一、产品简介:
农药正在环球农业出产中是一把双刃剑,正在大幅抬高产量的同时,也带来残留题目,对生态体例和人类矫健形成首要胁造。跟着糊口程度的抬高及毒理学磋议的日益完美,农药残留限量轨范尤其厉刻和精确,我国10 年内实行了5 次修订,限量数量从2 293 项添加至10 092 项,导致农残检测的样品量骤增,办事量加大,所以设备急迅、简略、便捷的检测办法至闭紧张。
为了高效修筑农药残留急迅检测新办法,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*等从以下两个局限实行综述:第1局限从ePADs造备工艺开拔,探究纸的选拔、亲疏水通道的设备、区别区及检测区电极的造备办法,精确总结了ePADs每一闭键的要害驾御点;第2局限基于农药的电化学检测道理(直接检测、酶欺压、免疫法),设备农药检测与芯片造备之间的相闭。终末实行预计,以期为ePADs检测农药残留的后续磋议供应参考。


ePADs以纸为基底,通过毛细管力应用流体滚动。ePADs有多种造备办法,平淡席卷4 个闭键(图2):最初选拔相宜的纸,其次正在纸上造备亲疏水通道以驾御流体的滚动,然后创筑区别区,终末造备电极以实行判辨物的电化学检测。凭据所造备筑筑的庞大性,亲疏水通道的设备和电极的造备两个程序可能更动。

跟着人们对即时检测(POCT)、经济效益和环保方面的需求巩固,以纸为基底的检测体例正获得日益平常的闭怀和使用。纸的毛细管力使其正在无需表力驱动的环境下即可辅导液体滚动,同时纸又拥有必定的孔隙度,不光可能积聚试剂,并且能汇集实质样品、预先浓缩判辨物等。这些精良的特质使其成为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偏护境遇。假使纸正在ePADs的磋议中已受到平常闭怀,但纸品种繁多,添加了选拔纸张类型的贫寒度。所以,总结常用纸的特色及文件中已有的用处至闭紧张。


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闭及合用性。凭据吸附性,可能将通盘的纸分为高吸附型和低吸附型。高吸附型纸(如Whatman 1号滤纸)的好处是可能将局限试剂装载正在纸张的纤维素机闭中,使样品量需求量淘汰(5~10 μL);低吸附型纸(如办公纸)的首要好处是造备的电极可能直接揭露正在溶液中,检测乖巧度更高,但试剂不易装载正在纸中。将差异类型纸的联用是抬高ePADs功用特质的一种常用办法,比方Arduini等开荒了一种用于检测差异类型农药的三维折纸多重ePADs,此筑筑由办公纸和滤纸构成,办公纸用来印刷电极,滤纸用来积聚试剂,大大抬高了便携性和乖巧性。
亲疏水通道的功用是驾御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式样子的疏水屏蔽,杀青流体正在纸上的定向滚动。凭据亲疏水通道造备历程中所用的疏水资料与纸张的连合形态,可将其分为物理改性、化学改性和切割成型(图3)。

物理改性席卷物理填充纸的孔隙或正在纤维表观浸积憎水化合物,这两种体例中憎水化合物与纤维素纤维之间不爆发化学反映。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,是一种相宜的造备亲疏水通道的候选资料。基于蜡的浸积是一种简略和低本钱的办法,可能浸积拥有可反复性的疏水图案屏蔽。正在这种办法中,先浸积蜡膜的表观图案,然后加热使蜡熔解,从而浸渍下面的纤维素基材,造成三维疏水机闭。然而,蜡正在热管束历程中弗成避免地会扩散,使规定的亲水通道缩幼,并也许导致图案的变形。所以,驾御加热温度和加热岁月对造备高别离率的通道至闭紧张,而温度和加热岁月的驾御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)是一种低价易得的疏水性会合物。Sameenoi等将PS熔化正在甲苯中,采用丝网印刷的办法造备疏水区域,PS和甲苯的混杂溶液通过筛网浸透纸张,正在甲苯蒸发后,疏水屏蔽依然存正在。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其易于成立、透后、电导率和弹性低而成为微流控芯片磋议中最受接待的会合物。Dornelas等应用带有定造图案的橡胶印章将PDMS和正己烷的混杂溶液轻轻压正在色谱纸表观,30 s后混杂物穿透色谱纸,将带有图案的色谱纸置于70 ℃条目下固化30 min造成疏水屏蔽,别离率约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。所以,法则上行使PDMS造备ePADs是实行各式须要非水介质判辨尝试的首选。
