一、产品简介:
农药正在环球农业坐蓐中是一把双刃剑,正在大幅进步产量的同时,也带来残留题目,对生态编造和人类壮健变成重要恐吓。跟着糊口水准的进步及毒理学探求的日益完整,农药残留限量准绳更加苛苛和具体,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,做事量加大,所以设备敏捷、粗略、便捷的检测手法至闭紧张。
为了高效修建农药残留敏捷检测新手法,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*等从以下两个片面实行综述:第1片面从ePADs造备工艺开拔,探究纸的采用、亲疏水通道的设备、别离区及检测区电极的造备手法,具体总结了ePADs每一枢纽的症结把持点;第2片面基于农药的电化学检测道理(直接检测、酶克造、免疫法),设备农药检测与芯片造备之间的相干。结尾实行预计,以期为ePADs检测农药残留的后续探求供应参考。


ePADs以纸为基底,通过毛细管力把持流体活动。ePADs有多种造备手法,平时搜罗4 个枢纽(图2):起首采用适当的纸,其次正在纸上造备亲疏水通道以把持流体的活动,然后创筑别离区,结尾造备电极以实行剖释物的电化学检测。按照所造备装备的繁杂性,亲疏水通道的设备和电极的造备两个步调可能交换。

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获得日益通常的闭怀和行使。纸的毛细管力使其正在无需表力驱动的情状下即可诱导液体活动,同时纸又拥有肯定的孔隙度,不只能能积蓄试剂,并且能搜集本质样品、预先浓缩剖释物等。这些优良的性子使其成为POCT的理思平台。别的,纸可能通过微生物实行生物降解或点火以爱戴情况。即使纸正在ePADs的探求中已受到通常闭怀,但纸品种繁多,添加了采用纸张类型的贫困度。所以,总结常用纸的特征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构造及实用性。按照吸附性,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)的所长是可能将片口试剂装载正在纸张的纤维素构造中,使样品量需求量裁汰(5~10 μL);低吸附型纸(如办公纸)的苛重所长是造备的电极可能直接揭穿正在溶液中,检测敏锐度更高,但试剂不易装载正在纸中。将差异类型纸的联用是进步ePADs效力性子的一种常用手法,比如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,此装备由办公纸和滤纸构成,办公纸用来印刷电极,滤纸用来积蓄试剂,大猛进步了便携性和敏锐性。
亲疏水通道的效力是把持流体正在纸上的活动偏向。选定纸的类型后,通过正在纸上策画各式体式的疏水屏蔽,竣工流体正在纸上的定向活动。按照亲疏水通道造备经过中所用的疏水原料与纸张的联结状况,可将其分为物理改性、化学改性和切割成型(图3)。

物理改性搜罗物理填充纸的孔隙或正在纤维表面重积憎水化合物,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,是一种适当的造备亲疏水通道的候选原料。基于蜡的重积是一种粗略和低本钱的手法,可能重积拥有可反复性的疏水图案屏蔽。正在这种手法中,先重积蜡膜的表面图案,然后加热使蜡溶化,从而浸渍下面的纤维素基材,酿成三维疏水构造。然而,蜡正在热经管经过中不行避免地会扩散,使规定的亲水通道缩幼,并或者导致图案的变形。所以,把持加热温度和加热韶华对造备高分辩率的通道至闭紧张,而温度和加热韶华的把持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消融正在甲苯中,采用丝网印刷的手法造备疏水区域,PS和甲苯的搀和溶液通过筛网浸透纸张,正在甲苯蒸发后,疏水屏蔽如故存正在。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其易于筑造、透后、电导率和弹性低而成为微流控芯片探求中最受接待的会合物。Dornelas等运用带有定造图案的橡胶印章将PDMS和正己烷的搀和溶液轻轻压正在色谱纸表面,30 s后搀和物穿透色谱纸,将带有图案的色谱纸置于70 ℃条款下固化30 min酿成疏水屏蔽,分辩率约1 mm。因为PDMS与极少有机溶剂相溶,搜罗极少醇类、腈类、二庖代酰胺类、亚砜、吡啶等。所以,法则上愚弄PDMS造备ePADs是实行各式需求非水介质剖释尝试的首选。
光刻胶正在光照或加热条款下极易爆发交联反映酿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吸取光刻胶,并通过掩模将纸张揭穿正在所需的紫表光形式下酿成屏蔽。透后膜上未被墨水爱戴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,结尾洗濯去除纸张上未揭穿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,并探求了打印层数对静态接触角值的影响,探求结果标明,当印刷层数为6时,疏水结果最好。
