一、产品简介:
农药正在环球农业临蓐中是一把双刃剑,正在大幅提升产量的同时,也带来残留题目,对生态体例和人类矫健变成首要威吓。跟着生涯秤谌的提升及毒理学琢磨的日益完好,农药残留限量准绳更加厉酷和周密,我国10 年内实行了5 次修订,限量数量从2 293 项增补至10 092 项,导致农残检测的样品量骤增,做事量加大,于是筑设急速、纯洁、便捷的检测设施至合厉重。
为了高效修筑农药残留急速检测新设施,西北农林科技大学食物科学与工程学院的李艳青、宗欣荣、张敏*等从以下两个个别实行综述:第1个别从ePADs造备工艺开拔,探究纸的采选、亲疏水通道的筑设、判袂区及检测区电极的造备设施,周密总结了ePADs每一合头的环节局限点;第2个别基于农药的电化学检测道理(直接检测、酶箝造、免疫法),筑设农药检测与芯片造备之间的接洽。结尾实行预测,以期为ePADs检测农药残留的后续琢磨供给参考。


ePADs以纸为基底,通过毛细管力驾驭流体滚动。ePADs有多种造备设施,日常蕴涵4 个合头(图2):最先采选适宜的纸,其次正在纸上造备亲疏水通道以局限流体的滚动,然后创筑判袂区,结尾造备电极以实行领会物的电化学检测。依据所造备筑立的庞大性,亲疏水通道的筑设和电极的造备两个步伐可能调动。

跟着人们对即时检测(POCT)、经济效益和环保方面的需求增强,以纸为基底的检测体例正获得日益普遍的合切和操纵。纸的毛细管力使其正在无需表力驱动的情状下即可指导液体滚动,同时纸又拥有肯定的孔隙度,不只能能储蓄试剂,况且能网罗现实样品、预先浓缩领会物等。这些杰出的性情使其成为POCT的理思平台。别的,纸可能通过微生物实行生物降解或燃烧以护卫境遇。虽然纸正在ePADs的琢磨中已受到普遍合切,但纸品种繁多,增补了采选纸张类型的疾苦度。于是,总结常用纸的特色及文件中已有的用处至合厉重。


ePADs常用的纸有滤纸、办公纸、硝酸纤维素膜等,表1总结了这些纸的微观机合及合用性。依据吸附性,可能将一切的纸分为高吸附型和低吸附型。高吸附型纸(如Whatman 1号滤纸)的所长是可能将个别试剂装载正在纸张的纤维素机合中,使样品量需求量淘汰(5~10 μL);低吸附型纸(如办公纸)的厉重所长是造备的电极可能直接闪现正在溶液中,检测灵便度更高,但试剂不易装载正在纸中。将分别类型纸的联用是提升ePADs功效性情的一种常用设施,比方Arduini等开采了一种用于检测分别类型农药的三维折纸多重ePADs,此筑立由办公纸和滤纸构成,办公纸用来印刷电极,滤纸用来储蓄试剂,大大提升了便携性和灵便性。
亲疏水通道的功效是局限流体正在纸上的滚动目标。选定纸的类型后,通过正在纸上计划各样样式的疏水障蔽,告竣流体正在纸上的定向滚动。依据亲疏水通道造备进程中所用的疏水原料与纸张的连结形态,可将其分为物理改性、化学改性和切割成型(图3)。

物理改性蕴涵物理填充纸的孔隙或正在纤维皮相重积憎水化合物,这两种体例中憎水化合物与纤维素纤维之间不发作化学反响。常用的物理改性试剂有以下4 种。
蜡拥有高疏水性和热诱导熔化职能,是一种适宜的造备亲疏水通道的候选原料。基于蜡的重积是一种纯洁和低本钱的设施,可能重积拥有可反复性的疏水图案障蔽。正在这种设施中,先重积蜡膜的皮相图案,然后加热使蜡熔化,从而浸渍下面的纤维素基材,造成三维疏水机合。然而,蜡正在热管理进程中不行避免地会扩散,使规定的亲水通道缩幼,并也许导致图案的变形。于是,局限加热温度和加热年光对造备高区别率的通道至合厉重,而温度和加热年光的局限取决于所用纸张的克重(纸张的面积密度)和孔隙度。
