紙基比色陣列傳感器的研究進(jìn)展

李延琪 馮亮

摘?要?比色陣列傳感器具有響應(yīng)迅速的識別檢測能力，結(jié)合紙基分析裝置成本低廉、制作簡單和多孔親水等優(yōu)點，近年來紙基比色陣列傳感器的研究發(fā)展迅速，靈敏度和通用性得到了進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域大大拓展，受到了研究者的廣泛關(guān)注。本文主要介紹了紙基比色陣列傳感器的研究進(jìn)展，概括了其近年在生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、食品安全等領(lǐng)域的應(yīng)用，針對不同的檢測傳感材料、檢測原理及性能進(jìn)行了討論，并對其研究和應(yīng)用的前景和發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞?紙基; 比色; 陣列; 傳感器; 評述

1?引 言

化學(xué)傳感器主要由識別元件和信號轉(zhuǎn)換器組成，利用識別元件選擇性地與待分析物發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，從而發(fā)生理化性質(zhì)的改變，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器將這些改變的信號參數(shù)轉(zhuǎn)換或放大后輸出的電學(xué)信號或光學(xué)信號（電流，顏色變化等）用于定性與定量分析，是可選擇性對目標(biāo)檢測物產(chǎn)生響應(yīng)和分析檢測的一類裝置[1，2]。傳統(tǒng)的化學(xué)傳感器存在檢測目標(biāo)單一化、設(shè)計制作成本高、檢測應(yīng)用通用性差等缺點，在復(fù)雜混合物的成分分析和具有相似結(jié)構(gòu)待分析物之間的識別檢測過程中存在誤差大、干擾因素多等問題[3]。由Rankow和Suslick[4]首先提出的陣列式比色傳感器是一類模仿哺乳動物味覺和嗅覺識別模式的化學(xué)傳感器，由多個識別元件排布形成陣列結(jié)構(gòu)，每個識別元件都對待分析物產(chǎn)生不同的響應(yīng)，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器將所有的響應(yīng)信號收集后，便可得到不同待分析物的特定識別圖像（又稱“指紋圖譜”），實現(xiàn)對多組分物質(zhì)和相似組分物質(zhì)的識別區(qū)分。陣列傳感器的檢測方法眾多，光化學(xué)比色檢測法由于操作過程簡單便捷、選擇性好、檢測速度快而被廣泛應(yīng)用[5～7]，借助平板掃描儀[8]、數(shù)碼相機(jī)[9]或手機(jī)攝像頭[10]等便攜式儀器將傳感單元響應(yīng)前后顏色變化轉(zhuǎn)換為光譜信息，并獲得相應(yīng)R、G、B（紅、綠、藍(lán)）3個通道的數(shù)值，通過數(shù)據(jù)分析方法和軟件對待分析物質(zhì)進(jìn)行識別檢測和區(qū)分[11]。

