基于纸基微流控的荧光技术在环境检测中的应用

李 卓， 孟 爽， 杨圆圆

（同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）

快速发展的工业技术和过度的自然资源开发导致了能源和资源的枯竭，引发了环境污染和气候变化等难题，对人类健康和生态环境构成了巨大威胁。完善环境检测技术，特别是现场快速检测技术，对于强化环境污染风险管控、维护人类健康和生态平衡具有至关重要的意义。因此，迫切需要发展新型快速检测技术以适应日益严峻的环境污染防控和管理。

基于微流控技术的微型分析设备不仅可以有效降低分析成本，简化操作步骤，还易于实现在线监测，能够有效增加环境监测的频率和扩大地理覆盖范围，为解决上述问题提供了新策略[1］。

微流控技术是一种利用微小管道和微型器件来处理和操控微量液体样品的技术，在近年来发展迅速，应用范围不断扩大[2］。微流控芯片被称作芯片上的实验室，将化学、生物等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米甚至更小的芯片中进行分析，可利用微量样品进行高灵敏度分析，具有微型化、集成化等特征。微流控纸基分析器件（microfluidic paperbased analysis device， μ-PADs）是微流控芯片的进一步发展，采用纸张作为基底，用于进行相关反应和分析。

长期以来，研究者们已将μ-PADs与多种分析方法（如比色法[3］，电化学法[4］，荧光法[5］，表面增强拉曼光谱法[6］等）相结合制备微型检测平台，实现对目标污染物的快速检测。其中，与荧光法的结合操作简单，结果可视，且检测灵敏程度高，响应快速，在水污染现场检测方面具备独特的优势。

1 纸基微流控技术及μ-PADs

随着微量分析方法的出现（如气/液相色谱、毛细管电泳等），分析化学领域迎来了新的发展，探寻利用极少量样品进行高灵敏度分析鉴定的微尺度分析方法已成为研究的重点，因此微流控技术应运而生。

微流控基底材料发展迅速，从最初的单晶硅，到透明有机玻璃，再到具有光学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］首次提出了纸芯片的概念，纸质材料作为一种新型基底逐渐受到关注，并在近年来发展迅速。μ-PADs以纤维素纸作为基底，通过各种精细加工技术，在纸上构建具有特定结构的微通道和分析单元，不仅结合了传统微流控芯片微型化、自动化、集成化、便携化的优点，还具备以下优点：①成本低廉，②良好的生物相容性，③无需驱动装置，④柔性材料，便于设计多种结构，⑤一次性处理，方便可抛，⑥操作简单。

μ-PADs的具体制作过程是在亲水的纸基上通过疏水机制的精细化构建，形成图案化的亲疏水围堰，构成功能分区，包括样品区、检测区、通道等[12］。检测过程是将待测的目标分析物滴加到μ-PADs 的样品区，通过纸纤维之间的毛细作用将待测物运送至检测区，与检测区上精确负载的相关指示剂发生反应，产生可检测或直接视觉读取的信号（电信号、光学信号等）。目前已被开发并投入应用的加工技术有光刻、等离子体处理、喷墨打印、蜡印、切割等。光刻技术虽然具有更高的分辨率，但操作复杂；等离子体处理技术的试剂成本低廉，但在实际操作中可能受到纸张材质和厚度的限制；喷墨打印技术成本也较低，但需要改造打印机，操作繁琐；蜡印技术操作简单，可批量生产，但不耐有机溶剂；工艺刀切割技术操作简便、成本低廉，但图案可能过于简单且容易受污染[11，13-16］。综合而言，各项技术都有其优缺点。在选择μ-PADs的加工技术时，需要考虑应用条件并选择最适合的方法。