聚苯乙烯(PS)是一种便宜易得的疏水性凑集物。Sameenoi等将PS溶化正在甲苯中,采用丝网印刷的设施造备疏水区域,PS和甲苯的羼杂溶液通过筛网浸透纸张,正在甲苯蒸发后,疏水障蔽依然存正在。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其易于筑设、透后、电导率和弹性低而成为微流控芯片琢磨中最受接待的凑集物。Dornelas等行使带有定造图案的橡胶印章将PDMS和正己烷的羼杂溶液轻轻压正在色谱纸皮相,30 s后羼杂物穿透色谱纸,将带有图案的色谱纸置于70 ℃条目下固化30 min造成疏水障蔽,区别率约1 mm。因为PDMS与少许有机溶剂相溶,蕴涵少许醇类、腈类、二代替酰胺类、亚砜、吡啶等。于是,法则上使用PDMS造备ePADs是实行各样需求非水介质领会实践的首选。
光刻胶正在光照或加热条目下极易发作交联反响造成不溶于水的高聚物,基于此,可将纸张衬底浸泡正在光刻胶中以罗致光刻胶,并通过掩模将纸张闪现正在所需的紫表光形式下造成障蔽。透后膜上未被墨水护卫的区域经紫表光照耀后会成为疏水区,而透后膜上印有玄色墨水的区域会成为亲水通道,结尾冲洗去除纸张上未闪现正在紫表光下的光刻胶。Zea等将SU-8光刻胶打印正在Whatman 1号纸上造备亲疏水通道,并琢磨了打印层数对静态接触角值的影响,琢磨结果声明,当印刷层数为6时,疏水后果最好。
化学改性是通过少许能与纤维素上的羟基(—OH)反响的试剂,向纤维素分子链上引入疏水基团,从而造成亲疏水通道的设施。这意味着它与纸张的连结比仅倚赖物理吸附的试剂更坚韧,而且化学改性只是使纤维素收集更疏水,它仍应许拥有相容皮相能的液体持续通过,仅阻截那些皮相能与疏水试剂不结婚的液体。AKD和硅烷化试剂是常采用的化学改性试剂。
AKD是造纸工业中常用来治疗纸成品疏水性的一种物质,由自然脂肪酸(14~22 个碳)造成,加热后与纤维素中的羟基造成化学键。AKD正在贸易上以固体薄片或乳液的形状出售。AKD乳液的保质期日常正在几全面3 个月之间。AKD极易水解,AKD可能和水分子发作反响形成β-酮酸,其又会自愿脱羧造成酮。这个徐徐的进程会导致AKD不行再与纤维素共价连结。于是,正在AKD用量较低的情状下,提倡现配现用。Deng Yafeng等将AKD喷墨打印正在滤纸上,加热条目下与滤纸纤维中的羟基发作凑集反响造成疏水障蔽。打印的区域疏水,未打印的区域仍仍旧亲水。实践中优化了AKD的配方和管理条目等要素,得胜造备了界线明晰、传输速率疾、本钱低、结果高的纸基微流体芯片。而且此琢磨声明,行使AKD改性的本钱很低,每平方米不够0.006 元。
三甲氧基十八烷基硅烷(TMOS)上的硅氧烷(Si—OR)不与滤纸纤维素上的—OH反响,但TOMS正在水蒸气境遇中能水解天生硅烷醇基团(Si—OH),通过Si—OH与—OH之间的反响可能将TMOS固定正在纤维素上。同时,水解后的TOMS可能通过Si—OH的自正在缩合彼此连合,结尾被固定正在滤纸纤维上,并被疏水性基团笼罩。Cai Longfei等最先将拥有特定图案的纸掩膜浸泡正在TMOS-庚烷的羼杂溶液中30 s,取出风干置于玻璃载玻片上;然后顺次将空缺滤纸和另一块载玻片放上去;结尾正在加热板上100 ℃加热35 min以形成硬水后果。这种硅烷化造成的ePADs可能抵当有机溶剂和皮相活性剂的影响。
十三氟辛基三乙氧基硅烷(POTS)是一种双官能团化合物,含有的硅烷氧基官能团正在水解后开释低分子醇,由此形成的绚烂性硅醇能与很多无机和有机基材中的羟基、羧基和含氧基团形成化学键合。Zea等用POTS对纸实行疏水管理。气相硅烷化纸的静态接触角高于150°,阐发有机硅烷与纸纤维素皮相的羟基发作反响,从而形成硬水性。此进程纯洁,无需预管理和后期管理,正在几分钟内就可能竣事。然而,这种硅烷化的设施会使整张纸变得疏水,为造备思要的图案,常行使掩膜将其遮住以保障造备出所需的图案。
