能实现大规模生产的目的[37-38]。

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1.2 纸基微流控芯片的制作方法

纸基微流控芯片技术是一种成本低廉、使用方便、简单快速的检测手段，是近年来微全分析系统发展的热点技术[39-40]。它可以使用极少的样品，如尺寸在微米级或亚微米级的通道控制10-18～10-9L的检测剂，极大地提高了效率和减少了样品的消耗[41]。滤纸的基本成分是棉质纤维，可用于过滤、分离和吸水，内部有很强的毛细管作用力，可以提高液体传输速率，所以目前常使用滤纸作为芯片的基底材料。纸基微流控芯片的基本工作原理就是在亲水的纸张上形成疏水的边界来划分区域，先在亲水区制作样品的传输通道等单元，再利用毛细管力实现样品在通道内自主流动，与事先固定好的指示剂反应，完成样品的分析处理。由于滤纸具有优异的亲水性，可利用疏水性的物质在滤纸上划分区域，通过疏水壁分离亲水通道，进而形成微流控通道。根据不同维度和结构来划分，纸基微流控芯片包括2D和3D。2D纸基微流控芯片是通过在平面上构建通道来完成检测，3D纸基微流控芯片能同时实现向水平和垂直两个方向输送样品[42]。

两类芯片的制作方法也各不相同。2D纸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种，如图 1所示。这4种制作方法及特点分别如表 1所示。由表可见，每种制作方法都有其优缺点，在实际研究制备过程中，应根据需求和具体应用选择最适宜的制作方法。目前，2D纸基微流控芯片制作过程中大多采用石蜡、光刻胶（如SU-8）和烷基烯酮二聚体（alkyl ketene dimer，AKD）等疏水材料形成疏水边界，但石蜡和AKD无法阻挡甲醇、乙醇等表面张力弱的有机材料进入疏水区域，SU-8的成本过高，这些都导致芯片在使用上会受限[43]。此外，2D纸基微流控芯片只有单层结构，容易发生试剂间的交叉污染，无法满足高通量、多靶标和多反应的检测需求。

表1 纸基微流控芯片制作方法比较

为了解决2D纸基微流控芯片在实际应用中的可能问题，在其基础上通过打孔、折叠、粘贴等方法制作了3D纸基微流控芯片。3D纸基微流控芯片具有立体三维的多层结构，它突破了2D芯片局限，通过多层微流道的控制，实现试剂的快速分配和多种物质的同时检测。早在2008年，MARTINEZ A W等人[53]就使用打孔方法并在孔内填充了纤维素粉的双面胶用于固定多层光刻有不同图案的二维纸基微流通道，首次制作了3D纸基微流控芯片，实现了对葡萄糖和蛋白质的检测。LIU H等人[54]利用手工折纸方法，将2D芯片折叠得到3D芯片，无需额外的制造费用，并且能够还原到2D结构用于分析检测，如图2所示，基于此芯片联合比色法和荧光法实现了对葡萄糖和牛血清白蛋白的检测。尽管3D纸基微流控芯片具有更加高效快速的检测优势，然而目前其制备方法仍大多基于手工，存在制作过程繁琐，常规固态双面胶粘贴不够牢固或粘贴后芯片表面存在大量气泡，以及需要特制的有进样口和出样口的封装容器等局限性。

1.3 用于纸基微流控芯片的检测方法

用于纸基微流控芯片常用的检测方法主要有4种：比色法、荧光法、电化学分析法、化学发光法以及电化学发光法。目前，比色法和电化学分析法应用最为广泛。

1.3.1 比色法

比色法是目前纸基微流控芯片领域中比较简单常用的检测方法。基于被测物溶液加入显色剂后生成的有色溶液的颜色，根据其颜色色相的变化进行定量或者半定量分析。目测法不需要额外设备，但会有主观误差，用于半定量分析。MARTINEZ A W等人[55]采用扫描仪或数码相机等图像输入设备来捕获图像，再利用图像处理相关软件来进行定量分析，可以减少不同大脑产生的视觉差，进而提高结果的准确性和灵敏性。

1.3.2 荧光法

随着电子技术的发展，荧光法的准确性和强选择性日益提升，是实验室进行分析检测的常用方法之一，得到很多领域学者的广泛认可。一般来说，荧光法分为直接荧光法和间接荧光法。其中，直接测量是最普遍常用的方法。荧光法既可以进行定量分析，也可以进行定性分析，已经被成功应用到医学、食品安全和水质检测等诸多领域。其最突出的优点是灵敏度极高，如污水中汞含量和银含量都可以检测到10-10克[56]。但荧光法的缺陷是对物质的检出限低，需要额外的设备，并且可能会受到纸中荧光增白剂的干扰，纸张的白度也会对荧光的表达造成影响，由此在纸基微流控中应用较少[21]。

