摘要：近年來，微流控紙芯片由于低成本、便攜化、檢測快等優點，在需要快速檢測的環境分析領域中展現出了巨大的應用前景。該綜述從微流控紙芯片在環境分析中的應用角度，總結歸納了微流控紙芯片在環境分析中 的最新研究進展，并展望了其在未來的發展趨勢與挑戰。該綜述包括微流控紙芯片在環境檢測中的優勢與制 造方 法介紹；電化學法、熒光法、比色法、表面增強拉曼法、集成傳感法等基于紙芯片的先進分析方法介紹；根據環境分析目標物種類，如重金屬離子、營養鹽、農藥、微生物、抗生素以及其他污染物等，對紙芯片的最新應用現狀進行了舉例評述；基于微流控紙芯片的環境分析研究的未來發展趨勢和前景展望。通過綜述近期相關研究，表明微流控紙芯片從提出至今雖然只有十幾年的發展歷程，但其在環境分析研究中的發展卻十分迅速。微流控紙芯片可以根據不同的環境條件和檢測要求靈活選擇制作與分析方法，實現最佳的檢測效果。但是微流控紙芯片也面臨一些挑戰，如紙張機械強度不足、流體控制程度不佳等問題。這些問題指出了微流控紙芯片在環境檢測領域的發展趨勢，相信隨著不斷深入的研究，紙芯片 將會在未來的環境分析中發揮更大作用。

1990年，由Ｍanz等第一次提出微型全分析系統這一名詞后，微型分析平臺的相關研究迅速發展。在這其中，微流控技術，又被稱為芯片實驗室、微流控芯片等，也在迅速崛起。它是對微觀尺度流體能進行精準操作和控制的一類技術，其在微米尺度的芯片上，實現了分析處理全過程的高效化、微型化、集成化和便捷化操作 。微流控技術依靠運輸便利性、樣品及試劑量小、快速分析、能夠進行平行處理等獨特優勢，在醫療領域、生物工程、環境監測等許多領域展現出了巨大的發展潛力。

微流控紙芯片或微流控紙分析裝置是基于紙張加工微流體通道的微流控分析設備，同時也是微流控技術研究的前沿領域。微流控紙芯片與傳統微流控芯片相比，具有獨特優點：（ １） 紙張作為原材料，來源十分廣泛。生產微流控芯片傳統的制作材料石英、玻璃、硅片和有機聚合物等與紙相比，價格更高，其來源也不如紙張廣泛。（２）運輸方便，便攜性高，可進行實時操作。紙張厚度小，可折疊以方便保存和攜帶 。（３）無需外加動力源。流體可以通過紙張纖維素的毛細作用流動 ，通過疏水化處理形成一定結構的通道可使流體有序流動。（４）生物兼容性優越。紙張的纖維素可被功能化，其親水性、吸水性等可被改變 。（５）環境友好度高。紙芯片在使用后可通過點燃等簡單方法進行處理，幾乎不會對環境造成負擔。

微流控紙芯片與環境監測

１．微流控紙芯片在環境檢測分析中的意義

現代社會迅速發展帶來的環境問題越來越多，對人們的身體健康和生活方式都造成了負面影響。工廠的違規排放、農藥的濫用等對河流、湖泊、海洋等水體造成了嚴重污染。同樣地，土壤環境與空氣質量也在受到破壞，全球的生態平衡與生態安全在遭受著嚴重威脅。因此尋找一種低成本、易操作并且能夠即時檢測的方法進行環境檢測顯得尤為重要。紙芯片除了能夠很好地執行常規環境監測外，還有其他獨特優勢：制作成本低，可以大量生產，增加監測的頻率，使監測結果更加準確；高便攜性和運輸的便利性能夠使監測的范圍進 一步擴大，使環境監測覆蓋的范圍更加廣泛；其易上手和易操作可以讓更多的人參與到環境監測中，同時也拓寬了監測結果的受眾范圍；即時檢測能夠為突發環境事件提供及時準確的反饋，能夠使解決方法更加有針對性。因此，紙芯片在環境領域具有重要作用，是對環境進行監測分析的一類強大工具 。

１．２紙芯片的制作方法

制作紙芯片，首先要選對紙張。能夠制造紙芯片的紙張要有一定機械承受力，在液體中不會輕易變形；還要有良好的親水或疏水性，以形成測試區域；另外化學性質要穩定，不與試樣發生反應 。目前微流控紙芯片制作的基底材料通常選擇吸水性能優異、不易變形且廉價易得的濾紙，其中表面光滑平整、性質均一、流體流速適中且顆粒留存度高的Whatman No.1濾紙是最常用的一 種濾紙。此外，需要根據不同的檢測要求選擇不同類型的紙張。