2007年，Martinez等[12]將濾紙作為基礎(chǔ)材料，用于制作紙基比色檢測裝置。常用的紙質(zhì)基材包括纖維素濾紙、硝化纖維膜和普通打印紙等，具有多孔性、親水性和潤濕性的特點，同時來源廣泛、成本低廉、制作簡單[13～19]。紙基比色檢測裝置的制作方法主要包括疏水屏障的構(gòu)建和檢測試劑的沉積。首先，通過蠟印法[20]、噴墨打印法[21]、光刻膠刻蝕法[22]、化學(xué)沉積法[23]等方法在紙基上構(gòu)建疏水屏障制作溶液檢測區(qū)域，再用傳統(tǒng)沉積方法，如毛細(xì)管點樣法和移液槍移液的方式，將檢測試劑沉積在紙基上。近年來，噴墨打印和激光打印等新方法也被用于紙基上檢測試劑的沉積，進(jìn)一步提高了紙基比色檢測裝置的制作效率，檢測結(jié)果的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性[24～26]。紙基比色檢測裝置具有檢測準(zhǔn)確性好、選擇性高的優(yōu)點，但對于不同的待測物需要設(shè)計制作不同的紙基檢測裝置，因此存在通用性較差的問題。同時，紙基檢測裝置對于某些化學(xué)結(jié)構(gòu)相近的檢測物無法進(jìn)行識別檢測也是一個問題。紙基比色陣列傳感器結(jié)合了比色陣列傳感器對待分析物快速響應(yīng)、特異性識別的功能，拓展了紙基分析裝置的檢測應(yīng)用范圍和通用性，實現(xiàn)了同一傳感器對多種待分析物及其不同濃度的識別檢測。光化學(xué)比色陣列傳感器中常用的檢測試劑，如商業(yè)化pH指示劑、染料、卟啉和金屬卟啉試劑、氧化還原指示劑等，同樣適用于制作紙基比色陣列傳感器[27]。一些新型傳感材料，如合成熒光探針、納米粒子和共軛聚合物等，也被用于制作紙基比色陣列傳感器，進(jìn)一步擴(kuò)大了檢測的應(yīng)用范圍，提高了靈敏度和準(zhǔn)確性[28，29]。紙基比色陣列傳感器的制作方法與紙基分析裝置大致相同，先用蠟印、光刻膠刻蝕等方法在紙基上構(gòu)建檢測區(qū)域，再將檢測試劑沉積于相應(yīng)的檢測區(qū)域，檢測試劑的沉積方法包括毛細(xì)管移液法、移液槍移液法、噴墨打印法和點蘸壓鑄法等。為了克服紙基上檢測試劑因與待分析物溶液接觸發(fā)生自由擴(kuò)散而導(dǎo)致的傳感單元失效、檢測結(jié)果誤差大等問題，進(jìn)一步提高檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性，固載和富集技術(shù)的應(yīng)用在紙基比色陣列傳感器的制作和組裝中非常重要。本文綜述了近年紙基比色陣列傳感器在生物醫(yī)療、環(huán)境檢測和食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹了其制作方法、檢測原理和性能，并對紙基比色陣列傳感器的研究和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2?紙基比色陣列傳感器的應(yīng)用

2.1??生物醫(yī)學(xué)的診斷與檢測

在生物醫(yī)學(xué)診斷和檢驗中，生物酶、抗癌藥物、植物揮發(fā)性物質(zhì)、生物小分子（如葡萄糖）、尿酸以及興奮劑等是重要的檢測對象[30～32]。

生物體內(nèi)的酶含量是人體正常新陳代謝和疾病早期篩查的重要指標(biāo)，對血清中酶含量的檢測非常重要。相較于傳統(tǒng)酶檢測方法，紙基比色陣列傳感器具有無需大型儀器設(shè)備和專業(yè)人員，檢測快速、結(jié)果直觀、靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點。張慧妍等[33]制作了紙基微孔陣列芯片， 對血清中乳酸脫氫酶（Lactate dehydrogenase， LDH）的濃度進(jìn)行檢測。用光刻膠法對紙基進(jìn)行疏水處理，將吩嗪二甲酯硫酸鹽（Phenazine methosulfate， PMS）與氯化硝基四氮唑藍(lán)（Nitrotetrazolium blue chloride， NBT）組成的顯色體系沉積于相應(yīng)的紙基微孔中，得到3×10紙基微孔比色陣列芯片。LDH催化脫氫反應(yīng)中，PMS結(jié)合氧化型輔酶I（Nicotinamide adenine dinucleotide trihydrate， NAD+）轉(zhuǎn)移的氫后被還原，還原產(chǎn)物與NBT結(jié)合生成藍(lán)紫色甲臜，顯色強(qiáng)度與LDH濃度呈線性關(guān)系，人血清白蛋白（Human serum albumin， HSA）對顯色檢測體系具有增強(qiáng)作用。通過凝膠成像儀和普通照相機(jī)成像兩種方式獲得檢測結(jié)果，檢出限分別為9.44 U/L和12.36 U/L， 該紙基微孔陣列芯片對LDH的檢測具有非常好的選擇性（對胰島素、溶菌酶、HSA、木瓜蛋白酶、葡萄糖、胰蛋白酶、牛血清白蛋白均無響應(yīng)）。在此基礎(chǔ)上，陳熙等[34]基于類似的顯色機(jī)理制作了3×9紙基微陣列，將5-溴-4-氯-3-吲哚磷酸鹽（5-Bromo-4-Chloro-3-Indolyl Phosphate， BCIP）與氯化硝基四氮唑藍(lán)（NBT）組成的顯色體系用于檢測血清中堿性磷酸酶（Alkaline phosphatase， ALP）的濃度，該紙基微孔檢測裝置中HSA同樣具有顯色增強(qiáng)的作用，提高了檢測的靈敏度，并實現(xiàn)了ALP陣列可視化半定量檢測。