光刻胶正在光照或加热条目下极易爆发交联反映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造成屏蔽。透后膜上未被墨水偏护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,终末洗涤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,并磋议了打印层数对静态接触角值的影响,磋议结果评释,当印刷层数为6时,疏水功效最好。
化学改性是通过极少能与纤维素上的羟基(—OH)反映的试剂,向纤维素分子链上引入疏水基团,从而造成亲疏水通道的办法。这意味着它与纸张的连合比仅寄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,它仍允诺拥有相容表观能的液体不断通过,仅劝止那些表观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调动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体式出售。AKD乳液的保质期平淡正在几周全3 个月之间。AKD极易水解,AKD可能和水分子爆发反映爆发β-酮酸,其又会自觉脱羧造成酮。这个从容的历程会导致AKD不行再与纤维素共价连合。所以,正在AKD用量较低的环境下,倡议现配现用。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爆发会合反映造成疏水屏蔽。打印的区域疏水,未打印的区域仍连结亲水。尝试中优化了AKD的配方和管束条目等身分,胜利造备了界限明了、传输速率疾、本钱低、功用高的纸基微流体芯片。而且此磋议评释,应用AKD改性的本钱很低,每平方米缺乏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反映,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之间的反映可能将TMOS固定正在纤维素上。同时,水解后的TOMS可能通过Si—OH的自正在缩合彼此相连,终末被固定正在滤纸纤维上,并被疏水性基团笼罩。Cai Longfei等最初将拥有特定图案的纸掩膜浸泡正在TMOS-庚烷的混杂溶液中30 s,取出风干置于玻璃载玻片上;然后依序将空缺滤纸和另一块载玻片放上去;终末正在加热板上100 ℃加热35 min以产陌生水功效。这种硅烷化造成的ePADs可能屈从有机溶剂和表观活性剂的影响。
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,由此爆发的绚烂性硅醇能与很多无机和有机基材中的羟基、羧基和含氧基团爆发化学键合。Zea等用POTS对纸实行疏水管束。气相硅烷化纸的静态接触角高于150°,注释有机硅烷与纸纤维素表观的羟基爆发反映,从而产陌生水性。此历程简略,无需预管束和后期管束,正在几分钟内就可能告竣。然而,这种硅烷化的办法会使整张纸变得疏水,为造备思要的图案,常应用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)行为一种时髦的有机硅烷衍生物,可能改正纤维素纸的疏水性,驯服纤维素纸的缺乏。Wang Hui等行使OTS造备了超疏水纤维素纸,抬高了微流控场效应生物传感器的机器强度和较短的应用寿命,并开荒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规模内的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。
除了应用差异的疏水资料造备亲疏水通道,还可能直接切割成型纸基作ePADs。常用的切割东西有CO 2 激光切割刀、打孔机、工艺刀等。正在这种环境下,纸被直接切割成所需的样子,并可能立时应用。不过因为纸张资料缺乏机器刚性,所以正在大无数环境下会用胶布贴正在纸的后面起支柱影响,使全面筑筑的机闭更坚硬。陈尧应用CO 2 切割筑筑正在纸上造备了蛇形的微流控通道用于人体脱水指引。切割成型的首要缺欠是大界限出产中须要特意的筑筑,正在资源有限的地域会受到节造。