十八烷基三氯硅烷(OTS)动作一种流通的有机硅烷衍生物,可能改革纤维素纸的疏水性,造服纤维素纸的不够。Wang Hui等使用OTS造备了超疏水纤维素纸,提升了微流控场效应生物传感器的呆滞强度和较短的行使寿命,并开采了一种由半导体单壁碳纳米管和DNA酶构成的微流场效应生物传感器,可测定25~5 μmol/L范畴内的Ca 2+ 浓度,检测限为10.7 μmol/L。通过化学改性造备的亲疏水通道拥有不受有机溶剂影响的上风。
除了行使分其余疏水原料造备亲疏水通道,还可能直接切割成型纸基作ePADs。常用的切割器材有CO 2 激光切割刀、打孔机、工艺刀等。正在这种情状下,纸被直接切割成所需的样式,并可能速即行使。然则因为纸张原料缺乏呆滞刚性,于是正在公共半情状下会用胶布贴正在纸的后背起支柱效用,使全盘筑立的机合更坚韧。陈尧行使CO 2 切割筑立正在纸上造备了蛇形的微流控通道用于人体脱水指引。切割成型的厉重缺陷是大界限临蓐中需求特意的筑立,正在资源有限的地域会受到束缚。
判袂区的主意是将待测样品实行预管理,去除杂质以提升待测物检测的正确性。特别正在现实样品的检测中,所面临的样品基质日常相称庞大,如不实行预管理,常难以餍足检测需求。实践室常用的样品预管理技能往往操作繁琐且依赖高贵筑立,不适合现场急速检测。纸的多孔机合以及纸纤维素上的羟基和羧基等活性基团为现场急速检测中样品的前管理供给了新思绪。基于此,琢磨学者使用纸自己的上风,正在纸上筑设了各样样品前管理的设施,依据判袂道理可将其分为纸过滤、纸色谱和纸电泳。


纸过滤是使用纸的多孔机合吸附拦截杂质。比方,Santhiago等使用滤纸动作滤膜,造备了拥有样品前管理后果的3D-ePADs,其道理是当待测样品通过滤纸时,杂质就留正在滤纸上,目的物对硝基苯酚则通过滤纸流入检测区,从而告竣了对硝基苯酚的灵便电化学检测。为了擢升纸过滤的结果,豪爽琢磨做事采用化学粉饰设施对纸纤维素实行改性,如螯合、吸附、离子相易和纸固定相内的亲疏水彼此效用等。如图4A所示,Li Shuhuai等正在色谱纸上固定分子印迹凑集物(MIPs),当样品滴加到样品通道中,样品通过重力扩散并流经亲水通道达到反响区,样品中的甲基对硫磷被MIPs吸附,未吸附的组分持续流过反响区。MIPs采选性地吸附甲基对硫磷,同时使其他组分摆脱反响区,明显提升了芯片的采选性。该设施纯洁、便宜且便携性强。除此除表,如图4B所示,Shiroma等依据对乙酰氨基酚(PA)和对氨基苯酚(4-AP)pKa的不同(PA为9.8,4-AP为5.3),采选Whatman P81(一种高通量的强阳离子相易纸)构造判袂安装,因为4-AP与纸上带有负电荷的官能团彼此效用,导致其保存年光较长,通过这种体例到达判袂后果。这些弱酸/弱碱之间峰的区别率可能通过改观滚动相的pH值进一步优化。
纸色谱又称为纸层析,是基于领会物与固定相和滚动相之间彼此效用的不同告竣领会物判袂或富集。如图4C所示,Primpray等行使乙酸乙酯和环己烷作滚动相,将Whatman SG81纸切成矩形,两种待判袂物和羼杂物离别和甲醇按肯定的体积比羼杂,取适量涂抹正在纸上,将纸放入色谱槽中,直到滚动相的溶剂前段达到纸张的顶部,依据两种领会物正在判袂进程平分拨系数的不同告竣判袂。
