一、产品简介:
农药正在环球农业出产中是一把双刃剑,正在大幅降低产量的同时,也带来残留题目,对生态体例和人类康健酿成要紧吓唬。跟着存在水准的降低及毒理学酌量的日益美满,农药残留限量轨范更加端庄和详明,我国10 年内举行了5 次修订,限量数量从2 293 项填补至10 092 项,导致农残检测的样品量骤增,任务量加大,是以树立急速、浅易、便捷的检测技巧至合紧急。
为了高效修筑农药残留急速检测新技巧,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*等从以下两个局限举行综述:第1局限从ePADs造备工艺启程,探究纸的选取、亲疏水通道的树立、别离区及检测区电极的造备技巧,详明总结了ePADs每一枢纽的要害掌握点;第2局限基于农药的电化学检测道理(直接检测、酶控造、免疫法),树立农药检测与芯片造备之间的相合。结果举行预计,以期为ePADs检测农药残留的后续酌量供应参考。


ePADs以纸为基底,通过毛细管力独霸流体滚动。ePADs有多种造备技巧,凡是网罗4 个枢纽(图2):开始选取适当的纸,其次正在纸上造备亲疏水通道以掌握流体的滚动,然后创筑别离区,结果造备电极以举行说明物的电化学检测。遵照所造备设置的杂乱性,亲疏水通道的树立和电极的造备两个设施能够更换。

跟着人们对即时检测(POCT)、经济效益和环保方面的需求强化,以纸为基底的检测体例正获得日益平凡的合怀和操纵。纸的毛细管力使其正在无需表力驱动的环境下即可指引液体滚动,同时纸又拥有必定的孔隙度,不但能够积聚试剂,并且能征采实践样品、预先浓缩说明物等。这些优秀的性格使其成为POCT的理念平台。另表,纸能够通过微生物举行生物降解或点火以偏护处境。纵然纸正在ePADs的酌量中已受到平凡合怀,但纸品种繁多,填补了选取纸张类型的障碍度。是以,总结常用纸的特性及文件中已有的用处至合紧急。


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。遵照吸附性,能够将整个的纸分为高吸附型和低吸附型。高吸附型纸(如Whatman 1号滤纸)的好处是能够将局限试剂装载正在纸张的纤维素构造中,使样品量需求量削减(5~10 μL);低吸附型纸(如办公纸)的要紧好处是造备的电极能够直接走漏正在溶液中,检测智慧度更高,但试剂不易装载正在纸中。将差别类型纸的联用是降低ePADs效用性格的一种常用技巧,比方Arduini等开荒了一种用于检测差别类型农药的三维折纸多重ePADs,此设置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,大大降低了便携性和智慧性。
亲疏水通道的效用是掌握流体正在纸上的滚动目标。选定纸的类型后,通过正在纸上打算种种样子的疏水樊篱,杀青流体正在纸上的定向滚动。遵照亲疏水通道造备进程中所用的疏水质料与纸张的贯串形态,可将其分为物理改性、化学改性和切割成型(图3)。

物理改性网罗物理填充纸的孔隙或正在纤维表观重积憎水化合物,这两种式样中憎水化合物与纤维素纤维之间不发作化学反映。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质料。基于蜡的重积是一种浅易和低本钱的技巧,能够重积拥有可反复性的疏水图案樊篱。正在这种技巧中,先重积蜡膜的表观图案,然后加热使蜡熔解,从而浸渍下面的纤维素基材,酿成三维疏水构造。然而,蜡正在热管束进程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。是以,掌握加热温度和加热年光对造备高辞别率的通道至合紧急,而温度和加热年光的掌握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聚会物。Sameenoi等将PS熔化正在甲苯中,采用丝网印刷的技巧造备疏水区域,PS和甲苯的羼杂溶液通过筛网浸透纸张,正在甲苯蒸发后,疏水樊篱依然存正在。
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酌量中最受迎接的聚会物。Dornelas等应用带有定造图案的橡胶印章将PDMS和正己烷的羼杂溶液轻轻压正在色谱纸表观,30 s后羼杂物穿透色谱纸,将带有图案的色谱纸置于70 ℃要求下固化30 min酿成疏水樊篱,辞别率约1 mm。因为PDMS与极少有机溶剂相溶,网罗极少醇类、腈类、二代替酰胺类、亚砜、吡啶等。是以,规定上操纵PDMS造备ePADs是举行种种必要非水介质说明实习的首选。
光刻胶正在光照或加热要求下极易发作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罗致光刻胶,并通过掩模将纸张走漏正在所需的紫表光形式下酿成樊篱。透后膜上未被墨水偏护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,结果洗刷去除纸张上未走漏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,酌量结果证明,当印刷层数为6时,疏水成就最好。