区别区的方针是将待测样品实行预管束,去除杂质以抬高待测物检测的切确性。加倍正在实质样品的检测中,所面临的样品基质平淡特别庞大,如不实行预管束,常难以知足检测需求。尝试室常用的样品预管束技艺往往操作繁琐且依赖腾贵筑筑,不适合现场急迅检测。纸的多孔机闭以及纸纤维素上的羟基和羧基等活性基团为现场急迅检测中样品的前管束供应了新思绪。基于此,磋议学者行使纸本身的上风,正在纸上设备了各式样品前管束的办法,凭据区别道理可将其分为纸过滤、纸色谱和纸电泳。


纸过滤是行使纸的多孔机闭吸附拦截杂质。比方,Santhiago等行使滤纸行为滤膜,造备了拥有样品前管束功效的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,倾向物对硝基苯酚则通过滤纸流入检测区,从而杀青了对硝基苯酚的乖巧电化学检测。为了擢升纸过滤的功用,巨额磋议办事采用化学藻饰办法对纸纤维素实行改性,如螯合、吸附、离子交流和纸固定相内的亲疏水彼此影响等。如图4A所示,Li Shuhuai等正在色谱纸上固定分子印迹会合物(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映区,样品中的甲基对硫磷被MIPs吸附,未吸附的组分不断流过反映区。MIPs选拔性地吸附甲基对硫磷,同时使其他组分脱节反映区,明显抬高了芯片的选拔性。该办法简略、低价且便携性强。除此以表,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),选拔Whatman P81(一种高通量的强阳离子交流纸)构造区别装配,因为4-AP与纸上带有负电荷的官能团彼此影响,导致其保存岁月较长,通过这种体例到达区别功效。这些弱酸/弱碱之间峰的别离率可能通过更正滚动相的pH值进一步优化。
纸色谱又称为纸层析,是基于判辨物与固定相和滚动相之间彼此影响的不同杀青判辨物区别或富集。如图4C所示,Primpray等应用乙酸乙酯和环己烷作滚动相,将Whatman SG81纸切成矩形,两种待区别物和混杂物分裂和甲醇按必定的体积比混杂,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,凭据两种判辨物正在区别历程平分拨系数的不同杀青区别。
纸电泳是正在纸的两头施加电压,带电判辨物正在电场影响下爆发转移从而到达区另表方针。为了杀青区别和检测一体,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合,通过更正区别境遇的密度和运动黏度从而抬高区别功用和区别体例的安靖性,杀青了判辨物的连接区别。微流控自正在滚动电泳是一种用于庞大混杂物连接和高通量区另表通用技艺。正在微流控自正在滚动电泳中,判辨物通过笔直施加的电场滚动以杀青连接区别。与古代的大界限区别办法比拟,微流控自正在滚动电泳拥有样品破费少、驱动压力低、区别电压低、散热疾等好处。
电极的造备是ePADs造备中终末一个紧张程序,将电化学传感器集成到微流控纸芯片上,即可杀青样品的定性和定量判辨。正在大无数农药的检测中,ePADs上的电化学传感器平淡由三电极体例构成,即办事电极、对电极和参比电极。如图5所示,常见的纸电极的造备办法有笔绘、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成立电极简略急迅的技艺,常应用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等初度行使石墨铅笔正在纸上造备办事电极和对电极。为了消浸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,然后实行绘造。由于石墨是通过绘造直接移动到纸上的,以是不须要黏合剂,也不会像丝网印刷和模板印刷一律糟塌碳浆。不过手绘电极的厚度禁止易驾御,电极的电导率容易受到影响。同样,一支含有特别配方的碳或银墨水的笔可能用来正在纸上绘造电极。Kare等迩来报道了一种应用碳墨水改性钢笔手绘造备ePADs的急迅办法,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简略,但手动绘造中施加的压力禁止易驾御,很大水准地影响了电极资料正在纸上的浸积,导致电綦重现性低,难以大界限出产。比拟之下,Pagkali等通过揣测机驾御的XY画图仪和铅笔将电极浸积正在纸上,此办法施加的压力容易驾御,随后评估了造备参数(纸张类型、暗记笔类型、铅笔类型、画图速率、遍数、单面和双面画图)对电极的机器和判辨职能的影响。