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,从而酿成亲疏水通道的手法。这意味着它与纸张的联结比仅仰赖物理吸附的试剂更稳定,而且化学改性只是使纤维素汇集更疏水,它仍首肯拥有相容表面能的液体陆续通过,仅禁止那些表面能与疏水试剂不可婚的液体。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度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酿成化学键。AKD正在贸易上以固体薄片或乳液的形态出售。AKD乳液的保质期平时正在几周至3 个月之间。AKD极易水解,AKD可能和水分子爆发反映发生β-酮酸,其又会自愿脱羧酿成酮。这个慢慢的经过会导致AKD不行再与纤维素共价联结。所以,正在AKD用量较低的情状下,发起现配现用。Deng Yafeng等将AKD喷墨打印正在滤纸上,加热条款下与滤纸纤维中的羟基爆发会合反映酿成疏水屏蔽。打印的区域疏水,未打印的区域仍保留亲水。尝试中优化了AKD的配方和经管条款等身分,获胜造备了鸿沟清爽、传输速率速、本钱低、功用高的纸基微流体芯片。而且此探求标明,运用AKD改性的本钱很低,每平方米不敷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的自正在缩合互相结合,结尾被固定正在滤纸纤维上,并被疏水性基团遮盖。Cai Longfei等起首将拥有特定图案的纸掩膜浸泡正在TMOS-庚烷的搀和溶液中30 s,取出风干置于玻璃载玻片上;然后递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以产疏间水结果。这种硅烷化造成的ePADs可能屈服有机溶剂和表面活性剂的影响。
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,由此发生的绚烂性硅醇能与很多无机和有机基材中的羟基、羧基和含氧基团发生化学键合。Zea等用POTS对纸实行疏水经管。气相硅烷化纸的静态接触角高于150°,证据有机硅烷与纸纤维素表面的羟基爆发反映,从而产疏间水性。此经过粗略,无需预经管和后期经管,正在几分钟内就可能竣工。然而,这种硅烷化的手法会使整张纸变得疏水,为造备思要的图案,常运用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)动作一种大作的有机硅烷衍生物,可能改观纤维素纸的疏水性,克造纤维素纸的不敷。Wang Hui等愚弄OTS造备了超疏水纤维素纸,进步了微流控场效应生物传感器的机器强度和较短的运用寿命,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鸿沟内的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。
除了运用差异的疏水原料造备亲疏水通道,还可能直接切割成型纸基作ePADs。常用的切割东西有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体式,并可能随即运用。然而因为纸张原料缺乏机器刚性,所以正在大大都情状下会用胶布贴正在纸的背后起维持效力,使一切装备的构造更稳定。陈尧运用CO 2 切割装备正在纸上造备了蛇形的微流控通道用于人体脱水指示。切割成型的苛重毛病是大周围坐蓐中需求特意的装备,正在资源有限的地域会受到节造。
别离区的宗旨是将待测样品实行预经管,去除杂质以进步待测物检测的切确性。特别正在本质样品的检测中,所面临的样品基质平时异常繁杂,如不实行预经管,常难以知足检测需求。尝试室常用的样品预经管时间往往操作繁琐且依赖高贵装备,不适合现场敏捷检测。纸的多孔构造以及纸纤维素上的羟基和羧基等活性基团为现场敏捷检测中样品的前经管供应了新思绪。基于此,探肆业者愚弄纸本身的上风,正在纸上设备了各式样品前经管的手法,按照别离道理可将其分为纸过滤、纸色谱和纸电泳。


纸过滤是愚弄纸的多孔构造吸附拦截杂质。比如,Santhiago等愚弄滤纸动作滤膜,造备了拥有样品前经管结果的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,从而竣工了对硝基苯酚的敏锐电化学检测。为了晋升纸过滤的功用,巨额探求做事采用化学打扮手法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互相效力等。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抵达反映区,样品中的甲基对硫磷被MIPs吸附,未吸附的组分陆续流过反映区。MIPs采用性地吸附甲基对硫磷,同时使其他组分脱节反映区,明显进步了芯片的采用性。该手法粗略、低价且便携性强。除此除表,如图4B所示,Shiroma等按照对乙酰氨基酚(PA)和对氨基苯酚(4-AP)pKa的不同(PA为9.8,4-AP为5.3),采用Whatman P81(一种高通量的强阳离子相易纸)构造别离装配,因为4-AP与纸上带有负电荷的官能团互相效力,导致其保存韶华较长,通过这种形式抵达别离结果。这些弱酸/弱碱之间峰的分辩率可能通过更动活动相的pH值进一步优化。
纸色谱又称为纸层析,是基于剖释物与固定相和活动相之间互相效力的不同竣工剖释物别离或富集。如图4C所示,Primpray等运用乙酸乙酯和环己烷作活动相,将Whatman SG81纸切成矩形,两种待别离物和搀和物分袂和甲醇按肯定的体积比搀和,取适量涂抹正在纸上,将纸放入色谱槽中,直到活动相的溶剂前段抵达纸张的顶部,按照两种剖释物正在别离经过平分拨系数的不同竣工别离。