2 荧光传导机制

荧光检测法是指某些物质被紫外光照射后处于激发态，当其从激发态再回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式释放，即发出能反映出该物质特性的荧光，由此进行定性或定量分析的方法[17］。基于μ-PADs的荧光检测技术是将荧光材料通过滴涂、浸渍、打印等方法精确负载于纸芯片上，利用目标分子和荧光材料之间的相互作用，导致荧光猝灭或荧光增强等不同的荧光响应。检测结果可直接以视觉方式读取，也可通过扫描仪、手机摄像头或相机拍摄μ-PADs检测区域图像，然后传输至电脑端或手机端进行更准确的数字化定量分析[18］。荧光传导机制包括聚集诱导荧光猝灭（AIFQ），光致电子转移（PET），分子内电荷转移（ICT），荧光共振能量转移（FRET），螯合增强荧光（CHEF），内滤效应（IFE），离子交换（IE）和静态猝灭等：

（1）聚集诱导荧光猝灭。绝大多数的荧光物质在稀溶液中会呈现出较强的荧光，但在高浓度溶液中或是被制成固态时，其发光性能往往会减弱或完全消失。这种 “浓度猝灭” 现象主要是由分子间聚集态的形成所引起的（图1a）。

（2）荧光共振能量转移。FRET是指在一定波长的光激发下，荧光基团中的能量给体产生荧光发射，并通过偶极之间的相互作用把能量无辐射地转移给其附近的处于基态的能量受体荧光基团的过程（图1b）。

（3）螯合增强荧光。CHEF是由于荧光物质单独存在时仅发出微弱的荧光，当待测物与荧光物质发生螯合配位时，可产生能量转移而使荧光增强（如图1c）。

（4）光致电子转移。由于荧光材料被激发到最低未占据分子轨道（LUMO）的电子在返回最高占有分子轨道（HOMO）的过程中，很容易转移到目标物的LUMO 上，或目标物HOMO 上的电子占据了荧光材料HOMO上电子的位置，使荧光材料被激发的电子无法返回。这种电子转移作用在荧光材料与目标物之间发生，导致了荧光猝灭。当荧光材料与离子团由间隔物连接时，两者之间发生PET使得荧光猝灭，目标物与离子团的结合使其HOMO 能量降低，电子无法转移，荧光得以恢复（图1d）。

3 基于μ-PADs 的荧光传感器在环境污染物检测中的应用

环境中的污染物形态变化莫测，尤其是水体污染物，传统大型检测设备难以满足快速现场检测的需求，因此小型便携的μ-PADs逐渐发挥作用。近年来，基于μ-PADs的荧光传感器在环境污染物的检测领域已有许多的研究，包括重金属、营养盐、农药、抗生素等。

3.1 重金属

随着现代工业的快速发展，重金属废水的排放越来越普遍。尽管低浓度的重金属离子并不会立即对环境或人体造成直接危害，但它们降解缓慢，在生物体内易积累，并通过食物链传播至人体。传统的重金属离子的检测方法如原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体发射光谱法、电化学法等均需在实验室进行，而在转移环境样本的过程中，重金属离子容易发生价态上的变化，从而导致对环境重中金属离子的种类和浓度的情况的掌握出现误差[19-20］。因此，现场便携式分析技术的重要性日益突出。

目前，已有众多研究者基于纸基微流控技术实现了对重金属离子的现场荧光检测。Bian等[21］使用基于金纳米团簇的荧光试纸对Hg2+和Pb2+离子进行了可回收检测。当暴露于含Hg2+的环境时，由于ACQ效应，观察到试纸的荧光猝灭，而暴露于含的Pb2+环境时，由于AIE 效应，观察到荧光显著增强（图2a）。Li等[22］设计了基于PET机理的双碳点比率荧光纸传感器用于Cu2+的定性和半定量检测，以蓝色荧光碳点作为内标探针，红色荧光碳点作为传感探针实现线性荧光强度变化，为Cu2+的视觉检测提供了一种很有前途的策略（图2b）。而随着对纸基微流控芯片的关注度越来越高，更多研究者开始着眼于开发具有新型结构的μ-PADs用于重金属的荧光检测。Wang等[23］利用荧光传感布基组件和旋转μ-PADs的协同作用，设计了一种新型3D旋转布/纸复合微流控分析装置（图2c），实现了对Hg2+和Pb2+的精确检测，检测限分别为0.17 μg/L和0.08 μg/L。Zhou等[24］基于三维旋转纸基微流控芯片平台利用离子印迹荧光ZnSe量子点，实现了对Cd2+和Pb2+的特异性和多通道测定，其检测过程和芯片结构如图2d所示。