纸电泳是正在纸的两头施加电压,带电领会物正在电场效用下发作搬动从而到达判袂的主意。为了告竣判袂和检测一体,可能将电泳集成到ePADs中。如图4D所示,Liu Yingchao等将微流控自正在流电泳与滤纸色谱相连结,通过改观判袂境遇的密度和运动黏度从而提升判袂结果和判袂体例的太平性,告竣了领会物的连绵判袂。微流控自正在滚动电泳是一种用于庞大羼杂物连绵和高通量判袂的通用技能。正在微流控自正在滚动电泳中,领会物通过笔直施加的电场滚动以告竣连绵判袂。与古代的大界限判袂设施比拟,微流控自正在滚动电泳拥有样品损耗少、驱动压力低、判袂电压低、散热疾等所长。
电极的造备是ePADs造备中结尾一个厉重步伐,将电化学传感器集成到微流控纸芯片上,即可告竣样品的定性和定量领会。正在公共半农药的检测中,ePADs上的电化学传感器日常由三电极体例构成,即做事电极、对电极和参比电极。如图5所示,常见的纸电极的造备设施有笔绘、丝网印刷/模板印刷、喷墨打印、CO2激光刻划、真空过滤等。


铅笔或钢笔画图是一种正在纸上筑设电极纯洁急速的技能,常行使石墨笔或碳墨改性的钢笔。钢笔画图时油墨需加热固化,铅笔画图则不需求。Dossi等初度使用石墨铅笔正在纸上造备做事电极和对电极。为了低落电极之间的批间不同,需求先正在纸上用墨粉或铅笔画出轮廓,然后实行绘造。由于石墨是通过绘造直接变动到纸上的,是以不需求黏合剂,也不会像丝网印刷和模板印刷一律滥用碳浆。然则手绘电极的厚度阻挠易局限,电极的电导率容易受到影响。同样,一支含有特地配方的碳或银墨水的笔可能用来正在纸上绘造电极。Kare等近来报道了一种行使碳墨水改性钢笔手绘造备ePADs的急速设施,直接用钢笔画出参考线,将电极手绘正在滤纸上。固然铅笔和钢笔画图操作纯洁,但手动绘造中施加的压力阻挠易局限,很大水准地影响了电极原料正在纸上的重积,导致电綦重现性低,难以大界限临蓐。比拟之下,Pagkali等通过策动机局限的XY画图仪和铅笔将电极重积正在纸上,此设施施加的压力容易局限,随后评估了造备参数(纸张类型、标志笔类型、铅笔类型、画图速率、遍数、单面和双面画图)对电极的呆滞和领会职能的影响。
丝网印刷和模板印刷道理好像,两者的区别是丝网印刷需求定造严密的筛网,而模板印刷不需求。丝网印刷是最先报道的电极筑设设施,也是目前最普遍行使的设施。油墨正在刮板的压力效用下透过定造的网版被印刷到纸上,再将纸置于60~90 ℃的烘箱中加热固化,以造成所需求的导电图案。陈平琢磨了丝网印刷工艺中网版的造备、碳浆印刷等工艺进程对丝网印刷电极职能的影响,并确定了最佳的工艺条目,通过测定分别批次电极的电阻对电极实行表征,确定丝网印刷电极的质控设施。为了避免丝网印刷进程中需求特意定造的筛网题目,模板印刷使用透后胶带或其他固体薄膜计划图案动作掩膜,油墨透过掩膜的启齿处施涂正在纸上造备电极。掩膜板可能通过手工或激光切割造造。与丝网印刷形似,模板印刷后的电极油墨需求加热固化。为了正在电极上获取明晰的界线,模板印刷所用的油墨日常比丝网印刷所用的油墨黏稠。
与上述两种印刷设施比拟,喷墨打印是一种更通用的正在纸上造备电极的设施。喷墨打印通过喷墨打印机将导电油墨自愿打印到纸上,此设施可能行使多个墨盒同时打印多种原料,一次性印刷豪爽图案,而且不需求预重积或模板。市情售卖的打印机可能被改造用来打印电极,可是还需进入更多的琢磨才略获取杰出的后果。碳粉、碳纳米管、石墨烯纳米粉和银纳米粒子等常被用于正在纸上喷墨打印电极。同时,这种设施也有肯定的缺陷,蕴涵喷嘴淤塞和打印机本钱高。为了抗御喷嘴窒息,喷墨打印所需的油墨必需拥有较低的黏度,但这又会导致电极的导电性低落,于是,正在造备电极进程中往往需求多层印刷以保障其导电性。