紙芯片制作的關鍵環節是通過構建親疏水網絡從而控制液體流動來制成二維（２Ｄ）紙芯片，還可通過疊加黏合或折紙法制成三維（ ３Ｄ）紙芯片 。依據構建親疏水通道方法的不同可分為如下幾類：通過疏水材料如石蠟、光刻膠、聚氨酯丙烯酸酯等在紙上構成疏水通道；使用聚合物如聚二甲硅氧烷（PDMS） 、聚苯乙烯或聚亞胺酯對紙上孔洞進行堵塞形成物理屏障；通過物理切割直接形成通道。這些方法都有各自的優缺點，制作出的紙芯片也具有不同的特點，因此可以根據對芯片的不同需要選擇不同的加工方法進行制作。

１．1 常見制作方法

蠟印法：蠟是用于制作μPADs最常見的材料，其成本低、易獲得，化學性質相對不活潑。蠟印法只需將蠟塊加熱，使蠟融化滲入紙張，通過噴蠟打印機進行打印即可完成，而且通過印刷不同厚度或數量的蠟就能在紙上構造出半封閉和全封閉以及不同尺寸的通道。石蠟打印法是目前最常用的制作方法，可大批量生產對圖案分辨率要求不高的紙芯片。

光刻法：光刻法是最早被用來創建疏水屏障的一類方法。光刻膠能夠使液體在紙上運動不泄漏，還能形成高分辨率圖案，但光刻膠的低柔韌性導致制成的紙芯片易碎 。常用的負光膠 ＳＵ?８，可以有效抵擋表面活性劑溶液和有機溶劑，但價格貴且工藝復雜。近期本實驗室就采用聚氨酯丙烯酸酯（PUA）這種光敏材料來制造低成本且環境友好的紙芯片，還有利用紫外光降解自組裝硅烷化單分子層以得到具有清晰圖案且性質穩定的紙芯片。

切割法：切割技術是通過創建物理邊界來構成通道或圖案，使制造過程更簡單，有工藝刀切割和激光切割兩種方法。工藝刀切割是在電腦控制下進行制作，依據切割力度和角度的不同進行制作，可在底部加裝保護層以避免紙張被刀割破；激光切割無需外加保護層但需要專門的激光切割儀器進行操作，與工藝刀相比操作難度增加，成本提高。Crooks等用激光將設計好的通道切除，形成的中間鏤空的夾心型紙芯片會讓流體流動速度得到大幅度提升。

等離子體法：等離子體技術是利用等離子體發射設備以還原紙張的局部親水性，因此經常出現在紙芯片親水區域的制造環節中。近期，Kao等制造了一種電池供電的便攜式微等離子體產生裝置，可在一般條件下對疏水區進行化學改性，成為親水區，擺脫了大型等離子儀器的桎梏，使等離子體裝置的便攜應用成為可能。

刻蝕法主要有激光刻蝕法、噴墨劑刻蝕法兩種。激光刻蝕法利用激光對具有疏水層的紙張進行選擇性改變，使其由疏水變為親水。與激光刻蝕法原理類似，噴墨劑刻蝕法利用的是噴墨劑對疏水紙張進行改性，針對不同物質形成的疏水層可以采用不同的噴墨劑進行刻蝕以形成親水通道。

一些紙芯片的制造方法示例見圖 １。

2.1其他方法　 　

手工繪圖簡單方便，使用蠟筆等就可完成無需借助儀器，適合于制造圖案簡單、對分辨率要求不高且不接觸有機溶劑的紙芯片。可以將印刷行業中常見的絲網印刷運用于紙芯片的制造，操作簡單，適合于大批量生產分辨率不高的紙芯片；融蠟浸透法既無需借助儀器也不需要化學試劑，但制作出的紙芯片精度較低；柔印法也是一種能快速生產大量紙芯片的方法，但由于要配備專用的柔性版印刷機和該打印機專用的單個印版，其設計靈活性受到了限制。

三維立體紙芯片：隨著研究的深入和發展，除了傳統的2D橫向流紙芯片，能夠實現縱橫方向上均有通道、可使液體相互交叉不污染的3D紙芯片是一類應用前景廣闊、發展潛力巨大的新型紙芯片，其出色的流體分配能力極大地拓展了分析能力，可以實現多目標的同時測定，分析效率得到大幅度提升。3D紙芯片的制作技術有用膠帶或噴涂將單獨的圖案紙層黏合在一起的黏合法，以及將單層的圖案紙簡單折疊的折紙法 。

環境檢測分析中微流控紙芯片的分析方法

環境檢測分析中紙芯片的分析方法主要包括電化學法、發光法、比色法以及新興的表面增強拉曼法(SERS)和集成移動感測平臺法等。

1.電化學法　　

電化學法中的電極通常包括工作電極、對電極和參比電極3部分，具有高靈敏度和高選擇性，其與紙芯片的兼容性極其優異。在紙芯片上制造電極的方法目前有使用石墨鉛筆直接繪制電極或用導電的碳或金屬墨水絲網印刷或噴墨印刷電極，也有研究采用掩模引導噴涂電極。具有高導電率、高透明度、高機械強度以及巨大比表面積的石墨烯電極是電極材料的首選，通過涂抹氧化鋅納米顆粒 、鉑納米顆粒等納米級別的貴金屬顆粒，可提高它和生物分子（DNA、蛋白質）的偶聯能力，實現對生物分子更高水平的檢測。電化學紙芯片可以通過折紙法形成3D結構，為環境監測提供更好的分析平臺，近期還有研究將紙芯片與陶瓷或塑料電極組件進行結合，以提高使用次數和延長使用壽命。