Jia等[35]利用蠟印在濾紙上制作出親水檢測區(qū)域，選擇9種商業(yè)化指示劑和染料制作了3×3紙基比色陣列傳感器，并用于尿液中葡萄糖的檢測。與其它紙基比色檢測裝置相比，通過在紙基傳感器上增加校準(zhǔn)點的方式，該紙基比色陣列傳感器可實現(xiàn)對不同手機(jī)在不同光照環(huán)境和拍攝角度下拍攝圖像光信號數(shù)值的自校正，從而提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和該傳感器的實用性，識別和區(qū)分準(zhǔn)確率達(dá)到100%。紙基比色陣列傳感器可對多種待測物進(jìn)行識別和定量檢測的特性，使其在毒品興奮劑的篩查方面具有良好的應(yīng)用前景，有效地降低了檢測成本，縮短了檢測時間。Silva等[36]通過蠟印在濾紙上制作出親水檢測區(qū)域，以酸性、堿性和重水3種溶劑為介質(zhì)，用8種化學(xué)試劑與亞硝酸鈉、苯甲酸鈉、磺胺酸混合后，制作了含有35個傳感單元的紙基比色陣列傳感器，該傳感器可對8種可混入可卡因毒品中的興奮劑（咖啡因、普魯卡因、非那西丁、左旋咪唑、苯佐卡因、利多卡因、氨基比林和對乙酰氨基酚）進(jìn)行識別和定量檢測，檢測過程只需5 min，檢測濃度范圍為1～10 mmol/L，準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

2.2?環(huán)境檢測

近年來，環(huán)境污染問題備受關(guān)注，污染的來源主要是揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile organic compounds， VOCs）和重金屬離子污染，通過農(nóng)產(chǎn)品、水源以及呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體，對人類的健康造成安全隱患。此外，一些VOCs是生物體重要的生物標(biāo)記物，對某些疾病的早期診斷具有重要意義。因此，對環(huán)境中的VOCs（包括有機(jī)溶劑）和重金屬離子等進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測是非常重要的。紙基比色陣列傳感器結(jié)合紙基多孔透氣性和比色陣列特異性識別的性能，克服了傳統(tǒng)檢測方法需要大型儀器和專業(yè)的操作人員，以及操作復(fù)雜的缺點，更具有優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

2.2.1??VOCs的檢測?比色陣列傳感器模擬生物嗅覺系統(tǒng)構(gòu)建多個響應(yīng)傳感單元，可實現(xiàn)多種VOCs的識別檢測，被稱為“電子鼻”[37]。