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技巧。这意味着它与纸张的贯串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搜集更疏水,它仍答应拥有相容表观能的液体延续通过,仅抵抗那些表观能与疏水试剂不可亲的液体。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医治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阵势出售。AKD乳液的保质期凡是正在几周至3 个月之间。AKD极易水解,AKD能够和水分子发作反映发作β-酮酸,其又会自愿脱羧酿成酮。这个迟缓的进程会导致AKD不行再与纤维素共价贯串。是以,正在AKD用量较低的环境下,提议现配现用。Deng Yafeng等将AKD喷墨打印正在滤纸上,加热要求下与滤纸纤维中的羟基发作聚会反映酿成疏水樊篱。打印的区域疏水,未打印的区域仍连结亲水。实习中优化了AKD的配方和管束要求等成分,得胜造备了边境懂得、传输速率速、本钱低、效劳高的纸基微流体芯片。而且此酌量证明,应用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正在水蒸气处境中能水解天生硅烷醇基团(Si—OH),通过Si—OH与—OH之间的反映能够将TMOS固定正在纤维素上。同时,水解后的TOMS能够通过Si—OH的自正在缩合互相毗连,结果被固定正在滤纸纤维上,并被疏水性基团笼盖。Cai Longfei等开始将拥有特定图案的纸掩膜浸泡正在TMOS-庚烷的羼杂溶液中30 s,取出风干置于玻璃载玻片上;然后挨次将空缺滤纸和另一块载玻片放上去;结果正在加热板上100 ℃加热35 min以产陌生水成就。这种硅烷化造成的ePADs能够阻挡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,由此发作的伶俐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对纸举行疏水管束。气相硅烷化纸的静态接触角高于150°,讲明有机硅烷与纸纤维素表观的羟基发作反映,从而产陌生水性。此进程浅易,无需预管束和后期管束,正在几分钟内就能够杀青。然而,这种硅烷化的技巧会使整张纸变得疏水,为造备念要的图案,常应用掩膜将其遮住以确保造备出所需的图案。
十八烷基三氯硅烷(OTS)动作一种大作的有机硅烷衍生物,能够改进纤维素纸的疏水性,造胜纤维素纸的不敷。Wang Hui等操纵OTS造备了超疏水纤维素纸,降低了微流控场效应生物传感器的呆滞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边界内的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。
除了应用差其余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。正在这种环境下,纸被直接切割成所需的样子,并能够顷刻应用。然而因为纸张质料缺乏呆滞刚性,是以正在大无数环境下会用胶布贴正在纸的反面起支柱用意,使总共设置的构造更稳定。陈尧应用CO 2 切割设置正在纸上造备了蛇形的微流控通道用于人体脱水指点。切割成型的要紧瑕玷是大周围出产中必要特意的设置,正在资源有限的地域会受到局部。
别离区的目标是将待测样品举行预管束,去除杂质以降低待测物检测的凿凿性。特别正在实践样品的检测中,所面临的样品基质凡是相称杂乱,如不举行预管束,常难以满意检测需求。实习室常用的样品预管束时间往往操作繁琐且依赖高贵设置,不适合现场急速检测。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急速检测中样品的前管束供应了新思绪。基于此,酌量学者操纵纸自己的上风,正在纸上树立了种种样品前管束的技巧,遵照别离道理可将其分为纸过滤、纸色谱和纸电泳。


纸过滤是操纵纸的多孔构造吸附拦截杂质。比方,Santhiago等操纵滤纸动作滤膜,造备了拥有样品前管束成就的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,从而杀青了对硝基苯酚的智慧电化学检测。为了晋升纸过滤的效劳,大宗酌量任务采用化学妆饰技巧对纸纤维素举行改性,如螯合、吸附、离子交流和纸固定相内的亲疏水互相用意等。如图4A所示,Li Shuhuai等正在色谱纸上固定分子印迹聚会物(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,未吸附的组分延续流过反映区。MIPs选取性地吸附甲基对硫磷,同时使其他组分脱离反映区,明显降低了芯片的选取性。该技巧浅易、低价且便携性强。除此除表,如图4B所示,Shiroma等遵照对乙酰氨基酚(PA)和对氨基苯酚(4-AP)pKa的分歧(PA为9.8,4-AP为5.3),选取Whatman P81(一种高通量的强阳离子交流纸)构造别离装备,因为4-AP与纸上带有负电荷的官能团互相用意,导致其保存年光较长,通过这种式样抵达别离成就。这些弱酸/弱碱之间峰的辞别率能够通过调换滚动相的pH值进一步优化。
纸色谱又称为纸层析,是基于说明物与固定相和滚动相之间互相用意的分歧杀青说明物别离或富集。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,两种待别离物和羼杂物折柳和甲醇按必定的体积比羼杂,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抵达纸张的顶部,遵照两种说明物正在别离进程平分拨系数的分歧杀青别离。
