纸基微流控芯片的制备工艺及其在抗生素检测中的应用研究进展

自1928年青霉素被发现后，抗生素已广泛用于疾病治疗与畜禽养殖，全球年使用量达10万-20万吨，我国年使用量超2.5万吨，其中52%用于动物、48%用于人类。抗生素约46%通过污废水排放，54%通过排泄物和化肥扩散，导致环境微生物群落破坏、植物生长受抑，还会使人体产生细菌耐药性，影响免疫系统与胃肠道系统，且在肉制品、奶制品、水环境中多次检出抗生素超标。国家多部门已出台相关政策，明确抗生素残留限量、禁用种类，部署新污染物治理工作，提出相关科技需求与目标。

目前，常规的抗生素检测方法包括微生物法、色谱法和免疫检测法等。这些方法分别存在各自的局限性。因此，开发快速、灵敏、低成本的抗生素检测新方法，在环境监测、食品检验及医学诊断领域具有重要意义和应用价值。

微流控技术具有独特的单颗粒操控特性，是一种理想的微纳米级颗粒观测和测量平台。许多研究将其与显微成像技术结合用于观察和分析流体中的细胞、病毒、液滴和气泡等。传统微流控芯片往往采用特种玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚四氟乙烯等作为基材；然而，这些材料具有较高的成本和复杂的加工工艺。纸张由于具有毛细管力、亲水性、成本低、质量轻等特点，可作为替代传统微流控芯片基材的新材料。与传统微流控芯片相比，纸基微流控器件（μPADs）具有诸多优势。

据麦姆斯咨询介绍，北京信息科技大学和中国农业科学院农产品加工研究所的研究人员近期发表了一篇题为《纸基微流控芯片的制备工艺及其在抗生素检测中的应用研究进展》的综述文章。该综述介绍了μPADs基材的选择及制备工艺，并根据不同检测原理，综述了μPADs在环境监测、食品检验及医学诊断领域中抗生素检测的应用研究进展，分析了μPADs目前面临的挑战及未来发展方向，以期为抗生素快速检测方法的进一步开发提供参考。

1 μPADs的检测原理及基材制备方法

μPADs的检测原理：在亲水纸基材料上制作疏水图案构建微通道，使试剂液体在通道中流动输送，进而与其他化学试剂发生反应。μPADs的主要驱动机制是毛细管作用，亲水纸基材料纤维表面的低接触角有利于液体的黏附和扩散，而液体表面的张力通常会减小液-气界面面积，产生自发芯吸现象；通过多孔介质产生的毛细管力驱动液体流动，并利用液体表面上压力较低的湿润区域（液体前沿）和相对干燥区域之间的压力差，维持液体流动。

μPADs中毛细管力驱动液体流动的原理

1.1 μPADs基材的选择

μPADs基材选取的原则一般包括：①流体的驱动机制；②微通道的精度控制；③芯片材料应具有良好的可修饰性，能产生电渗流或可固载生物大分子。传统材料制备的微流控芯片往往需要通过气压、重力、离心力、剪切力等多种途径来控制流体流动。而以植物纤维纸为基材构建μPADs时，由于植物原料细胞壁主要由木质纤维素多孔网络组成，能够得到可渗透的高孔隙率材料，制备的μPADs由平均直径为1~100 μm的纤维固体基质和平均孔径为1~10 μm的孔隙网络组成，这种几何形状和纤维素的亲水性使μPADs具有自发运输液体的特性。因此，以植物纤维纸为基材的μPADs在环境监测、食品检验及医学诊断等领域得到了广泛的应用。

滤纸、硝酸纤维素膜、石墨纸等基材为μPADs的制备提供了多种选择。其中，滤纸最常用且最易获取，其表面孔径分布均匀、层析速度适中，对试剂有良好的吸附能力和保留性，但机械强度较低；硝酸纤维素膜生物相容性较好、对蛋白质结合能力较强，可用于生物分析，但价格较高；石墨纸具有超高的导电性与优异的散热性，但生产工艺复杂、成本较高。因此，在实际研究过程中根据不同应用需要，选用的基材也有所不同。

1.2 μPADs的制备工艺

μPADs可通过在亲水的纸基材料上构建疏水边界，形成疏水图案，从而实现在纸基材料表面的流体分析和处理。纸基材料表面的图案化可以通过多种制备工艺实现，如光刻、蜡印、丝网印刷等。下表对μPADs常用的制备工艺优缺点进行了比较。

不同μPADs的制备工艺及其优缺点

2 μPADs在抗生素检测中的应用

近年来，μPADs为抗生素快速检测提供了新的思路和研究平台，基于不同检测原理，其可分为纸基微流控电化学传感芯片、纸基微流控比色传感芯片、纸基微流控荧光传感芯片、侧流免疫层析（LFIA）传感芯片、多模信号纸基微流控传感芯片等。

通过丝网印刷、喷墨打印、激光打印等技术，可将电化学电极与μPADs结合，构建纸基微流控电化学传感芯片。

用于抗生素检测的纸基微流控电化学传感芯片

比色法是通过待测物与特定试剂产生化学反应，根据显现的颜色变化来定量或定性分析待测物及其浓度的方法，包括目视比色法和光电比色法。纸基材料通常为白色多孔结构，容易与比色试剂相集成，构建低成本且易携带的纸基微流控比色传感芯片。

用于抗生素检测的纸基微流控比色传感芯片

荧光分析法是基于待测物在一定浓度范围内，浓度与荧光强度呈一定线性关系的原理，对其进行定量或定性分析的方法。荧光检测具有检测速度快、准确度高、可视觉读取等优点，与μPADs相结合能够拓展其应用范围。

用于抗生素检测的纸基微流控荧光传感芯片

常见的传感芯片往往依赖单一信号输出，稳定性、灵敏度受到一定限制，可能会出现测不出或假阳性等不足，而多模信号（如光信号、电信号同时输出）传感芯片，可以实现信号互补、灵敏度与稳定性提升、检测范围拓宽及检出限降低。

用于抗生素检测的多模信号纸基微流控芯片

3 结语

本文对纸基微流控芯片（μPADs）基材和制备工艺进行了分析和总结，根据检测原理，重点综述了μPADs在抗生素检测中的研究进展。目前，μPADs在抗生素检测方面的研究还正处于新兴发展阶段，尽管在检测灵敏度、稳定性、选择性等方面取得了很大进步，但在实际应用过程中还面临以下问题：

μPADs需要精准控制液体流速与流向来实现复杂的生化反应。然而，由于植物纤维纸的多孔结构，液体在μPADs上的流动方向性差，容易产生非特异性吸附，导致流动阻力增加，影响分析准确性。

μPADs上的生化反应通常涉及多试剂和多步骤，如何确保每一步反应都能精确进行并得到可靠结果是一个重大挑战。

μPADs在不同环境下的性能稳定性也是一个重要问题，如在高温、高湿或污染严重的环境中，μPADs的性能可能会受到影响甚至失效。

μPADs正朝着集成化、自动化方向发展。如何将多种功能模块（如样品预处理、检测、数据分析等）集成到μPADs上，并实现自动化操作仍是一个巨大挑战。

未来，随着不同分析方法在μPADs上的集成流体控制与反应性能的优化，以及新型纸基材料的不断开发，μPADs在抗生素检测领域将会取得更加显著的应用成果。