植物揮發(fā)性物質(zhì)是監(jiān)測植物生長情況的標(biāo)志性物質(zhì)，對植株疾病早期診斷具有重要意義。晚疫病病菌感染番茄和土豆的幼苗葉片后會引起植株死亡，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。Li等[38]將半胱氨酸（L-Cysteine， Cys）修飾的金納米材料用于特異性識別植物葉片感染晚疫病病菌后產(chǎn)生的標(biāo)志性揮發(fā)物質(zhì)（E）-2-己烯醛。結(jié)合另外5種化學(xué)指示劑，用鋼針點蘸壓鑄法在硝化纖維膜上制作了如圖1B所示的紙基比色陣列傳感器。以如圖1A所示的金納米棒檢測原理為例，基于納米粒子聚集引起局部表面等離子共振（Localized surface plasmon resonance， LSPR）變化的原理，首先用置換反應(yīng)將Cys修飾于金納米棒表面，（E）-2-己烯醛作為α，β-不飽和羰基共軛化合物，可與納米棒表面的Cys發(fā)生1，4-邁克加成反應(yīng)，從而引起金納米棒團(tuán)聚，導(dǎo)致顏色變化。手持檢測設(shè)備操作流程如圖1C所示，將透明玻璃瓶采集的植物葉片揮發(fā)物通過3D打印的外加裝置抽吸至裝有紙基比色陣列傳感器的小室內(nèi)，通過拍攝及軟件處理，在1 min內(nèi)得到植物葉片中（E）-2-己烯醛的濃度檢測結(jié)果。該傳感器可快速檢測亞mg/L級濃度的（E）-2-己烯醛，無需復(fù)雜的樣品處理過程和檢測技術(shù)（如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（Polymerase chain reaction， PCR）），檢測結(jié)果的準(zhǔn)確率高達(dá)95%，對植物晚疫病的診斷速度比目視檢查法約快48 h，除（E）-2-己烯醛外，還可對10種植物綠葉揮發(fā)性物質(zhì)和植物激素（如茉莉酸甲酯、水楊酸甲酯等）進(jìn)行識別檢測。

環(huán)境中的VOCs對人體健康造成巨大的威脅，長期暴露于超標(biāo)的VOCs環(huán)境中會導(dǎo)致多種疾病，對其進(jìn)行快速、實時的識別檢測和濃度監(jiān)控非常重要。利用不同檢測試劑與VOCs發(fā)生不同程度的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不同的顏色，紙基比色陣列傳感器不僅能區(qū)分不同的VOCs，同時還能實現(xiàn)定量檢測。由于具有體積小、檢測快速、操作便捷的優(yōu)點，紙基比色陣列傳感器能“實時實地”對VOCs進(jìn)行監(jiān)測，無需專業(yè)實驗室、大型昂貴的儀器設(shè)備和專業(yè)人員。氨氣和其它小分子揮發(fā)氣體（如二氧化碳、硫化氫、二氧化氮等）是環(huán)境中常見有害氣體，也是生物體內(nèi)的信號分子。Chen等[39]用pH指示劑、金屬卟啉試劑和兩種離子對試劑制作了條狀和4×4兩種紙基比色陣列傳感器，分別用于氨氣和二氧化碳的檢測。用疏水硅膠噴霧代替蠟印法處理紙質(zhì)基材，通過掃描儀和相應(yīng)軟件獲得檢測結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了對二氧化碳和氨氣濃度區(qū)分和識別檢測，兩者的檢出限濃度分別為14.7×10?6和17×10?6（V/V）。Soga等[40]制作了含6個傳感單元的條狀紙基比色陣列傳感器，并用于7種伯胺（正甲胺、正乙胺、正丙胺、正丁胺、正戊胺、正己胺和正庚胺）的識別檢測。將對伯胺具有特異性響應(yīng)的偶氮試劑衍生物作為封端試劑，與合成的極性聚合物和非極性聚合物結(jié)合得到兩種具有不同極性的聚合物納米顆粒。再利用噴墨打印的方法將兩種聚合物按比例沉積于紙基上，得到6個具有不同極性的檢測區(qū)域，與因碳鏈長度不同而具有不同極性的伯胺結(jié)合時，偶氮化合物中三氟乙酰基轉(zhuǎn)化為半胺醛，減弱了π電子的受體能力，導(dǎo)致其吸收光譜發(fā)生藍(lán)移，傳感區(qū)域由橙色變?yōu)辄S色。該紙基比色陣列傳感器利用噴墨打印技術(shù)實現(xiàn)了檢測試劑沉積比例的精確控制，提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性，對同類伯胺具有非常好的區(qū)分和識別能力，同時，該紙基陣列傳感器對伯胺的識別檢測結(jié)果不受環(huán)境濕度的影響。Nguyen等[41]選擇了7種酸堿指示范圍為pH 3.0～8.8的pH指示劑制作了紙基比色陣列傳感器，利用不同pH指示劑對堿性不同的乙醇胺、二甲胺和三甲胺的顏色變化，在手機(jī)攝像頭和相應(yīng)軟件的輔助下，可對百萬分之一比例的3種揮發(fā)性有機(jī)胺及其混合氣體進(jìn)行區(qū)分識別，具有準(zhǔn)確性高、選擇性好的優(yōu)點，該紙基比色陣列傳感器成功用于水生沉積物中揮發(fā)性有機(jī)胺的檢測，加標(biāo)回收率為94.8%～108.7%，重現(xiàn)性良好。