3.2 营养盐

氮和磷化合物是水生植物光合作用的必要营养物质，当浓度足够高时，就会引起水体富营养化，这不仅会通过促进藻类的大量繁殖破坏水环境的生态平衡，还会对人类健康构成威胁。McKelvie等[25］首次提出了基于流体控制方法的纸张技术用于监测和分析水生系统营养物质，促进了便携式μ-PADs的进一步发展，近年来，研究者开始研发基于μ-PADs的营养盐检测。然而，水中营养盐存在形式基本上是各元素最稳定的存在状态，难以进行电子转移，因此对营养盐的纸基荧光检测研究案例较少，目前基本处于起步阶段。

Zheng等[26］通过一种绿色简单的化学还原法合成了水溶性荧光铜纳米团簇并接枝到μ-PADs上，探索了便携式纸基传感器在紫外灯下通过出现不同程度的蓝色荧光来视觉检测水溶液中的微量亚硝酸根离子的技术，检测限低至3.6 nmol·L-1，显著优于传统的Griess比色检测法。Sarwar等[27］提出了一种可定点检测环境中磷酸盐的3D荧光纸基传感设备，该设备利用一种对磷酸盐浓度敏感的荧光团作为荧光信号进行响应和分析，响应时间仅为4 s，线性范围为1.1～64 ppb。Wu等[28］开发了一种具有多色发射和高荧光量子产率的蒽羧基酰亚胺类化合物，并将其与1， 2-苯二胺反应合成了一种新型荧光传感器，荧光随NO2-的添加而增强，并将此传感机理成功应用到试纸上投入检测。

3.3 农药

农药有效促进了农作物的产量和质量的提高，但农药残留问题对人类健康、生态系统等也带来了严重威胁，已引起高度重视。因此，迫切需要快速、准确和无仪器的农药检测方法，以适用于现场检测，准确掌握农药的污染情况。

Zhang等[29］首次报道了基于荧光多孔聚合物的传感试纸用于有毒农药的检测，该荧光试纸在紫外灯下发出明亮的蓝绿色荧光，农药杀螟松、氟乐灵和草甘膦可以有效猝灭荧光，检测限低至10-5mol/L级（图3a）。Wang等[30］利用纳米卟啉对两种量子点的不同猝灭效应，构建了纸基荧光可视化传感器，三种有机磷农药（乐果、敌敌畏、内吸磷）可不同程度地破坏纳米卟啉对双量子点的猝灭效应，实现高选择性和高稳定性的检测，该研究为复杂体系中有机磷残留的鉴定提供了一种新的方法（图3b）。但上述研究仅对农药残留进行了定性地检出，并未定量确定其浓度，而发展同时定性和定量检测环境中的农药残留的纸基荧光检测技术对保护环境和人类健康有着更为重要的研究意义。Chen等[31］制备了一种新型纸基传感器，并基于纳米锌卟啉对CdTe量子点的荧光猝灭效应和氨基甲酸酯农药与纳米锌卟啉结合对量子点的荧光恢复作用，实现了三种氨基甲酸酯类农药（速灭威、克百威和西维因）的纸基定量荧光检测（图3c）。马昕等[32］设计开发了一种比率荧光传感的3D微流控纸芯片用于环境中农药的定量检测（图3d），以绿色荧光作为对照荧光源，根据半胱氨酸修饰后的碳量子点的荧光变化来实现农药苯醚甲环唑的快速检测，检测限达75 nmol·L-1。Zhang等[33］构建了一种3D纸基微流控芯片用于农药2，4-二氯苯氧乙酸的荧光定量分析，2，4-二氯苯氧乙酸的加入使得硝基苯并恶二唑和CdTe量子点两种荧光物质之间发生FRET，实现了对其快速、选择性、定量的荧光检测（图3e）。