2光學分析法

2.1 發光法

發光法有熒光法、化學發光法、電化學發光法3種。熒光法選擇性和靈敏度高，檢出限低，但其需要借助儀器，也易受到紙張自身熒光劑的干擾；化學發光法和電化學發光法與熒光法相比更加靈敏，無需激發源，所以背景光的信號更低，誤差更小。但化學發光法只能通過試劑和待測物的物理混合來控制反應，而電化學發光法則可以通過控制在芯片上的激發時間和位置來實現更好的分析選擇性 。

熒光法需要借助熒光儀進行分析，通常是檢測待測樣品表面結合的熒光團或紙上量子點的熒光猝滅。據本課題組的現有研究表明，水中重金屬可通過熒光法在紙芯片上進行檢測，現象明顯，檢測靈敏度高，測試效果良好。除重金屬離子之外，也有研究團隊開發出了其他污染物包括有毒化合物 、農藥、ＤＮＡ等的基于熒光法的紙芯片。

化學發光法的基本原理是通過化學反應在某個時刻的發射光強來分析某一組分的濃度。化學發光法所用的試劑大都價格低廉，但化學發光法的靈敏度很高，因此非常適合進行低成本的高靈敏度測定。通過構建3Ｄ結構還可實現對多種樣品進行平行檢測。

電化學發光法是由Delaney 等提出的一種將電化學技術與化學發光法相結合的新型方法，通過控制電位可以提高選擇性，檢測的動態濃度范圍也有所擴大，并且兼容適用于化學發光法的所有試劑，是最受歡迎的分析方法之一。

上述研究結果表明，基于發光法的紙芯片在自身優勢的基礎上，還可以與其他多種技術結合，不僅能夠實現檢測物種類上更大范圍的檢測，還在精度和靈敏度上也將會有相當程度的提高。而且發光法的現象明顯，能夠在結果的表達上進行簡化，使檢測過程更加簡單。

2.2比色法　 　

比色法包括視覺、光度和反射檢測3種方法 ，通過顯色反應，可以直接用肉眼觀察顏色變化，進行半定量分析，還可以采用相機拍照、掃描成像獲得圖片后利用圖像軟件進行定量分析，現在更傾向將其和智能設備集成，分析過程得到簡化，分析效率提高。比色法與其他方法如電化學法等相比，雖然檢測結果會受到環境光線的影響，抗干擾性能有所不足，但是現象明顯，有時無需借助專門的儀器通過肉眼就能進行初步分析，而且分析方法也相對簡單，且易操作。隨著智能設備如智能手機的不斷發展，這些成像設備的發展已能夠在一定程度上消除光線條件對成像的影響。因此，比色法是一類十分受歡迎且使用范圍最廣泛的紙芯片分析方法。

環境分析檢測中最為典型的有關比色法的應用是對水中的硝酸鹽、亞硝酸鹽和重金屬離子進行檢測。基于比色法的紙芯片檢測水中重金屬離子是一種簡單實用的強大工具，能夠對鐵、汞、銅、鉻、鉛等多種金屬離子進行分析，操作簡單方便，成本低廉，現象明顯，且靈敏度高。

2.3 表面增強拉曼法

表面增強拉曼是一類分子振動光譜，增強分子的拉曼光譜信號，能夠提高檢測水平，從而實現更低的檢出限。SERS能夠進行極低濃度水平上的生化檢測，是生物醫學和化學分析領域中的重要方法。基于SERS的紙芯片已廣泛應用于水質分析等領域，本課題組目前也正對基于SERS的紙芯片進行積極研究，希望開發出更加靈敏、檢出限更低的檢測方法。

2.4集成移動感測平臺　　

隨著現代科技的發展，將智能手機與紙芯片結合，構成新的集成移動感測平臺，在更高水平上更好地發揮作用，成為一項備受關注的研究課題。將紙芯片與智能手機集成，可對空氣顆粒物、食品中的諾氟沙星 、水中的重金屬和農藥進行檢測分析，而且核酸等生物分子以及細菌、病毒等也能采用這種集成平臺進行分析，簡化了檢測過程，降低了生產與檢測成本。本課題組設計出一種依據光反射原理進行定量比色測定的便攜式紙芯片設備，其體積小、重量輕，操作方便，并且自帶讀數功能，可以進行即時分析，是一類簡單 高效的 檢測分析 工具。Chen等設計出的雙極電極電化學發光紙芯片，具有電池能量供應和智能手機讀數功能。這些設計說明，智能手機與紙芯片結合的集成移動感測平臺仍有許多方向值得深入研究，能夠在環境監測領域中發揮更大的作用。

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