1.3.3 电化学分析法

电化学分析法是以组分本身的电化学性质为基础的一种方法[56]，通过传感器将化学信号转为电信号，达到定性或定量检测的目的。它与电极和电极反应密不可分，广泛应用于理论研究和实践生产，是仪器分析的一个重要组成部分，已经成功应用到胆固醇[57]、离子[58-60]、维生素C[60-61]和葡萄糖[62]等成分的检测中。在进行测定时要使待测溶液组成一个电化学电池，通过测量该电池的参数及其变化来进行分析。常用参数包括电阻、电导、电流和电量等。在测量时一般需要3个电极系统，即工作电极、参比电极和对电极。传统的固态电极价格昂贵，而纸基芯片的电极是建立在纸上的，所以可以在很大程度上降低成本。RATTANARAT P课题组[63]将比色法和电化学纸基微流控分析设备用三维结构结合在一起，用于检测重金属离子。该芯片具有双层结构，即比色检测层和电化学检测层。每层都可以对同一个样本进行检测，互不干扰。如，比色层利用显色反应检测Ni2+、Fe2+、Cr2+和Cu2+，电化学层检测Cd2+和Pb2+。这种方法所用的设备简单，成本低廉，能够实现对多种金属离子的同步检测。

1.3.4 化学发光法以及电化学发光法

化学发光法是根据化学反应发射出的可见光或荧光的光强度来检测分析物浓度，具有设备简单、成本低、线性范围宽和灵敏度高等优点。将化学发光法和电化学技术相结合就产生了电化学发光法。电化学发光法利用电化学反应进行发光，不需要额外的激发光源，设备简单，灵敏度高，反应可控性强，动态范围浓度增加，已经广泛应用于小分子、金属离子、食品营养成分检测和ECL免疫分析等领域。

2 纸基微流控和水质检测结合

由于水体具有流动性，水中污染物浓度变化速度较快，大型设备在使用上不便利，小型便携式的、集成化的、快速简单的纸基微流控芯片逐渐发挥作用。该芯片在水质检测方面的研究还处于初步探索阶段，研究对象主要包括重金属、富营养化元素和有机污染物等。

2.1 纸基微流控芯片技术在水质重金属检测方面的应用

在城市化和工业化快速发展的国家，重金属污染往往也十分严重。当水体受到重金属污染后，各种重金属在生物体内富集，最终通过食物链累积在人体，对神经、四肢、皮肤等产生危害，导致严重的器官衰竭，给人们的生命安全带来长期影响和巨大威胁[29]。纸基微流控芯片技术给检测重金属离子提供了新的可行方案。

SHI J J等人[64]将滤纸条和丝网印刷碳电极结合起来，组装了一个可以直接定量测量水溶液中重金属铅和镉的纸基微流控装置。他们采用了一种纸基电化学传感装置方案，由于纸条具有良好的润湿性，能与丝网印刷碳电极（screen-printed carbon electrode，SPCE）很好地接触，完全覆盖丝网印刷的3个电极，最后铅和镉离子的最低检出限分别是2.0×10-9和2.3×10-9。

DEVADHASAN J P等人[65]成功地将不同的官能团和比色试剂固定在化学纸基微流控分析装置上，实时检测样品中的重金属，具有较高的检测灵敏度，可以实现精确的定量检测。该装置可以识别金属离子混合物中的单个金属离子，不会受到外来其他离子的干扰，为多种重金属离子的检测提供了快速便捷的方法。此外，装置通过集成一个和智能手机无线连接RGB传感器来量化颜色强度，是一个用户友好型的数据收集平台。

王冠等人[26]以接入了荧光量子点的玻璃纤维纸为基底，使用电子显微镜在真空条件下观察裸纸、量子点接枝到纸表面后以及Cd-IIP接枝到纸片后的形态，如图 3所示，通过离子印迹的方法将镉和铅离子印迹聚合物分别合成在量子点表面。由此得到的纸芯片不仅具有荧光响应信号，还能特异性识别镉和铅离子。其中，检测镉离子的线性范围是0.05～80.0 μg/L，检出限为0.01 μg/L；检测铅离子的线性范围是0.10～ 78.0 μg/L，检出限为0.03 μg/L。结果表明，该芯片可以快速准确地定量检测溶液中的镉和铅离子的含量，灵敏度高，检出限低，还能用于检测其他环境中的重金属离子，具有广泛的应用前景。

王建花等人[28]使用三维纸基微流控芯片完成了对六价铬的显色反应，该芯片是在滤纸疏水化处理的基础上，利用“剪切-粘贴”法将疏水基底和亲水通道组合拼装制成的，并结合自主编写的手机程序μPAD_DET处理拍照获得的图片，计算检测结果并显示在手机上，操作简单快捷。但与传统的分光光度法相比，手机App的定量检测结果更大，在误差范围内略高。此外，拍照容易受到外界光线影响，导致图片明暗强度有区别。