纸电泳是正在纸的两头施加电压,带电剖释物正在电场效力下爆发搬动从而抵达别离的宗旨。为了竣工别离和检测一体,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联结,通过更动别离情况的密度和运动黏度从而进步别离功用和别离编造的太平性,竣工了剖释物的继续别离。微流控自正在活动电泳是一种用于繁杂搀和物继续和高通量别离的通用时间。正在微流控自正在活动电泳中,剖释物通过笔直施加的电场活动以竣工继续别离。与古板的大周围别离手法比拟,微流控自正在活动电泳拥有样品破费少、驱动压力低、别离电压低、散热速等所长。
电极的造备是ePADs造备中结尾一个紧张步调,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剖释。正在大大都农药的检测中,ePADs上的电化学传感器平时由三电极编造构成,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手法有笔绘、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筑造电极粗略敏捷的时间,常运用石墨笔或碳墨改性的钢笔。钢笔画图时油墨需加热固化,铅笔画图则不需求。Dossi等初度愚弄石墨铅笔正在纸上造备做事电极和对电极。为了低重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转化到纸上的,因此不需求黏合剂,也不会像丝网印刷和模板印刷相通糟蹋碳浆。然而手绘电极的厚度谢绝易把持,电极的电导率容易受到影响。同样,一支含有独特配方的碳或银墨水的笔可能用来正在纸上绘造电极。Kare等比来报道了一种运用碳墨水改性钢笔手绘造备ePADs的敏捷手法,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粗略,但手动绘造中施加的压力谢绝易把持,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,难以大周围坐蓐。比拟之下,Pagkali等通过推算机把持的XY画图仪和铅笔将电极重积正在纸上,此手法施加的压力容易把持,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)对电极的机器和剖释职能的影响。
丝网印刷和模板印刷道理不异,两者的区别是丝网印刷需求定造精致的筛网,而模板印刷不需求。丝网印刷是最先报道的电极筑造手法,也是目前最通常运用的手法。油墨正在刮板的压力效力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,以酿成所需求的导电图案。陈平探求了丝网印刷工艺中网版的造备、碳浆印刷等工艺经过对丝网印刷电极职能的影响,并确定了最佳的工艺条款,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手法。为了避免丝网印刷经过中需求特意定造的筛网题目,模板印刷愚弄透后胶带或其他固体薄膜策绘图案动作掩膜,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。与丝网印刷相像,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清爽的鸿沟,模板印刷所用的油墨平时比丝网印刷所用的油墨黏稠。
与上述两种印刷手法比拟,喷墨打印是一种更通用的正在纸上造备电极的手法。喷墨打印通过喷墨打印机将导电油墨主动打印到纸上,此手法可能运用多个墨盒同时打印多种原料,一次性印刷巨额图案,而且不需求预重积或模板。市道售卖的打印机可能被改造用来打印电极,不表还需进入更多的探求才干获取优良的结果。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,这种手法也有肯定的毛病,搜罗喷嘴淤塞和打印机本钱高。为了防范喷嘴窒息,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低重,所以,正在造备电极经过中往往需求多层印刷以保障其导电性。
为了克造上述题目,另一种正在纸上筑造碳电极的主动化时间是CO 2 激光刻划。CO 2 激光可用于普遍纸板表面的热解,以发生导电碳原料,用作电化学衡量的电极。Martins等愚弄CO 2 激光热解造备ePADs,获胜用于贸易饮料中亚硫酸盐的方波伏安剖释。激光刻划正在筑造经过中不涉及化学品的运用,因此比其他手法更环保,而且所造备的电极拥有优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手法。Yu Haixiang等愚弄低价塑料模板动作基础过滤装配,起首将单壁碳纳米管正在真空条款下通过定造的模板过滤到滤纸基底上,以酿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款下重积到上述单壁碳纳米管图案纸上,酿成金属膜。通过运用定造体式的模板,可能将差异的金属纳米颗粒重积到统一张纸上,酿成差异原料、厚度和体式的电极。该经过粗略、敏捷、经济,三电极编造的原料、体式、尺寸、厚度可能统统定造,而且不需求耗时的重积经过或繁杂的仪器。