为了造服上述题目,另一种正在纸上筑设碳电极的自愿化技能是CO 2 激光刻划。CO 2 激光可用于凡是纸板皮相的热解,以形成导电碳原料,用作电化学丈量的电极。Martins等使用CO 2 激光热解造备ePADs,得胜用于贸易饮料中亚硫酸盐的方波伏安领会。激光刻划正在筑设进程中不涉及化学品的行使,是以比其他设施更环保,而且所造备的电极拥有杰出的可反复性和电化学职能。
真空过滤是通过正在纸的一侧变成肯定水准的负压(真空)而使导电油墨重积正在纸上造备电极的设施。Yu Haixiang等使用便宜塑料模板动作根本过滤安装,最先将单壁碳纳米管正在真空条目下通过定造的模板过滤到滤纸基底上,以造成拥有三电极图案的导电基底,随后再将金属纳米颗粒正在真空条目下重积到上述单壁碳纳米管图案纸上,造成金属膜。通过行使定造样式的模板,可能将分其余金属纳米颗粒重积到统一张纸上,造成分别原料、厚度和样式的电极。该进程纯洁、急速、经济,三电极体例的原料、样式、尺寸、厚度可能十足定造,而且不需求耗时的重积进程或庞大的仪器。
除了上述常用的造备设施表,尚有少许设施,如微细线植入、溅射、滴涂、滴铸等。此中微线植入是将金属电极黏接到纸基微流控芯片上,而溅射技能需求一个特意的溅射室,本钱很高。
电化学传感器为农药残留的检测供给了一种有远景的设施。电化学传感器根本都是由识别体例和转换体例两个别构成,其根本道理为目的物质与感触元件接触后传出感触信号,历程转换体例转换为电信号,再通过电化学做事站实行管理和信号放大,进而对目的物质实行定性或定量领会。采用ePADs检测农药的琢磨有良多,基于电化学检测道理,检测农残的ePADs可分为以下4 类。
电活性基团是指能正在电极上发作氧化还原反响的官能团,日常蕴涵卤素(X)、硝基(—NO 2 )、氨基(—NH 2 )、—OH等。因为个别农药分子或其降解产品中含有这些基团,于是极易正在做事电极上发作氧化还原反响,从而形成电化学相应信号。个别琢磨职员恰是使用这一特色对食物或境遇中残留的农药分子实行直接、急速的电化学检测。本课题组目前也正对自己或其水解产品中含有电活性基团的农药直接检测设施实行踊跃琢磨,指望开采出加倍灵便、轻省、检测限更低的检测设施。表2总结了基于电活性基团的ePADs检测设施。比方甲基对硫磷分子中含有—NO 2 ,于是可能用ePADs直接检测。
基于酶的电化学检测是通过丈量酶的箝造水准、传感器活性和检测下限从而确定所测样品中农药的浓度。该设施是无电活性农药电化学检测的常用战略之一。表3总结了基于酶箝造的ePADs检测农药残留情状。酶的固定是造备ePADs的环节步伐。比方Dabhade等将纸动作酶固定的平台,琢磨了壳聚糖、海藻酸钠和葡聚糖3 种多糖正在滤纸上固定葡萄糖氧化酶的设施,觉察壳聚糖的酶包封结果最高(约90%),且太平性最好(约97%)。该琢磨结尾以壳聚糖为包埋剂,将葡萄糖氧化酶固定正在滤纸上,并将其与丝网印刷电极相连结,造备了一种ePADs。农药检测是通过计时电流法丈量无农药条目下初始酶活性和闪现于农药溶液后的糟粕酶活性,并评估与喷雾农药量呈正比的箝造百分比实行的。此传感器可能正在气溶胶阶段检测3 类农药,2,4-D、草甘膦和对氧磷检测限离别为30、10 μg/L和2 μg/L。这些结果阐发,酶与ePADs连结的传感平台检测灵便度更高,可能正在农药检测界限表现更大的效用。
基于免疫的电化学检测是指以抗体为识别元件的检测战略,拥有检测灵便度高的特色。农药动作幼分子化合物自己不拥有十足免疫原性,需乞降卵白质等大分子化合物连结以获取十足免疫原性。基于抗原或抗体的一心性进而识别检测样品中的抗原抗体。正在农药残留检测中,需求人为合成相应的农药抗体,从而告竣对农药残留的高灵便检测。Ruan Xiaofan等使用3D打印技能计划了一种多重免疫传感器,用于同时检测两种普遍行使的除草剂莠去津和乙草胺。通过定造侧流免疫领会,告竣了多途复用,然后与电化学领会仪集成,用于超灵便农药检测。
