一、产品简介：

　　农药正在环球农业坐蓐中是一把双刃剑，正在大幅提升产量的同时，也带来残留题目，对生态体系和人类健壮形成主要胁造。跟着糊口水准的提升及毒理学考虑的日益完整，农药残留限量模范更加厉酷和周密，我国10 年内举行了5 次修订，限量数量从2 293 项填充至10 092 项，导致农残检测的样品量骤增，事务量加大，所以成立急迅、简略、便捷的检测法子至合紧要。

　　为了高效构修农药残留急迅检测新法子，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*等从以下两个片面举行综述：第1片面从ePADs造备工艺启航，探究纸的遴选、亲疏水通道的成立、辞别区及检测区电极的造备法子，周密总结了ePADs每一枢纽的合节管造点；第2片面基于农药的电化学检测道理（直接检测、酶造止、免疫法），成立农药检测与芯片造备之间的接洽。末了举行瞻望，以期为ePADs检测农药残留的后续考虑供应参考。

　　ePADs以纸为基底，通过毛细管力把握流体滚动。ePADs有多种造备法子，大凡搜罗4 个枢纽（图2）：起首遴选适合的纸，其次正在纸上造备亲疏水通道以管造流体的滚动，然后创修辞别区，末了造备电极以举行阐明物的电化学检测。依据所造备配置的庞杂性，亲疏水通道的成立和电极的造备两个设施可能调度。

　　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系正获得日益寻常的体贴和使用。纸的毛细管力使其正在无需表力驱动的情状下即可开导液体滚动，同时纸又拥有必然的孔隙度，不只能能积蓄试剂，况且能征采现实样品、预先浓缩阐明物等。这些优越的特征使其成为POCT的理思平台。其它，纸可能通过微生物举行生物降解或点燃以扞卫处境。虽然纸正在ePADs的考虑中已受到寻常体贴，但纸品种繁多，填充了遴选纸张类型的疾苦度。所以，总结常用纸的特征及文件中已有的用处至合紧要。

　　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合用性。依据吸附性，可能将全数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，使样品量需求量裁减（5～10 μL）；低吸附型纸（如办公纸）的要紧所长是造备的电极可能直接大白正在溶液中，检测灵便度更高，但试剂不易装载正在纸中。将区别类型纸的联用是提升ePADs效用特征的一种常用法子，比方Arduini等开垦了一种用于检测区别类型农药的三维折纸多重ePADs，此配置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，大大提升了便携性和灵便性。

　　亲疏水通道的效用是管造流体正在纸上的滚动偏向。选定纸的类型后，通过正在纸上策画种种体式的疏水樊篱，达成流体正在纸上的定向滚动。依据亲疏水通道造备流程中所用的疏水原料与纸张的勾结状况，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，这两种体例中憎水化合物与纤维素纤维之间不产生化学响应。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本能，是一种适合的造备亲疏水通道的候选原料。基于蜡的重积是一种简略和低本钱的法子，可能重积拥有可反复性的疏水图案樊篱。正在这种法子中，先重积蜡膜的表面图案，然后加热使蜡熔解，从而浸渍下面的纤维素基材，造成三维疏水构造。然而，蜡正在热治理流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，管造加热温度和加热年光对造备高别离率的通道至合紧要，而温度和加热年光的管造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）是一种便宜易得的疏水性荟萃物。Sameenoi等将PS融解正在甲苯中，采用丝网印刷的法子造备疏水区域，PS和甲苯的同化溶液通过筛网浸透纸张，正在甲苯蒸发后，疏水樊篱还是存正在。

　　聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其易于造作、透后、电导率和弹性低而成为微流控芯片考虑中最受迎接的荟萃物。Dornelas等行使带有定造图案的橡胶印章将PDMS和正己烷的同化溶液轻轻压正在色谱纸表面，30 s后同化物穿透色谱纸，将带有图案的色谱纸置于70 ℃前提下固化30 min造成疏水樊篱，别离率约1 mm。因为PDMS与极少有机溶剂相溶，搜罗极少醇类、腈类、二代替酰胺类、亚砜、吡啶等。所以，规矩上运用PDMS造备ePADs是举行种种需求非水介质阐明尝试的首选。

　　光刻胶正在光照或加热前提下极易产生交联响应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罗致光刻胶，并通过掩模将纸张大白正在所需的紫表光形式下造成樊篱。透后膜上未被墨水扞卫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，末了洗涤去除纸张上未大白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，并考虑了打印层数对静态接触角值的影响，考虑结果讲明，当印刷层数为6时，疏水效益最好。