丝网印刷和模板印刷道理好像,两者的区别是丝网印刷须要定造严密的筛网,而模板印刷不须要。丝网印刷是最先报道的电极成立办法,也是目前最平常应用的办法。油墨正在刮板的压力影响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,以造成所须要的导电图案。陈平磋议了丝网印刷工艺中网版的造备、碳浆印刷等工艺历程对丝网印刷电极职能的影响,并确定了最佳的工艺条目,通过测定差异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办法。为了避免丝网印刷历程中须要特意定造的筛网题目,模板印刷行使透后胶带或其他固体薄膜计划图案行为掩膜,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。与丝网印刷似乎,模板印刷后的电极油墨须要加热固化。为了正在电极上得回明了的界限,模板印刷所用的油墨平淡比丝网印刷所用的油墨黏稠。
与上述两种印刷办法比拟,喷墨打印是一种更通用的正在纸上造备电极的办法。喷墨打印通过喷墨打印机将导电油墨自愿打印到纸上,此办法可能应用多个墨盒同时打印多种资料,一次性印刷巨额图案,而且不须要预浸积或模板。市道售卖的打印机可能被改造用来打印电极,可是还需加入更多的磋议才具得回精良的功效。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,这种办法也有必定的缺欠,席卷喷嘴断绝和打印机本钱高。为了造止喷嘴滞碍,喷墨打印所需的油墨务必拥有较低的黏度,但这又会导致电极的导电性消浸,所以,正在造备电极历程中往往须要多层印刷以担保其导电性。
为了驯服上述题目,另一种正在纸上成立碳电极的自愿化技艺是CO 2 激光刻划。CO 2 激光可用于通俗纸板表观的热解,以爆发导电碳资料,用作电化学衡量的电极。Martins等行使CO 2 激光热解造备ePADs,胜利用于贸易饮料中亚硫酸盐的方波伏安判辨。激光刻划正在成立历程中不涉及化学品的应用,以是比其他办法更环保,而且所造备的电极拥有精良的可反复性和电化学职能。
真空过滤是通过正在纸的一侧形成必定水准的负压(真空)而使导电油墨浸积正在纸上造备电极的办法。Yu Haixiang等行使低价塑料模板行为基础过滤装配,最初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浸积到上述单壁碳纳米管图案纸上,造成金属膜。通过应用定造样子的模板,可能将差异的金属纳米颗粒浸积到统一张纸上,造成差异资料、厚度和样子的电极。该历程简略、急迅、经济,三电极体例的资料、样子、尺寸、厚度可能所有定造,而且不须要耗时的浸积历程或庞大的仪器。
除了上述常用的造备办法表,再有极少办法,如微细线植入、溅射、滴涂、滴铸等。个中微线植入是将金属电极黏接到纸基微流控芯片上,而溅射技艺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应了一种有远景的办法。电化学传感器基础都是由识别体例和转换体例两局限构成,其基础道理为倾向物质与感想元件接触后传出感想信号,过程转换体例转换为电信号,再通过电化学办事站实行管束和信号放大,进而对倾向物质实行定性或定量判辨。采用ePADs检测农药的磋议有许多,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映的官能团,平淡席卷卤素(X)、硝基(—NO 2 )、氨基(—NH 2 )、—OH等。因为局限农药分子或其降解产品中含有这些基团,所以极易正在办事电极上爆发氧化还原反映,从而爆发电化学相应信号。局限磋议职员恰是行使这一特色对食物或境遇中残留的农药分子实行直接、急迅的电化学检测。本课题组目前也正对本身或其水解产品中含有电活性基团的农药直接检测办法实行主动磋议,愿望开荒出越发乖巧、简明、检测限更低的检测办法。表2总结了基于电活性基团的ePADs检测办法。比方甲基对硫磷分子中含有—NO 2 ,所以可能用ePADs直接检测。