聚合物材料由于具有良好的化學(xué)耐腐蝕性和溶致變色的特性，被用于紙基比色陣列傳感器，并進(jìn)行有機(jī)揮發(fā)性氣體檢測。檢測試劑由于表面張力和黏度不同，在紙質(zhì)基材沉積時滲透和擴(kuò)散效果也不同，因此存在沉積傳感單元點的大小不均、相互堆疊的問題。Patil等[42]用具有化學(xué)惰性的全氟烷氧基（Perfluoroalkoxy，PFA）納米顆粒對濾紙紙基進(jìn)行了浸漬涂覆，得到的紙基具有均勻沉積指示劑溶液和在不同溫度下抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿腐蝕的特性，再將pH指示劑、氧化還原染料、金屬卟啉試劑、金屬鹽和親核染料等沉積于該紙基上，制作了2×10紙基比色陣列傳感器，成功檢測了4種腐蝕性工業(yè)毒性氣體H2S、NO2、NH3和SO2。其中，加入助溶劑丙酮引起的PFA納米顆粒溶脹聚集和相互連接的孔隙提高了基材的比表面積、耐化學(xué)腐蝕性和傳感單元中生色團(tuán)與氣體的結(jié)合效率，從而提高了紙基比色陣列傳感器的檢測能力和靈敏度。聚二乙炔（Polydiacetylene，PDA）是一類具有獨特?zé)晒馓匦缘墓曹椌酆衔铮涔曹椊Y(jié)構(gòu)對外界環(huán)境變化，如溫度、機(jī)械力、受體-配體相互作用和溶劑極性的變化產(chǎn)生響應(yīng)，顏色從藍(lán)色變?yōu)榧t色[43]。乙二炔單體在紫外燈照射下即可發(fā)生聚合反應(yīng)生成共軛聚合物，由于其側(cè)鏈容易進(jìn)行化學(xué)修飾，通過改變側(cè)鏈基團(tuán)便能得到具有不同物理化學(xué)性質(zhì)的共軛聚合物[44]。利用聚乙二炔的高靈敏響應(yīng)及聚合方法簡單的優(yōu)勢，研究者將其應(yīng)用于紙基比色陣列傳感器中有機(jī)揮發(fā)性物質(zhì)的檢測。PDA的溶致變色特性使其對揮發(fā)性有機(jī)溶劑（如烷烴、環(huán)烷烴、甲苯、鄰二甲苯、苯、醚類、二氯甲烷、醇類、四氫呋喃、氯仿、揮發(fā)性酯類、丙酮、揮發(fā)性腈類、二甲基甲酰胺和二甲基亞砜等）具有非常好的識別檢測能力。Eaidkong等[45]合成了8種不同兩親性的乙二炔單體，利用254 nm紫外光引發(fā)聚合反應(yīng)，得到8種PDA聚合物，其中3種PDA聚合物因具有更好的檢測重現(xiàn)性和靈敏度，被用于制作可識別區(qū)分18種揮發(fā)性有機(jī)物的紙基比色陣列傳感器， 2種PDA聚合物被選擇制作成紙基比色陣列傳感器，并用于對汽車燃料（如汽油、乙醇汽油和柴油）的識別區(qū)分，準(zhǔn)確率均達(dá)到100%。Park等[46]合成了4種不同的乙二炔單體，通過噴墨打印和紫外光照射，制作了2×2紙基比色陣列傳感器（圖2A），并對11種有機(jī)溶劑進(jìn)行識別檢測，通過編制相應(yīng)的程序?qū)z測結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)計算，該紙基比色陣列在實際檢測中具有良好的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。