纸电泳是正在纸的两头施加电压,带电说明物正在电场用意下发作挪动从而抵达别离的目标。为了杀青别离和检测一体,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贯串,通过调换别离处境的密度和运动黏度从而降低别离效劳和别离体例的安靖性,杀青了说明物的相接别离。微流控自正在滚动电泳是一种用于杂乱羼杂物相接和高通量别离的通用时间。正在微流控自正在滚动电泳中,说明物通过笔直施加的电场滚动以杀青相接别离。与古代的大周围别离技巧比拟,微流控自正在滚动电泳拥有样品损耗少、驱动压力低、别离电压低、散热速等好处。
电极的造备是ePADs造备中结果一个紧急设施,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说明。正在大无数农药的检测中,ePADs上的电化学传感器凡是由三电极体例构成,即任务电极、对电极和参比电极。如图5所示,常见的纸电极的造备技巧有笔绘、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浅易急速的时间,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,铅笔画图则不必要。Dossi等初度操纵石墨铅笔正在纸上造备任务电极和对电极。为了低落电极之间的批间分歧,必要先正在纸上用墨粉或铅笔画出轮廓,然后举行绘造。由于石墨是通过绘造直接移动到纸上的,以是不必要黏合剂,也不会像丝网印刷和模板印刷相同糟蹋碳浆。然而手绘电极的厚度阻挠易掌握,电极的电导率容易受到影响。同样,一支含有异常配方的碳或银墨水的笔能够用来正在纸上绘造电极。Kare等近来报道了一种应用碳墨水改性钢笔手绘造备ePADs的急速技巧,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浅易,但手动绘造中施加的压力阻挠易掌握,很大水准地影响了电极质料正在纸上的重积,导致电綦重现性低,难以大周围出产。比拟之下,Pagkali等通过估计机掌握的XY画图仪和铅笔将电极重积正在纸上,此技巧施加的压力容易掌握,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)对电极的呆滞和说明职能的影响。
丝网印刷和模板印刷道理一样,两者的区别是丝网印刷必要定造精巧的筛网,而模板印刷不必要。丝网印刷是最先报道的电极筑造技巧,也是目前最平凡应用的技巧。油墨正在刮板的压力用意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,以酿成所必要的导电图案。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职能的影响,并确定了最佳的工艺要求,通过测定差别批次电极的电阻对电极举行表征,确定丝网印刷电极的质控技巧。为了避免丝网印刷进程中必要特意定造的筛网题目,模板印刷操纵透后胶带或其他固体薄膜打算图案动作掩膜,油墨透过掩膜的启齿处施涂正在纸上造备电极。掩膜板能够通过手工或激光切割创造。与丝网印刷彷佛,模板印刷后的电极油墨必要加热固化。为了正在电极上获取懂得的边境,模板印刷所用的油墨凡是比丝网印刷所用的油墨黏稠。
与上述两种印刷技巧比拟,喷墨打印是一种更通用的正在纸上造备电极的技巧。喷墨打印通过喷墨打印机将导电油墨主动打印到纸上,此技巧能够应用多个墨盒同时打印多种质料,一次性印刷大宗图案,而且不必要预重积或模板。市道售卖的打印性能够被改造用来打印电极,但是还需加入更多的酌量本领获取优秀的成就。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,这种技巧也有必定的瑕玷,网罗喷嘴淤塞和打印机本钱高。为了防卫喷嘴壅闭,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落,是以,正在造备电极进程中往往必要多层印刷以确保其导电性。
为了造胜上述题目,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 激光可用于平常纸板表观的热解,以发作导电碳质料,用作电化学丈量的电极。Martins等操纵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说明。激光刻划正在筑造进程中不涉及化学品的应用,以是比其他技巧更环保,而且所造备的电极拥有优秀的可反复性和电化学职能。
真空过滤是通过正在纸的一侧酿成必定水准的负压(真空)而使导电油墨重积正在纸上造备电极的技巧。Yu Haixiang等操纵低价塑料模板动作根基过滤装备,开始将单壁碳纳米管正在真空要求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要求下重积到上述单壁碳纳米管图案纸上,酿成金属膜。通过应用定造样子的模板,能够将差其余金属纳米颗粒重积到统一张纸上,酿成差别质料、厚度和样子的电极。该进程浅易、急速、经济,三电极体例的质料、样子、尺寸、厚度能够十足定造,而且不必要耗时的重积进程或杂乱的仪器。