除了上述常用的造备手法表,另有极少手法,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,而溅射时间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应了一种有远景的手法。电化学传感器基础都是由识别编造和转换编造两片面构成,其基础道理为目的物质与感想元件接触后传出感想信号,过程转换编造转换为电信号,再通过电化学做事站实行经管和信号放大,进而对目的物质实行定性或定量剖释。采用ePADs检测农药的探求有许多,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,平时搜罗卤素(X)、硝基(—NO 2 )、氨基(—NH 2 )、—OH等。因为片面农药分子或其降解产品中含有这些基团,所以极易正在做事电极上爆发氧化还原反映,从而发生电化学呼应信号。片面探求职员恰是愚弄这一特征对食物或情况中残留的农药分子实行直接、敏捷的电化学检测。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手法实行踊跃探求,期望开荒出特别敏锐、轻省、检测限更低的检测手法。表2总结了基于电活性基团的ePADs检测手法。比如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克造水准、传感器活性和检测下限从而确定所测样品中农药的浓度。该手法是无电活性农药电化学检测的常用计谋之一。表3总结了基于酶克造的ePADs检测农药残留情状。酶的固定是造备ePADs的症结步调。比如Dabhade等将纸动作酶固定的平台,探求了壳聚糖、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手法,展现壳聚糖的酶包封功用最高(约90%),且太平性最好(约97%)。该探求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联结,造备了一种ePADs。农药检测是通过计时电流法衡量无农药条款下初始酶活性和揭穿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克造百分比实行的。此传感器不妨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袂为30、10 μg/L和2 μg/L。这些结果证据,酶与ePADs联结的传感平台检测敏锐度更高,不妨正在农药检测界限施展更大的效力。
基于免疫的电化学检测是指以抗体为识别元件的检测计谋,拥有检测敏锐度高的特征。农药动作幼分子化合物本身不拥有统统免疫原性,需乞降卵白质等大分子化合物联结以获取统统免疫原性。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,需求人为合成相应的农药抗体,从而竣工对农药残留的高敏锐检测。Ruan Xiaofan等愚弄3D打印时间策画了一种多重免疫传感器,用于同时检测两种通常运用的除草剂莠去津和乙草胺。通过定造侧流免疫剖释,竣工了多道复用,然后与电化学剖释仪集成,用于超敏锐农药检测。
除了自然抗体表,人为抗体与ePADs联结的装备近年来也备受闭怀。人为抗体是天然生物抗体-抗原体例似乎合成物,即MIPs。目前,基于MIPs的ePADs已通常行使于检测糖卵白、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拥有优良的太平性,可能永久积蓄,而且不需求独特的积蓄条款和温度鸿沟。
除上述表,极少探求中还运用细菌的细胞(如大肠杆菌)和线粒体动作农药检测的生物识别元素。已有探求标明,线粒体电子通报链包罗电化学活性物质醌,醌能正在做事电极上爆发反映发生电化学信号。而关于大大都农药而言,线粒体是它们的苛重或次要目的,所以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差异,所以它是检测多种农药的理思采用。因为线粒体对差异毒素发生的电化学输出差异,故运用单个传感器可分别农药。
近年来,农药残留的现场速检是食物安闲和情况监测界限亟需处分的题目。为了裁汰对尝试室大型装备的依赖,ePADs正适应今世检测时间简捷化、多效力化的趋向迅猛起色,并为农药残留的现场POCT供应轻省东西和安闲牢靠的时间平台。本文编造地总结了ePADs的造备经过以及针对农药的差异检测道理与芯片造备之间的相干。然而,ePADs的庞大行使潜力与实际运用情状之间还是存正在光显的反差。面对的离间苛重搜罗:1)通用性,目前有机磷类农药和氨基甲酸酯类农药的检测群多基于酶克造法,而有机氯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类等农药的探求较少,所以探求一种通用的检测手法对简化ePADs造备经过及运用便捷性至闭紧张;2)样品基质效应,样品的基质或者会骚扰检测的信号,开荒更高效的纸上别离手法势正在必行;3)正在贸易化道道上仍存正在许多题目。尝试室造备ePADs的经过中驾驭其质地相对容易,但贸易化坐蓐中质控相对较难。所以,另日仍需求做出更多的勤苦将其行使于本质农药残留检测。
本文《纸基微流控电化学芯片检测农药残留的探求转机》根源于《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系讯息。

为深刻钻探另日食物正在大食品观框架下的改进起色机缘与离间,激动产学研用各界的互换团结,由北京食物科学探求院、中国肉类食物归纳探求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、成都医学院检查医学院、四川省农业科学院农产物加工探求所、中国农业科学院都会农业探求所、四川大学农产物加工探求院、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、北京合伙大学保健食物效力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。