一、产品简介：

　　农药正在环球农业坐蓐中是一把双刃剑，正在大幅提升产量的同时，也带来残留题目，对生态编造和人类强健变成首要挟造。跟着生存程度的提升及毒理学酌量的日益完满，农药残留限量轨范加倍庄重和周到，我国10 年内举办了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，就业量加大，因而创立神速、大略、便捷的检测举措至闭要紧。

　　为了高效修筑农药残留神速检测新举措，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*等从以下两个个别举办综述：第1个别从ePADs造备工艺动身，探究纸的挑选、亲疏水通道的创立、分手区及检测区电极的造备举措，周到总结了ePADs每一闭节的要害掌管点；第2个别基于农药的电化学检测道理（直接检测、酶抵造、免疫法），创立农药检测与芯片造备之间的联络。末了举办预测，以期为ePADs检测农药残留的后续酌量供给参考。

　　ePADs以纸为基底，通过毛细管力应用流体滚动。ePADs有多种造备举措，日常席卷4 个闭节（图2）：开始挑选符合的纸，其次正在纸上造备亲疏水通道以掌管流体的滚动，然后创筑分手区，末了造备电极以举办明白物的电化学检测。凭据所造备配置的繁杂性，亲疏水通道的创立和电极的造备两个步伐能够更改。

　　跟着人们对即时检测（POCT）、经济效益和环保方面的需求加紧，以纸为基底的检测编造正取得日益广博的闭切和利用。纸的毛细管力使其正在无需表力驱动的状况下即可指引液体滚动，同时纸又拥有肯定的孔隙度，不只能够蓄积试剂，况且能收罗实质样品、预先浓缩明白物等。这些优秀的特质使其成为POCT的理思平台。别的，纸能够通过微生物举办生物降解或点火以包庇情况。即使纸正在ePADs的酌量中已受到广博闭切，但纸品种繁多，增补了挑选纸张类型的穷困度。因而，总结常用纸的特性及文件中已有的用处至闭要紧。

　　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布局及合用性。凭据吸附性，能够将完全的纸分为高吸附型和低吸附型。高吸附型纸（如Whatman 1号滤纸）的便宜是能够将个别试剂装载正在纸张的纤维素布局中，使样品量需求量裁汰（5～10 μL）；低吸附型纸（如办公纸）的重要便宜是造备的电极能够直接揭露正在溶液中，检测机敏度更高，但试剂不易装载正在纸中。将分别类型纸的联用是提升ePADs效用特质的一种常用举措，比方Arduini等开辟了一种用于检测分别类型农药的三维折纸多重ePADs，此配置由办公纸和滤纸构成，办公纸用来印刷电极，滤纸用来蓄积试剂，大大提升了便携性和机敏性。

　　亲疏水通道的效用是掌管流体正在纸上的滚动目标。选定纸的类型后，通过正在纸上打算各类式样的疏水樊篱，竣工流体正在纸上的定向滚动。凭据亲疏水通道造备进程中所用的疏水质料与纸张的联合状况，可将其分为物理改性、化学改性和切割成型（图3）。

　　物理改性席卷物理填充纸的孔隙或正在纤维表貌重积憎水化合物，这两种形式中憎水化合物与纤维素纤维之间不爆发化学反响。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功能，是一种符合的造备亲疏水通道的候选质料。基于蜡的重积是一种大略和低本钱的举措，能够重积拥有可反复性的疏水图案樊篱。正在这种举措中，先重积蜡膜的表貌图案，然后加热使蜡溶解，从而浸渍下面的纤维素基材，变成三维疏水布局。然而，蜡正在热治理进程中弗成避免地会扩散，使规定的亲水通道缩幼，并不妨导致图案的变形。因而，掌管加热温度和加热工夫对造备高区别率的通道至闭要紧，而温度和加热工夫的掌管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群集物。Sameenoi等将PS熔化正在甲苯中，采用丝网印刷的举措造备疏水区域，PS和甲苯的夹杂溶液通过筛网浸透纸张，正在甲苯蒸发后，疏水樊篱已经存正在。