除了自然抗体表,人为抗体与ePADs连结的筑立近年来也备受合切。人为抗体是天然生物抗体-抗原编造犹如合成物,即MIPs。目前,基于MIPs的ePADs已普遍操纵于检测糖卵白、炎症卵白、甲基对硫磷等。与自然抗体易受温度和pH值的影响比拟,MIPs拥有杰出的太平性,可能历久储蓄,而且不需求特地的储蓄条目和温度范畴。
除上述表,少许琢磨中还行使细菌的细胞(如大肠杆菌)和线粒体动作农药检测的生物识别元素。已有琢磨声明,线粒体电子转达链蕴涵电化学活性物质醌,醌能正在做事电极上发作反响形成电化学信号。而对付公共半农药而言,线粒体是它们的厉重或次要目的,于是线粒体生物传感器不只能能检测有机磷类(对硫磷)和氨基甲酸酯类农药,还可能检测很多非神经毒性农药(莠去津、百草枯、氯菊酯),这与基于乙酰胆碱酯酶的生物传感器分别,于是它是检测多种农药的理思采选。因为线粒体对分别毒素形成的电化学输出分别,故行使单个传感器可区别农药。
近年来,农药残留的现场疾检是食物平安和境遇监测界限亟需处置的题目。为了淘汰对实践室大型筑立的依赖,ePADs正适合新颖检测技能简捷化、多功效化的趋向迅猛发扬,并为农药残留的现场POCT供给轻省器材和平安牢靠的技能平台。本体裁例地总结了ePADs的造备进程以及针对农药的分别检测道理与芯片造备之间的接洽。然而,ePADs的浩大操纵潜力与实际行使情状之间已经存正在昭彰的反差。面对的挑衅厉重蕴涵:1)通用性,目前有机磷类农药和氨基甲酸酯类农药的检测公共基于酶箝造法,而有机氯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类等农药的琢磨较少,于是琢磨一种通用的检测设施对简化ePADs造备进程及行使便捷性至合厉重;2)样品基质效应,样品的基质也许会作对检测的信号,开采更高效的纸上判袂设施势正在必行;3)正在贸易化道途上仍存正在良多题目。实践室造备ePADs的进程中支配其质料相对容易,但贸易化临蓐中质控相对较难。于是,改日仍需求做出更多的勤苦将其操纵于现实农药残留检测。
本文《纸基微流控电化学芯片检测农药残留的琢磨发达》出处于《食物科学》2024年45卷15期252-262页。作家:李艳青,宗欣荣,陈思安,张敏。DOI:10.7506/spkx0915-133。点击下方阅读原文即可查看作品联系音信。

为深化斟酌改日食物正在大食品观框架下的改进发扬机缘与挑衅,鼓励产学研用各界的交换互帮,由北京食物科学琢磨院、中国肉类食物归纳琢磨核心及中国食物杂志社《食物科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办,西华大学食物与生物工程学院、四川旅游学院烹调与食物科学工程学院、西南民族大学药学与食物学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食物与生物工程学院、成都医学院磨练医学院、四川省农业科学院农产物加工琢磨所、中国农业科学院城市农业琢磨所、四川大学农产物加工琢磨院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食物工程学院、大连民族大学性命科学学院、北京共同大学保健食物功效检测核心协同主办的“第二届大食品观·改日食物科技改进国际研讨会”即将于2025年5月24-25日正在中国 四川 成都召开。