图3 用于农药荧光检测的μ-PADsFig. 3 μ-PADs for pesticides fluorescence detection

3.4 抗生素

几十年来，抗生素在农业、畜牧业、水产养殖、医药等行业均有着大规模的应用，使得环境中抗生素残留问题频发，而抗生素残留一旦过量，就会通过食物链和生态循环破坏人类健康和生态环境，因此，开发高效的抗生素检测方法具有重要意义[34］。抗生素是一类具有复杂的空间构相或环状结构的有机物，易于进行螯合或电子转移等反应，因此发展纸基荧光检测技术用于环境中的抗生素检测有着极大的潜力。

Liu 等[35］制备了一种基于金纳米团簇的纸基荧光传感器以检测四环素，金纳米团簇的荧光猝灭情况与四环素浓度（50 μg·L-1～50 mg·L-1）的变化呈现优异的线性响应（图4a）。张昱等[36］对μ-PADs 进行了复杂化的设计，制备了一种3D 纸/布基旋转微流控芯片（图4b），接枝荧光纳米金簇和四环素分子印迹聚合物后，结合荧光光谱仪，实现了对水体中的四环素的高灵敏特异性检测。Han等[37］利用g-C3N4纳米片偶联Eu3+的比率荧光策略，结合纸基设备实现了对牛奶中四环素的便携式检测。TC 通过内滤效应（IFE）猝灭g-C3N4的荧光，同时，通过CHEF 增强Eu3+的荧光（图4c）。此法不仅选择性强、灵敏度高，还不易受到外部环境因素的影响，检测限可以达到nmol·L-1的级别，有着较大的应用前景。Wang 等[38］制备了分子印迹涂布纸传感器，通过荧光发光的视觉分析和智能手机的数字量化实现了对诺氟沙星的高灵敏和特异性检测，检测限为0.1 μg·mL-1（图4d）。Yuan 等[39］将荧光硅纳米粒子作为参考信号，镧系金属离子Eu3+作为响应信号，制备了一种基于硅纳米颗粒的纸基比率荧光传感平台（图4e），用于水体中环丙沙星的可视化荧光检测，检出限低至89 nmol·L-1。

表1 纸基荧光检测技术对水体污染物的检测研究总结Tab. 1 Summary of paper based fluorescence detection technology for water pollutant detection

图4 用于抗生素荧光检测的μ-PADsFig.4 μ-PADs for antibiotics fluorescence detection

4 结论与展望

纸基微流控技术在集成化、微型化、便携性和环境友好性方面的独特优势使其在分析检测领域具备良好的应用潜力。基于μ-PADs的荧光检测技术纸质基底上进行相应的荧光传导，检测目标污染物时，纸张上呈现可视的荧光变化，实现高灵敏的便携式检测。近年来，基于μ-PADs用于现场便携检测的研究越来越丰富，虽已有不少研究者利用基于μ-PADs的荧光检测技术对环境污染物进行可视化的荧光检测，但目前仍然是一个相对新的研究领域，在未来还会面临着一系列的挑战，预计可能会有以下几方面的发展：

（1）纸基微流控芯片用于现场环境检测时，可一次性处理，在环境中可生物降解，具有便携可抛的特点。尽管目前针对环境样本的研究仍然有限，但凭借其良好的研究潜力，相信未来会有更多的研究将纸基微流控技术应用于环境检测中。

（2）纸基微流控芯片上的各个功能分区可以发挥不同的作用，相较于简单的试纸条具有富集、过滤功能。特别是具有多层结构的3D芯片，将在污染物的荧光检测研究方面发挥重要的作用

（3）目前已有的纸芯片加工技术如蜡印、喷墨打印等成本较高，开发成本低廉的能够有效阻挡溶剂的疏水化技术具有一定的研究意义

（4）如果仅仅依靠视觉化而不使用任何光学仪器，对荧光强度的区分仅仅是半定量的，将检测区域图像由手机摄像头或相机收集并传输到电脑端或手机端，可进行更为准确的数字化定量分析。因此，开发可直接读取颜色强度或荧光强度并进行现场分析的程序、软件或APP 将会为μ-PADs 的发展带来新的思路。

作者贡献声明：

李卓：参与选题设计；修订论文；指导性支持；经费支持；

孟爽：参与选题设计；调研整理文献；设计论文框架；起草论文；撰写论文；修订论文；

杨圆圆：参与选题设计；设计论文框架；修订论文。