基于酶的电化学检测是通过衡量酶的欺压水准、传感器活性和检测下限从而确定所测样品中农药的浓度。该办法是无电活性农药电化学检测的常用战略之一。表3总结了基于酶欺压的ePADs检测农药残留环境。酶的固定是造备ePADs的要害程序。比方Dabhade等将纸行为酶固定的平台,磋议了壳聚糖、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办法,发明壳聚糖的酶包封功用最高(约90%),且安靖性最好(约97%)。该磋议终末以壳聚糖为包埋剂,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合,造备了一种ePADs。农药检测是通过计时电流法衡量无农药条目下初始酶活性和揭露于农药溶液后的残剩酶活性,并评估与喷雾农药量呈正比的欺压百分比实行的。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分裂为30、10 μg/L和2 μg/L。这些结果注释,酶与ePADs连合的传感平台检测乖巧度更高,也许正在农药检测周围阐发更大的影响。
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,拥有检测乖巧度高的特色。农药行为幼分子化合物本身不拥有所有免疫原性,须要和卵白质等大分子化合物连合以得回所有免疫原性。基于抗原或抗体的专注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,从而杀青对农药残留的高乖巧检测。Ruan Xiaofan等行使3D打印技艺计划了一种多重免疫传感器,用于同时检测两种平常应用的除草剂莠去津和乙草胺。通过定造侧流免疫判辨,杀青了多道复用,然后与电化学判辨仪集成,用于超乖巧农药检测。
除了自然抗体表,人为抗体与ePADs连合的筑筑近年来也备受闭怀。人为抗体是天然生物抗体-抗原系统相仿合成物,即MIPs。目前,基于MIPs的ePADs已平常使用于检测糖卵白、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拥有精良的安靖性,可能永久积聚,而且不须要特另表积聚条目和温度规模。
除上述表,极少磋议中还应用细菌的细胞(如大肠杆菌)和线粒体行为农药检测的生物识别元素。已有磋议评释,线粒体电子转达链包罗电化学活性物质醌,醌能正在办事电极上爆发反映爆发电化学信号。而看待大无数农药而言,线粒体是它们的首要或次要倾向,所以线粒体生物传感器不光可能检测有机磷类(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差异,所以它是检测多种农药的理思选拔。因为线粒体对差异毒素爆发的电化学输出差异,故应用单个传感器可分别农药。
近年来,农药残留的现场疾检是食物安闲和境遇监测周围亟需处分的题目。为了淘汰对尝试室大型筑筑的依赖,ePADs正适合摩登检测技艺简捷化、多功用化的趋向迅猛进展,并为农药残留的现场POCT供应简明东西和安闲牢靠的技艺平台。本体裁例地总结了ePADs的造备历程以及针对农药的差异检测道理与芯片造备之间的相闭。然而,ePADs的壮大使用潜力与实际应用环境之间照旧存正在明确的反差。面对的挑衅首要席卷:1)通用性,目前有机磷类农药和氨基甲酸酯类农药的检测公共基于酶欺压法,而有机氯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类等农药的磋议较少,所以磋议一种通用的检测办法对简化ePADs造备历程及应用便捷性至闭紧张;2)样品基质效应,样品的基质也许会滋扰检测的信号,开荒更高效的纸上区别办法势正在必行;3)正在贸易化道道上仍存正在许多题目。尝试室造备ePADs的历程中独揽其质料相对容易,但贸易化出产中质控相对较难。所以,另日仍须要做出更多的致力将其使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磋议发达》开头于《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著作闭连消息。

为深远研商另日食物正在大食品观框架下的改进进展机缘与挑衅,煽动产学研用各界的交换协作,由北京食物科学磋议院、中国肉类食物归纳磋议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磋议所、中国农业科学院都邑农业磋议所、四川大学农产物加工磋议院、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、北京说合大学保健食物功用检测核心配合主办的“第二届大食品观·另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。