除了上述常用的造备技巧表,又有极少技巧,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,而溅射时间必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技巧。电化学传感器根基都是由识别体例和转换体例两局限构成,其根基道理为目的物质与感觉元件接触后传出感觉信号,历程转换体例转换为电信号,再通过电化学任务站举行管束和信号放大,进而对目的物质举行定性或定量说明。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发作氧化还原反映的官能团,凡是网罗卤素(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,是以极易正在职务电极上发作氧化还原反映,从而发作电化学反映信号。局限酌量职员恰是操纵这一特性对食物或处境中残留的农药分子举行直接、急速的电化学检测。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技巧举行主动酌量,期望开荒出尤其智慧、轻省、检测限更低的检测技巧。表2总结了基于电活性基团的ePADs检测技巧。比方甲基对硫磷分子中含有—NO 2 ,是以能够用ePADs直接检测。
基于酶的电化学检测是通过丈量酶的控造水准、传感器活性和检测下限从而确定所测样品中农药的浓度。该技巧是无电活性农药电化学检测的常用政策之一。表3总结了基于酶控造的ePADs检测农药残留环境。酶的固定是造备ePADs的要害设施。比方Dabhade等将纸动作酶固定的平台,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技巧,察觉壳聚糖的酶包封效劳最高(约90%),且安靖性最好(约97%)。该酌量结果以壳聚糖为包埋剂,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贯串,造备了一种ePADs。农药检测是通过计时电流法丈量无农药要求下初始酶活性和走漏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控造百分比举行的。此传感器可以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。这些结果讲明,酶与ePADs贯串的传感平台检测智慧度更高,可以正在农药检测界限阐发更大的用意。
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,拥有检测智慧度高的特性。农药动作幼分子化合物自己不拥有十足免疫原性,必要和卵白质等大分子化合物贯串以获取十足免疫原性。基于抗原或抗体的笃志性进而识别检测样品中的抗原抗体。正在农药残留检测中,必要人为合成相应的农药抗体,从而杀青对农药残留的高智慧检测。Ruan Xiaofan等操纵3D打印时间打算了一种多重免疫传感器,用于同时检测两种平凡应用的除草剂莠去津和乙草胺。通过定造侧流免疫说明,杀青了多道复用,然后与电化学说明仪集成,用于超智慧农药检测。
除了自然抗体表,人为抗体与ePADs贯串的设置近年来也备受合怀。人为抗体是天然生物抗体-抗原编造仿佛合成物,即MIPs。目前,基于MIPs的ePADs已平凡操纵于检测糖卵白、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拥有优秀的安靖性,能够恒久积聚,而且不必要异常的积聚要乞降温度边界。
除上述表,极少酌量中还应用细菌的细胞(如大肠杆菌)和线粒体动作农药检测的生物识别元素。已有酌量证明,线粒体电子传达链包蕴电化学活性物质醌,醌能正在职务电极上发作反映发作电化学信号。而对付大无数农药而言,线粒体是它们的要紧或次要目的,是以线粒体生物传感器不但能够检测有机磷类(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差别,是以它是检测多种农药的理念选取。因为线粒体对差别毒素发作的电化学输出差别,故应用单个传感器可区别农药。
近年来,农药残留的现场速检是食物平安和处境监测界限亟需处置的题目。为了削减对实习室大型设置的依赖,ePADs正适合新颖检测时间简捷化、多效用化的趋向迅猛生长,并为农药残留的现场POCT供应轻省器械和平安牢靠的时间平台。本体裁例地总结了ePADs的造备进程以及针对农药的差别检测道理与芯片造备之间的相合。然而,ePADs的庞杂操纵潜力与实际应用环境之间依旧存正在光显的反差。面对的离间要紧网罗:1)通用性,目前有机磷类农药和氨基甲酸酯类农药的检测多人基于酶控造法,而有机氯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类等农药的酌量较少,是以酌量一种通用的检测技巧对简化ePADs造备进程及应用便捷性至合紧急;2)样品基质效应,样品的基质或者会滋扰检测的信号,开荒更高效的纸上别离技巧势正在必行;3)正在贸易化道道上仍存正在许多题目。实习室造备ePADs的进程中控造其质料相对容易,但贸易化出产中质控相对较难。是以,改日仍必要做出更多的全力将其操纵于实践农药残留检测。
本文《纸基微流控电化学芯片检测农药残留的酌量转机》出处于《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合连新闻。

为深化考虑改日食物正在大食品观框架下的革新生长时机与离间,鞭策产学研用各界的交换协作,由北京食物科学酌量院、中国肉类食物归纳酌量中央及中国食物杂志社《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、成都医学院查验医学院、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中央协同主办的“第二届大食品观·改日食物科技革新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日正在中国 四川 成都召开。