　　化学改性是通过极少能与纤维素上的羟基（—OH）响应的试剂，向纤维素分子链上引入疏水基团，从而造成亲疏水通道的法子。这意味着它与纸张的勾结比仅倚赖物理吸附的试剂更巩固，而且化学改性只是使纤维素汇集更疏水，它仍答允拥有相容表面能的液体一直通过，仅阻难那些表面能与疏水试剂不般配的液体。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造成化学键。AKD正在贸易上以固体薄片或乳液的景象出售。AKD乳液的保质期大凡正在几厉谨3 个月之间。AKD极易水解，AKD可能和水分子产生响应形成β-酮酸，其又会自愿脱羧造成酮。这个慢慢的流程会导致AKD不行再与纤维素共价勾结。所以，正在AKD用量较低的情状下，倡议现配现用。Deng Yafeng等将AKD喷墨打印正在滤纸上，加热前提下与滤纸纤维中的羟基产生荟萃响应造成疏水樊篱。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的配方和治理前提等成分，凯旋造备了界限明显、传输速率速、本钱低、效劳高的纸基微流体芯片。而且此考虑讲明，行使AKD改性的本钱很低，每平方米不够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响应，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之间的响应可能将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接，末了被固定正在滤纸纤维上，并被疏水性基团掩盖。Cai Longfei等起首将拥有特定图案的纸掩膜浸泡正在TMOS-庚烷的同化溶液中30 s，取出风干置于玻璃载玻片上；然后按序将空缺滤纸和另一块载玻片放上去；末了正在加热板上100 ℃加热35 min以形成硬水效益。这种硅烷化造成的ePADs可能抗拒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，由此形成的伶俐性硅醇能与很多无机和有机基材中的羟基、羧基和含氧基团形成化学键合。Zea等用POTS对纸举行疏水治理。气相硅烷化纸的静态接触角高于150°，表明有机硅烷与纸纤维素表面的羟基产生响应，从而形成硬水性。此流程简略，无需预治理和后期治理，正在几分钟内就可能落成。然而，这种硅烷化的法子会使整张纸变得疏水，为造备思要的图案，常行使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）动作一种大作的有机硅烷衍生物，可能改正纤维素纸的疏水性，克造纤维素纸的不够。Wang Hui等运用OTS造备了超疏水纤维素纸，提升了微流控场效应生物传感器的板滞强度和较短的行使寿命，并开垦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界限内的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。

　　除了行使区其它疏水原料造备亲疏水通道，还可能直接切割成型纸基作ePADs。常用的切割用拥有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，并可能顷刻行使。不过因为纸张原料缺乏板滞刚性，所以正在多人半情状下会用胶布贴正在纸的后背起支柱感化，使全部配置的构造更巩固。陈尧行使CO 2 切割配置正在纸上造备了蛇形的微流控通道用于人体脱水指挥。切割成型的要紧过失是大领域坐蓐中需求特意的配置，正在资源有限的区域会受到限度。

　　辞别区的目标是将待测样品举行预治理，去除杂质以提升待测物检测的无误性。加倍正在现实样品的检测中，所面临的样品基质大凡很是庞杂，如不举行预治理，常难以满意检测需求。尝试室常用的样品预治理技艺往往操作繁琐且依赖腾贵配置，不适合现场急迅检测。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迅检测中样品的前治理供应了新思绪。基于此，考虑学者运用纸自己的上风，正在纸上成立了种种样品前治理的法子，依据辞别道理可将其分为纸过滤、纸色谱和纸电泳。

　　纸过滤是运用纸的多孔构造吸附拦截杂质。比方，Santhiago等运用滤纸动作滤膜，造备了拥有样品前治理效益的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，方针物对硝基苯酚则通过滤纸流入检测区，从而达成了对硝基苯酚的灵便电化学检测。为了晋升纸过滤的效劳，大批考虑事务采用化学妆点法子对纸纤维素举行改性，如螯合、吸附、离子相易和纸固定相内的亲疏水彼此感化等。如图4A所示，Li Shuhuai等正在色谱纸上固定分子印迹荟萃物（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响应区，样品中的甲基对硫磷被MIPs吸附，未吸附的组分一直流过响应区。MIPs遴选性地吸附甲基对硫磷，同时使其他组分分开响应区，明显提升了芯片的遴选性。该法子简略、便宜且便携性强。除此以表，如图4B所示，Shiroma等依据对乙酰氨基酚（PA）和对氨基苯酚（4-AP）pKa的不同（PA为9.8，4-AP为5.3），遴选Whatman P81（一种高通量的强阳离子相易纸）构造辞别装配，因为4-AP与纸上带有负电荷的官能团彼此感化，导致其保存年光较长，通过这种体例抵达辞别效益。这些弱酸/弱碱之间峰的别离率可能通过蜕化滚动相的pH值进一步优化。