其它新型材料和陣列分析方法也被應(yīng)用于制作檢測VOCs的紙基比色陣列傳感器。Jarangdet等[47]通過縮合反應(yīng)合成了3種水楊醛衍生物，并作為熒光探針，制作了含3個傳感單元的條狀紙基比色陣列傳感器，在365 nm紫外光下，對15種VOCs進(jìn)行了檢測和識別，準(zhǔn)確率達(dá)到100%。Bordbar等[48]使用不同的配體分別合成了8種金納米粒子和8種銀納米粒子，制作了4×4紙基比色陣列傳感器。如圖2B所示，該紙基比色陣列傳感器對9類化合物（如酚、醇、酮、醛、胺、酸、酯、芳烴和烴）中共45種VOCs的識別檢測具有高準(zhǔn)確性和靈敏度，檢出限低于10 ppb。在實際應(yīng)用中，結(jié)合多變量校準(zhǔn)方法，該紙基比色陣列傳感器可用于復(fù)雜混合物中代謝物的定量分析，校準(zhǔn)均方根誤差和預(yù)測均方根誤差以及相關(guān)系數(shù)均大于0.9。Chen等[49]用化學(xué)反應(yīng)試劑和導(dǎo)電納米材料制作了紙基光電陣列傳感器，用于對甲醇、氨、甲苯、丙酮和乙醇及其不同體積比的混合VOCs的識別檢測，通過化學(xué)電阻和紙基比色陣列的組合進(jìn)一步提高了檢測的選擇性、準(zhǔn)確性和響應(yīng)穩(wěn)定性，使紙基傳感器的檢測錯誤率降至0%。

2.2.2?重金屬離子的檢測?重金屬離子含量超標(biāo)是中最嚴(yán)重的水體污染之一。傳統(tǒng)的檢測方法，如原子吸收/發(fā)射光譜法[50]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[51]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等[52]，均需要昂貴的大型儀器、復(fù)雜的樣品前處理過程和專業(yè)的操作人員，無法滿足現(xiàn)場快速檢測和分析的要求。紙基比色陣列傳感器具有小型便攜、指示劑用量少、成本低廉、能進(jìn)行快速識別、操作方便等優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)檢測分析方法的缺點。

紙基比色陣列傳感器通過組合多種對重金屬離子絡(luò)合后產(chǎn)生顏色變化的指示劑和染料，可實現(xiàn)對水體中不同重金屬離子的識別。但是， 水體中重金屬離子的檢測存在兩個問題：（1）由于檢測的水溶液造成的檢測試劑溶出和擴(kuò)散暈染的現(xiàn)象; （2）重金屬離子濃度為痕量級別，檢測結(jié)果具有誤差較大、重現(xiàn)性差的問題。因此，檢測試劑在紙基上的固載和重金屬離子在紙基上的富集對于提高紙基比色陣列傳感器檢測的準(zhǔn)確性和靈敏度非常重要。Feng等[53]將溶膠凝膠體系引入紙基比色陣列傳感器，利用溶膠凝膠與重金屬離子檢測試劑的物理相互作用將檢測試劑固載于紙基上，通過過濾的方式實現(xiàn)了對污水中8種痕量重金屬離子的富集和識別檢測，提高了靈敏度、準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。該紙基比色陣列傳感器基于不同水/醇比例溶解的二氧化硅前體在酸催化下發(fā)生水解，利用水解和縮合反應(yīng)同時發(fā)生時產(chǎn)生的大量羥基提高了含有N、O、S元素的重金屬離子檢測試劑在溶膠凝膠體系中的溶解度和分散度，將絡(luò)合指示劑修飾的BODDIPY熒光探針制備的硅氧烷溶膠凝膠沉積于濾紙上， 構(gòu)建了3×3紙基比色陣列傳感器，經(jīng)過常溫氮氣氛圍老化后即可形成致密膜。溶膠凝膠體系對指示劑的固載克服了過濾過程中檢測試劑的擴(kuò)散和溶出，在外加泵或紙張毛細(xì)作用力下，實現(xiàn)了在致密膜內(nèi)對待測重金屬離子的富集和痕量檢測，成功對8種重金屬離子（Hg2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Ag+）進(jìn)行了識別檢測，金屬離子濃度的檢出限低至μmol/L 級。