　　聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其易于创造、透后、电导率和弹性低而成为微流控芯片酌量中最受接待的群集物。Dornelas等行使带有定造图案的橡胶印章将PDMS和正己烷的夹杂溶液轻轻压正在色谱纸表貌，30 s后夹杂物穿透色谱纸，将带有图案的色谱纸置于70 ℃前提下固化30 min变成疏水樊篱，区别率约1 mm。因为PDMS与极少有机溶剂相溶，席卷极少醇类、腈类、二代替酰胺类、亚砜、吡啶等。因而，规则上欺骗PDMS造备ePADs是举办各类须要非水介质明白试验的首选。

　　光刻胶正在光照或加热前提下极易爆发交联反响变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摄取光刻胶，并通过掩模将纸张揭露正在所需的紫表光形式下变成樊篱。透后膜上未被墨水包庇的区域经紫表光映照后会成为疏水区，而透后膜上印有玄色墨水的区域会成为亲水通道，末了洗濯去除纸张上未揭露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，并酌量了打印层数对静态接触角值的影响，酌量结果阐明，当印刷层数为6时，疏水成果最好。

　　化学改性是通过极少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，从而变成亲疏水通道的举措。这意味着它与纸张的联合比仅依托物理吸附的试剂更坚硬，而且化学改性只是使纤维素收集更疏水，它仍许可拥有相容表貌能的液体络续通过，仅反对那些表貌能与疏水试剂不行婚的液体。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安排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变成化学键。AKD正在贸易上以固体薄片或乳液的体例出售。AKD乳液的保质期日常正在几周密3 个月之间。AKD极易水解，AKD能够和水分子爆发反响发作β-酮酸，其又会自愿脱羧变成酮。这个怠缓的进程会导致AKD不行再与纤维素共价联合。因而，正在AKD用量较低的状况下，创议现配现用。Deng Yafeng等将AKD喷墨打印正在滤纸上，加热前提下与滤纸纤维中的羟基爆发群集反响变成疏水樊篱。打印的区域疏水，未打印的区域仍维系亲水。试验中优化了AKD的配方和治理前提等要素，得胜造备了畛域明了、传输速率疾、本钱低、效果高的纸基微流体芯片。而且此酌量阐明，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正在水蒸气情况中能水解天生硅烷醇基团（Si—OH），通过Si—OH与—OH之间的反响能够将TMOS固定正在纤维素上。同时，水解后的TOMS能够通过Si—OH的自正在缩合互相贯串，末了被固定正在滤纸纤维上，并被疏水性基团笼罩。Cai Longfei等开始将拥有特定图案的纸掩膜浸泡正在TMOS-庚烷的夹杂溶液中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；末了正在加热板上100 ℃加热35 min以产陌生水成果。这种硅烷化造成的ePADs能够屈膝有机溶剂和表貌活性剂的影响。

　　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，由此发作的绚丽性硅醇能与很多无机和有机基材中的羟基、羧基和含氧基团发作化学键合。Zea等用POTS对纸举办疏水治理。气相硅烷化纸的静态接触角高于150°，证明有机硅烷与纸纤维素表貌的羟基爆发反响，从而产陌生水性。此进程大略，无需预治理和后期治理，正在几分钟内就能够杀青。然而，这种硅烷化的举措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担保造备出所需的图案。

　　十八烷基三氯硅烷（OTS）举动一种时兴的有机硅烷衍生物，能够刷新纤维素纸的疏水性，降服纤维素纸的不够。Wang Hui等欺骗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机器强度和较短的行使寿命，并开辟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界限内的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。

　　除了行使分此表疏水质料造备亲疏水通道，还能够直接切割成型纸基作ePADs。常用的切割器械有CO 2 激光切割刀、打孔机、工艺刀等。正在这种状况下，纸被直接切割成所需的式样，并能够顿时行使。然则因为纸张质料缺乏机器刚性，因而正在大大批状况下会用胶布贴正在纸的反面起维持功用，使悉数配置的布局更坚硬。陈尧行使CO 2 切割配置正在纸上造备了蛇形的微流控通道用于人体脱水指引。切割成型的重要瑕疵是大范围坐蓐中须要特意的配置，正在资源有限的区域会受到束缚。