　　纸色谱又称为纸层析，是基于阐明物与固定相和滚动相之间彼此感化的不同达成阐明物辞别或富集。如图4C所示，Primpray等行使乙酸乙酯和环己烷作滚动相，将Whatman SG81纸切成矩形，两种待辞别物和同化物永别和甲醇按必然的体积比同化，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，依据两种阐明物正在辞别流程平分派系数的不同达成辞别。

　　纸电泳是正在纸的两头施加电压，带电阐明物正在电场感化下产生转移从而抵达辞其它目标。为了达成辞别和检测一体，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勾结，通过蜕化辞别处境的密度和运动黏度从而提升辞别效劳和辞别体系的安祥性，达成了阐明物的连绵辞别。微流控自正在滚动电泳是一种用于庞杂同化物连绵和高通量辞其它通用技艺。正在微流控自正在滚动电泳中，阐明物通过笔直施加的电场滚动以达成连绵辞别。与古板的大领域辞别法子比拟，微流控自正在滚动电泳拥有样品消费少、驱动压力低、辞别电压低、散热速等所长。

　　电极的造备是ePADs造备中末了一个紧要设施，将电化学传感器集成到微流控纸芯片上，即可达成样品的定性和定量阐明。正在多人半农药的检测中，ePADs上的电化学传感器大凡由三电极体系构成，即事务电极、对电极和参比电极。如图5所示，常见的纸电极的造备法子有笔绘、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造作电极简略急迅的技艺，常行使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等初度运用石墨铅笔正在纸上造备事务电极和对电极。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，然后举行绘造。由于石墨是通过绘造直接移动到纸上的，于是不需求黏合剂，也不会像丝网印刷和模板印刷相同糜掷碳浆。不过手绘电极的厚度谢绝易管造，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可能用来正在纸上绘造电极。Kare等近来报道了一种行使碳墨水改性钢笔手绘造备ePADs的急迅法子，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谢绝易管造，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，难以大领域坐蓐。比拟之下，Pagkali等通过企图机管造的XY画图仪和铅笔将电极重积正在纸上，此法子施加的压力容易管造，随后评估了造备参数（纸张类型、信号笔类型、铅笔类型、画图速率、遍数、单面和双面画图）对电极的板滞和阐明本能的影响。

　　丝网印刷和模板印刷道理相通，两者的区别是丝网印刷需求定造邃密的筛网，而模板印刷不需求。丝网印刷是最先报道的电极造作法子，也是目前最寻常行使的法子。油墨正在刮板的压力感化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，以造成所需求的导电图案。陈平考虑了丝网印刷工艺中网版的造备、碳浆印刷等工艺流程对丝网印刷电极本能的影响，并确定了最佳的工艺前提，通过测定区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法子。为了避免丝网印刷流程中需求特意定造的筛网题目，模板印刷运用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。与丝网印刷相同，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明显的界限，模板印刷所用的油墨大凡比丝网印刷所用的油墨黏稠。

　　与上述两种印刷法子比拟，喷墨打印是一种更通用的正在纸上造备电极的法子。喷墨打印通过喷墨打印机将导电油墨自愿打印到纸上，此法子可能行使多个墨盒同时打印多种原料，一次性印刷大批图案，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，只是还需加入更多的考虑智力获取优越的效益。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，这种法子也有必然的过失，搜罗喷嘴停顿和打印机本钱高。为了防备喷嘴窒塞，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，正在造备电极流程中往往需求多层印刷以担保其导电性。

　　为了克造上述题目，另一种正在纸上造作碳电极的自愿化技艺是CO 2 激光刻划。CO 2 激光可用于寻常纸板表面的热解，以形成导电碳原料，用作电化学丈量的电极。Martins等运用CO 2 激光热解造备ePADs，凯旋用于贸易饮料中亚硫酸盐的方波伏安阐明。激光刻划正在造作流程中不涉及化学品的行使，于是比其他法子更环保，而且所造备的电极拥有优越的可反复性和电化学本能。

　　真空过滤是通过正在纸的一侧形成必然水准的负压（真空）而使导电油墨重积正在纸上造备电极的法子。Yu Haixiang等运用便宜塑料模板动作根本过滤装配，起首将单壁碳纳米管正在真空前提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前提下重积到上述单壁碳纳米管图案纸上，造成金属膜。通过行使定造体式的模板，可能将区其它金属纳米颗粒重积到统一张纸上，造成区别原料、厚度和体式的电极。该流程简略、急迅、经济，三电极体系的原料、体式、尺寸、厚度可能全体定造，而且不需求耗时的重积流程或庞杂的仪器。