除了硅氧烷固載體系外，Zhang等[54]將聚合物溶膠凝膠體系引入紙基比色陣列傳感器中，制作了3×3 紙基比色陣列傳感器。如圖3所示，將與重金屬離子絡(luò)合能力更強(qiáng)的吡啶偶氮試劑和雜環(huán)偶氮試劑分散于聚合物溶膠凝膠體系中，通過1 μL毛細(xì)管將指示劑溶膠凝膠溶液沉積于事先預(yù)留的親水檢測區(qū)， 并于常溫氮氣氛圍下干燥后，檢測試劑被包覆固載于紙纖維表面。吡啶偶氮試劑和雜環(huán)偶氮試劑因含有強(qiáng)電子給體（NN， ?OH）而對重金屬離子具有更強(qiáng)的螯合作用，加上聚合物體系的固載作用，實現(xiàn)了重金屬離子在紙基上的過濾富集，成功識別檢測了污水中8種重金屬離子。與其它紙基檢測分析裝置相比，該紙基比色陣列傳感器尺寸更小，靈敏度更高， 可檢測痕量重金屬離子。Idros等[55]以3種指示劑為基礎(chǔ)制作了多維紙基比色陣列傳感器，可識別檢測6種重金屬離子，通過24補(bǔ)丁色彩檢查器對檢測結(jié)果進(jìn)行多維顏色校準(zhǔn)，提高了檢測靈敏度和準(zhǔn)確性，同時實現(xiàn)了對3種金屬離子（Cu2+、Fe3+、Cr3+）在不同混合比例下的分析檢測。

2.3?食品安全

近年來，食品安全問題逐步引起廣泛關(guān)注， 因此快速檢測技術(shù)對保障食品質(zhì)量和安全非常重要[56]。

2.3.1?食品質(zhì)量檢測?食品質(zhì)量是食品安全的重要部分，包括食品的營養(yǎng)成分含量、儲存及新鮮程度和重金屬離子污染等問題，對食品質(zhì)量便捷、快速檢測的需求也越來越大[57]。相較于專業(yè)機(jī)構(gòu)提供的檢測結(jié)果，紙基比色陣列傳感器由于無需復(fù)雜的儀器設(shè)備、響應(yīng)迅速，從而降低了檢測成本， 并縮短了檢測時間，可實時提供快速的檢測方法和可靠的檢測結(jié)果。Park等[58]將金屬無機(jī)鹽、陽離子螯合劑、金屬卟啉試劑、pH指示劑和氧化還原指示劑（苯二胺衍生物）等配制成24種檢測試劑，制作了環(huán)狀紙基比色陣列傳感器，用于檢測茶葉中8種抗氧化活性物質(zhì)和區(qū)分4種茶葉浸出液。通過使用新配比光刻膠材料增強(qiáng)了疏水通道對有機(jī)溶劑的耐受性，同時采用增塑劑和聚苯乙烯混合體系將24種檢測試劑分別固載于檢測區(qū)，實現(xiàn)了對醇/水提取溶液中抗氧化活性物質(zhì)和4種茶葉提取液的定性分析。根據(jù)部分指示劑對待分析物的線性響應(yīng)，該紙基比色陣列傳感器還能實現(xiàn)半定量分析，總體靈敏度和特異性達(dá)到98.5%和99.9%。Popa等[59]將金屬納米氧化物（Al2O3、ZnO、MgO、CeO2、TiO2和MoO3）通過浸漬法沉積于濾紙上制作比色陣列傳感器，利用其與藥茶中天然多酚化合物反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化， 對咖啡酸、沒食子酸、鞣花酸、迷迭香酸和槲皮素進(jìn)行了識別檢測。