　　分手区的方针是将待测样品举办预治理，去除杂质以提升待测物检测的凿凿性。越发正在实质样品的检测中，所面临的样品基质日常相称繁杂，如不举办预治理，常难以知足检测需求。试验室常用的样品预治理本领往往操作繁琐且依赖高贵配置，不适合现场神速检测。纸的多孔布局以及纸纤维素上的羟基和羧基等活性基团为现场神速检测中样品的前治理供给了新思绪。基于此，酌量学者欺骗纸自己的上风，正在纸上创立了各类样品前治理的举措，凭据分手道理可将其分为纸过滤、纸色谱和纸电泳。

　　纸过滤是欺骗纸的多孔布局吸附拦截杂质。比方，Santhiago等欺骗滤纸举动滤膜，造备了拥有样品前治理成果的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，方针物对硝基苯酚则通过滤纸流入检测区，从而竣工了对硝基苯酚的机敏电化学检测。为了擢升纸过滤的效果，巨额酌量就业采用化学掩饰举措对纸纤维素举办改性，如螯合、吸附、离子互换和纸固定相内的亲疏水互相功用等。如图4A所示，Li Shuhuai等正在色谱纸上固定分子印迹群集物（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来到反响区，样品中的甲基对硫磷被MIPs吸附，未吸附的组分络续流过反响区。MIPs挑选性地吸附甲基对硫磷，同时使其他组分脱离反响区，明显提升了芯片的挑选性。该举措大略、便宜且便携性强。除此除表，如图4B所示，Shiroma等凭据对乙酰氨基酚（PA）和对氨基苯酚（4-AP）pKa的不同（PA为9.8，4-AP为5.3），挑选Whatman P81（一种高通量的强阳离子互换纸）构造分手装备，因为4-AP与纸上带有负电荷的官能团互相功用，导致其保存工夫较长，通过这种形式到达分手成果。这些弱酸/弱碱之间峰的区别率能够通过改动滚动相的pH值进一步优化。

　　纸色谱又称为纸层析，是基于明白物与固定相和滚动相之间互相功用的不同竣工明白物分手或富集。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，两种待分手物和夹杂物折柳和甲醇按肯定的体积比夹杂，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来到纸张的顶部，凭据两种明白物正在分手进程平分派系数的不同竣工分手。

　　纸电泳是正在纸的两头施加电压，带电明白物正在电场功用下爆发转移从而到达分手的方针。为了竣工分手和检测一体，能够将电泳集成到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联合，通过改动分手情况的密度和运动黏度从而提升分手效果和分手编造的巩固性，竣工了明白物的陆续分手。微流控自正在滚动电泳是一种用于繁杂夹杂物陆续和高通量分手的通用本领。正在微流控自正在滚动电泳中，明白物通过笔直施加的电场滚动以竣工陆续分手。与古代的大范围分手举措比拟，微流控自正在滚动电泳拥有样品损耗少、驱动压力低、分手电压低、散热疾等便宜。

　　电极的造备是ePADs造备中末了一个要紧步伐，将电化学传感器集成到微流控纸芯片上，即可竣工样品的定性和定量明白。正在大大批农药的检测中，ePADs上的电化学传感器日常由三电极编造构成，即就业电极、对电极和参比电极。如图5所示，常见的纸电极的造备举措有笔绘、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创造电极大略神速的本领，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，铅笔画图则不须要。Dossi等初度欺骗石墨铅笔正在纸上造备就业电极和对电极。为了低重电极之间的批间不同，须要先正在纸上用墨粉或铅笔画出轮廓，然后举办绘造。由于石墨是通过绘造直接变动到纸上的，于是不须要黏合剂，也不会像丝网印刷和模板印刷相同挥霍碳浆。然则手绘电极的厚度阻挠易掌管，电极的电导率容易受到影响。同样，一支含有格表配方的碳或银墨水的笔能够用来正在纸上绘造电极。Kare等比来报道了一种行使碳墨水改性钢笔手绘造备ePADs的神速举措，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大略，但手动绘造中施加的压力阻挠易掌管，很大水平地影响了电极质料正在纸上的重积，导致电綦重现性低，难以大范围坐蓐。比拟之下，Pagkali等通过盘算机掌管的XY画图仪和铅笔将电极重积正在纸上，此举要领加的压力容易掌管，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）对电极的机器和明白功能的影响。