2.2 纸基微流控芯片技术在水质富营养化元素检测方面的应用

硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮（简称“三氮”）是水质富营养化中主要的无机含氮污染化合物。水体由于化肥和污水处理等人为因素受到含氮污染物污染的风险极高，目前，我国的水体大多面临着三氮污染的风险。饮用水中三氮的存在是十分危险的问题，检测水体中三氮含量，对于防止水质富营养化污染，保障水质安全具有重要意义。目前，一般使用分光光度法[66]、光谱法[67]和电化学法[68]来检测三氮，但这3种方法都存在各自的缺陷。化学显色法能够进行快速准确地判断，具有简单低廉等特点，已经在含氮污染物的检测方面应用广泛。

CHARBAJI A等人[24]研究了一种用于检测水中硝酸盐的纸基微流控装置。该装置采用了由棉纤维和锌微粒制成的创新型纤维复合材料。这种材料能与纸基设备结合，产生更好的硝酸盐还原效果，并设计有固定化试剂的检测区，允许通过较大的样品体积，提高了具有折叠结构的纸基装置的检测限。经过优化设计，该装置对水中硝酸盐的检测限为0.53×10-9，相比之前使用纸基技术检测提高了40%以上。

JAYAWARDANE B M等人[69]研制了一种一次性的比色纸基微流控分析装置。该纸基微流控芯片采用喷墨打印技术制作而成，并用于水质亚硝酸盐和硝酸盐的测定，亚硝酸盐可由格里斯反应直接测定，而硝酸盐需要在有锌微粒的亲水通道中被还原成亚硝酸盐来间接测定。在最优化条件下，亚硝酸盐的检测限和定量限分别为1.0 μM和7.8 μM，硝酸盐的对应值分别为19 μM和48 μM。

徐榕等学者[70]提出的基于显色反应的纸基微流控芯片可以对水中的三氮同时进行检测。他们构建了可分别单独检测亚硝酸盐、硝酸盐及氨氮的纸基微流控芯片，在调整流道尺寸后，将这3种单通道纸基微流控芯片在PVC背胶板上集成为“Y”型，连接处为加样区，制作了可同时检测三氮化合物的多通道芯片。最终的芯片结构如图 4所示。

2.3 纸基微流控芯片技术在水质有机污染物检测方面的应用

除了富营养化元素这类无机污染物，水体中也有很多污染是来自有机物。由于有机污染物的含量不高，在检测前需要对其进行预处理，纸基微流控芯片的优势在此就体现出来了，即：能够将前期的预处理和后期的检测集成，富集效率较高。JAE-CHUL L等人[71]制备了一种基于表面增强拉曼散射（surface-enhanced raman scattering，SERS）编码、表面吸附了金纳米粒子的纸基微流控芯片，如图 5所示，并将其应用在了现场直接分析废水成分中。他们选用了4-氨基苯甲酸（PABA）和邻苯二酚这两种有机物来模拟废水。实验证明，这种SERS纸带对这两种有毒的有机污染物都具有很高的灵敏度，检出限分别达到了1×10-9mol/L和1×10-5mol/L，适用于现场快速分析。SANTHIAGO M等人[72]使用了一种用传统打印纸制成的三维装置来对水样中的对硝基苯酚进行检测，优化了溶液pH、缓冲液浓度、脉冲幅度等基本参数。该装置对对硝基苯酚的灵敏度较高，检测范围为10～200 μmol/L，检出限达到1.1 μM，回收率为91.8%～108.2%。有机污染物是以有毒性和降低水中溶解氧含量的方式来产生不良影响的，因此，化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）也作为衡量有机物含量的标准。由于检测COD的药剂中含有强酸和强氧化剂，纸张会被其腐蚀，直接影响到检测结果，所以目前相关研究很少。

3 总结和展望

近年来，纸基微流控芯片技术在集成化、微型化、便携化和环境友好等方面展露出独特优势，因而被越来越多地应用在水质检测领域，包括水质重金属检测、富营养化元素检测和有机污染物检测。纸基微流控芯片具有装置简单、成本低、灵敏度高等特点，是一种理想的多元分析检测工具，为现场即时分析设备提供有力的技术支撑。可以预计，在未来，纸基微流控芯片技术将会遇到更多的机遇和挑战，可能会朝着以下几个方面继续发展：

（1）开发价格低廉，能有效阻挡有机溶剂的疏水材料，拓宽纸基微流控芯片的应用范围；

（2）在保证高通量和多通道等优点的同时，简化3D芯片的加工制造流程，进一步降低成本；

（3）与智能手机结合，改进结果读取技术，优化手机App的处理和结果展示功能，提高其结果的准确度和精度。