　　除了上述常用的造备法子表，又有极少法子，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，而溅射技艺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法子。电化学传感器根本都是由识别体系和转换体系两片面构成，其根本道理为方针物质与觉得元件接触后传出觉得信号，始末转换体系转换为电信号，再通过电化学事务站举行治理和信号放大，进而对方针物质举行定性或定量阐明。采用ePADs检测农药的考虑有良多，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产生氧化还原响应的官能团，大凡搜罗卤素（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，所以极易正在事务电极上产生氧化还原响应，从而形成电化学反映信号。片面考虑职员恰是运用这一特征对食物或处境中残留的农药分子举行直接、急迅的电化学检测。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法子举行踊跃考虑，指望开垦出特别灵便、简易、检测限更低的检测法子。表2总结了基于电活性基团的ePADs检测法子。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丈量酶的造止水准、传感器活性和检测下限从而确定所测样品中农药的浓度。该法子是无电活性农药电化学检测的常用计谋之一。表3总结了基于酶造止的ePADs检测农药残留情状。酶的固定是造备ePADs的合节设施。比方Dabhade等将纸动作酶固定的平台，考虑了壳聚糖、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法子，察觉壳聚糖的酶包封效劳最高（约90%），且安祥性最好（约97%）。该考虑末了以壳聚糖为包埋剂，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勾结，造备了一种ePADs。农药检测是通过计时电流法丈量无农药前提下初始酶活性和大白于农药溶液后的残存酶活性，并评估与喷雾农药量呈正比的造止百分比举行的。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永别为30、10 μg/L和2 μg/L。这些结果表明，酶与ePADs勾结的传感平台检测灵便度更高，也许正在农药检测范畴发扬更大的感化。

　　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，拥有检测灵便度高的特征。农药动作幼分子化合物自己不拥有全体免疫原性，需乞降卵白质等大分子化合物勾结以获取全体免疫原性。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，需求人为合成相应的农药抗体，从而达成对农药残留的高灵便检测。Ruan Xiaofan等运用3D打印技艺策画了一种多重免疫传感器，用于同时检测两种寻常行使的除草剂莠去津和乙草胺。通过定造侧流免疫阐明，达成了多道复用，然后与电化学阐明仪集成，用于超灵便农药检测。

　　除了自然抗体表，人为抗体与ePADs勾结的配置近年来也备受体贴。人为抗体是天然生物抗体-抗原编造相似合成物，即MIPs。目前，基于MIPs的ePADs已寻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拥有优越的安祥性，可能持久积蓄，而且不需求异常的积蓄前提和温度界限。

　　除上述表，极少考虑中还行使细菌的细胞（如大肠杆菌）和线粒体动作农药检测的生物识别元素。已有考虑讲明，线粒体电子传达链包蕴电化学活性物质醌，醌能正在事务电极上产生响应形成电化学信号。而对待多人半农药而言，线粒体是它们的要紧或次要方针，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区别，所以它是检测多种农药的理思遴选。因为线粒体对区别毒素形成的电化学输出区别，故行使单个传感器可辨别农药。

　　近年来，农药残留的现场速检是食物安静和处境监测范畴亟需处分的题目。为了裁减对尝试室大型配置的依赖，ePADs正适应当代检测技艺简捷化、多效用化的趋向迅猛开展，并为农药残留的现场POCT供应简易用具和安静牢靠的技艺平台。本体裁系地总结了ePADs的造备流程以及针对农药的区别检测道理与芯片造备之间的接洽。然而，ePADs的重大使用潜力与实际行使情状之间仍然存正在明显的反差。面对的挑衅要紧搜罗：1）通用性，目前有机磷类农药和氨基甲酸酯类农药的检测多人基于酶造止法，而有机氯类、拟除虫菊酯类和新烟碱类等农药的考虑较少，所以考虑一种通用的检测法子对简化ePADs造备流程及行使便捷性至合紧要；2）样品基质效应，样品的基质也许会扰乱检测的信号，开垦更高效的纸上辞别法子势正在必行；3）正在贸易化道道上仍存正在良多题目。尝试室造备ePADs的流程中操纵其质地相对容易，但贸易化坐蓐中质控相对较难。所以，异日仍需求做出更多的勉力将其使用于现实农药残留检测。

　　本文《纸基微流控电化学芯片检测农药残留的考虑进步》起原于《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干系消息。

　　为深化探求异日食物正在大食品观框架下的更始开展机会与挑衅，促使产学研用各界的换取配合，由北京食物科学考虑院、中国肉类食物归纳考虑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、成都医学院检讨医学院、四川省农业科学院农产物加工考虑所、中国农业科学院都会农业考虑所、四川大学农产物加工考虑院、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、北京联络大学保健食物效用检测中央合伙主办的“第二届大食品观·异日食物科技更始国际研讨会”即将于2025年5月24-25日正在中国 四川 成都召开。