　　丝网印刷和模板印刷道理一样，两者的区别是丝网印刷须要定造慎密的筛网，而模板印刷不须要。丝网印刷是最先报道的电极创造举措，也是目前最广博行使的举措。油墨正在刮板的压力功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，以变成所须要的导电图案。陈平酌量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功能的影响，并确定了最佳的工艺前提，通过测定分别批次电极的电阻对电极举办表征，确定丝网印刷电极的质控举措。为了避免丝网印刷进程中须要特意定造的筛网题目，模板印刷欺骗透后胶带或其他固体薄膜打算图案举动掩膜，油墨透过掩膜的启齿处施涂正在纸上造备电极。掩膜板能够通过手工或激光切割筑造。与丝网印刷雷同，模板印刷后的电极油墨须要加热固化。为了正在电极上得到明了的畛域，模板印刷所用的油墨日常比丝网印刷所用的油墨黏稠。

　　与上述两种印刷举措比拟，喷墨打印是一种更通用的正在纸上造备电极的举措。喷墨打印通过喷墨打印机将导电油墨主动打印到纸上，此举措能够行使多个墨盒同时打印多种质料，一次性印刷巨额图案，而且不须要预重积或模板。市情售卖的打印性能够被改造用来打印电极，然而还需加入更多的酌量才气得到优秀的成果。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，这种举措也有肯定的瑕疵，席卷喷嘴梗塞和打印机本钱高。为了防卫喷嘴窒息，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重，因而，正在造备电极进程中往往须要多层印刷以担保其导电性。

　　为了降服上述题目，另一种正在纸上创造碳电极的主动化本领是CO 2 激光刻划。CO 2 激光可用于泛泛纸板表貌的热解，以发作导电碳质料，用作电化学衡量的电极。Martins等欺骗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明白。激光刻划正在创造进程中不涉及化学品的行使，于是比其他举措更环保，而且所造备的电极拥有优秀的可反复性和电化学功能。

　　真空过滤是通过正在纸的一侧变成肯定水平的负压（真空）而使导电油墨重积正在纸上造备电极的举措。Yu Haixiang等欺骗便宜塑料模板举动根本过滤装备，开始将单壁碳纳米管正在真空前提下通过定造的模板过滤到滤纸基底上，以变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前提下重积到上述单壁碳纳米管图案纸上，变成金属膜。通过行使定造式样的模板，能够将分此表金属纳米颗粒重积到统一张纸上，变成分别质料、厚度和式样的电极。该进程大略、神速、经济，三电极编造的质料、式样、尺寸、厚度能够齐备定造，而且不须要耗时的重积进程或繁杂的仪器。

　　除了上述常用的造备举措表，尚有极少举措，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，而溅射本领须要一个特意的溅射室，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举措。电化学传感器根本都是由识别编造和转换编造两个别构成，其根本道理为方针物质与感受元件接触后传出感受信号，经历转换编造转换为电信号，再通过电化学就业站举办治理和信号放大，进而对方针物质举办定性或定量明白。采用ePADs检测农药的酌量有许多，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爆发氧化还原反响的官能团，日常席卷卤素（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，因而极易正在就业电极上爆发氧化还原反响，从而发作电化学呼应信号。个别酌量职员恰是欺骗这一特性对食物或情况中残留的农药分子举办直接、神速的电化学检测。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举措举办主动酌量，指望开辟出愈加机敏、简捷、检测限更低的检测举措。表2总结了基于电活性基团的ePADs检测举措。比方甲基对硫磷分子中含有—NO 2 ，因而能够用ePADs直接检测。

　　基于酶的电化学检测是通过衡量酶的抵造水平、传感器活性和检测下限从而确定所测样品中农药的浓度。该举措是无电活性农药电化学检测的常用政策之一。表3总结了基于酶抵造的ePADs检测农药残留状况。酶的固定是造备ePADs的要害步伐。比方Dabhade等将纸举动酶固定的平台，酌量了壳聚糖、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举措，挖掘壳聚糖的酶包封效果最高（约90%），且巩固性最好（约97%）。该酌量末了以壳聚糖为包埋剂，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联合，造备了一种ePADs。农药检测是通过计时电流法衡量无农药前提下初始酶活性和揭露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抵造百分比举办的。此传感器也许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折柳为30、10 μg/L和2 μg/L。这些结果证明，酶与ePADs联合的传感平台检测机敏度更高，也许正在农药检测范围阐发更大的功用。

　　基于免疫的电化学检测是指以抗体为识别元件的检测政策，拥有检测机敏度高的特性。农药举动幼分子化合物自己不拥有齐备免疫原性，须要和卵白质等大分子化合物联合以得到齐备免疫原性。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，须要人为合成相应的农药抗体，从而竣工对农药残留的高机敏检测。Ruan Xiaofan等欺骗3D打印本领打算了一种多重免疫传感器，用于同时检测两种广博行使的除草剂莠去津和乙草胺。通过定造侧流免疫明白，竣工了多途复用，然后与电化学明白仪集成，用于超机敏农药检测。

　　除了自然抗体表，人为抗体与ePADs联合的配置近年来也备受闭切。人为抗体是天然生物抗体-抗原体例相仿合成物，即MIPs。目前，基于MIPs的ePADs已广博利用于检测糖卵白、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拥有优秀的巩固性，能够历久蓄积，而且不须要格表的蓄积前提和温度界限。

　　除上述表，极少酌量中还行使细菌的细胞（如大肠杆菌）和线粒体举动农药检测的生物识别元素。已有酌量阐明，线粒体电子传达链包括电化学活性物质醌，醌能正在就业电极上爆发反响发作电化学信号。而对待大大批农药而言，线粒体是它们的重要或次要方针，因而线粒体生物传感器不只能够检测有机磷类（对硫磷）和氨基甲酸酯类农药，还能够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，因而它是检测多种农药的理思挑选。因为线粒体对分别毒素发作的电化学输出分别，故行使单个传感器可划分农药。

　　近年来，农药残留的现场疾检是食物安宁和情况监测范围亟需处理的题目。为了裁汰对试验室大型配置的依赖，ePADs正适应今世检测本领简捷化、多效用化的趋向迅猛发扬，并为农药残留的现场POCT供给简捷器械和安宁牢靠的本领平台。本文编造地总结了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联络。然而，ePADs的强大利用潜力与实际行使状况之间仍然存正在显明的反差。面对的寻事重要席卷：1）通用性，目前有机磷类农药和氨基甲酸酯类农药的检测多人基于酶抵造法，而有机氯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类等农药的酌量较少，因而酌量一种通用的检测举措对简化ePADs造备进程及行使便捷性至闭要紧；2）样品基质效应，样品的基质不妨会滋扰检测的信号，开辟更高效的纸上分手举措势正在必行；3）正在贸易化道途上仍存正在许多题目。试验室造备ePADs的进程中左右其质地相对容易，但贸易化坐蓐中质控相对较难。因而，将来仍须要做出更多的勉力将其利用于实质农药残留检测。

　　本文《纸基微流控电化学芯片检测农药残留的酌量转机》原因于《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闭连音讯。

　　为深切研商将来食物正在大食品观框架下的立异发扬机会与寻事，激动产学研用各界的交换合营，由北京食物科学酌量院、中国肉类食物归纳酌量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、成都医学院检讨医学院、四川省农业科学院农产物加工酌量所、中国农业科学院都邑农业酌量所、四川大学农产物加工酌量院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食物工程学院、大连民族大学人命科学学院、北京拉拢大学保健食物效用检测核心配合主办的“第二届大食品观·将来食物科技立异国际研讨会”即将于2025年5月24-25日正在中国 四川 成都召开。