食品的新鮮度是其食用安全性的保障和參考標(biāo)準(zhǔn)之一，動物性食品在生產(chǎn)、運輸和銷售過程中可能會腐敗，產(chǎn)生揮發(fā)性醇類和氨類物質(zhì)，對這些揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行檢測， 可實時監(jiān)控食品的新鮮度和食用安全性[60]。Chen等[61]基于pH指示劑對肉類破損后酸度改變以及醇類揮發(fā)物質(zhì)的顏色變化指示作用，以及金屬卟啉試劑對肉類腐敗過程中的標(biāo)志性揮發(fā)性氣體氨的檢測， 制作了二維碼型紙基比色陣列傳感器，通過手機(jī)攝像頭實現(xiàn)了不同儲存溫度和時間下雞肉新鮮度和食用安全性的檢測。水產(chǎn)食品安全問題主要來源于水體重金屬離子的污染累積，對水產(chǎn)食品中重金屬離子濃度的檢測至關(guān)重要。Han等[62]通過篩選吡啶偶氮試劑和卟啉試劑，選擇9種檢測試劑，制作了3×3紙基比色陣列傳感器， 用于魚肉中重金屬離子Pb2+，Cd2+和Hg2+的識別檢測，并通過偏最小二乘回歸（Partial least square regression， PLS）和極限學(xué)習(xí)機(jī)（Extreme learning machine， ELM）的數(shù)據(jù)分析法建立了重金屬離子的定量預(yù)測模型，在實際樣品分析中具有良好的應(yīng)用前景。

2.3.2??食源性致病霉菌毒素檢測?食源性病原體污染的主要來源是食品變質(zhì)過程中細(xì)菌和真菌增殖和釋放的霉菌毒素，誤食會引發(fā)多種疾病，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致死亡，因此對食品中霉菌毒素的檢測非常重要。Sheini等[63]用咖啡酸、多巴胺和聚乙烯吡咯烷酮分別制備了3種金納米粒子和3種銀納米粒子，并將它們制作成環(huán)狀紙基比色陣列傳感器?；诮?銀納米粒子與待分析物之間因分子間相互作用（如范德華力或氫鍵）結(jié)合引起聚集后顏色改變的原理（由紫色或黃色變?yōu)樽厣摷埢壬嚵袀鞲衅鲗崿F(xiàn)了黃曲霉毒素B1、黃曲霉毒素G1、黃曲霉毒素M1、赭曲霉毒素A和玉米赤霉烯酮的定性和定量檢測，可區(qū)分霉菌毒素的來源菌種（曲霉、鐮刀菌和青霉），準(zhǔn)確率達(dá)到100%，對5種霉菌毒素的檢測限分別為2.7、7.3、2.1、3.3和7.0 ng/mL。該紙基比色陣列傳感器還成功用于開心果、小麥和咖啡實際樣品中霉菌毒素含量的檢測，檢測結(jié)果與高效液相色譜分析結(jié)果一致。

2.3.3?飲用水安全的檢測?飲用水安全也是食品安全的重要部分，一些有機(jī)小分子（如鄰苯二酚類化合物）水溶性良好，在低濃度時即可對人體健康造成威脅。Wang等[64]用苯基硼酸分別與4種pH指示劑混合制備4種檢測試劑，并制作了如圖4所示2×2紙基比色陣列傳感器。對水中不同濃度的7種鄰苯二酚類化合物（鄰苯二酚、4-甲基鄰苯二酚、1，2，4-苯三酚、3，4-二羥基苯甲醛、鹽酸多巴胺、3-氟鄰苯二酚和3，4-二羥基苯甲酸）分別進(jìn)行識別檢測。利用苯基硼酸與不同鄰苯二酚類化合物的羥基絡(luò)合后pKa值減小導(dǎo)致檢測區(qū)酸性增加的原理，使pH指示劑產(chǎn)生不同的顏色變化， 從而獲得相應(yīng)的“指紋圖譜”，通過手機(jī)攝像頭和遠(yuǎn)程服務(wù)器即可完成現(xiàn)場實時定性與定量分析，線性檢測范圍為5～125 mmol/L，準(zhǔn)確率達(dá)到100%，為實時檢測未知水樣、保障飲用水安全提供了新方法。

3?結(jié) 語

以紙基為材料的比色陣列傳感器同時結(jié)合了紙基分析裝置和比色陣列傳感器的優(yōu)勢，具有無需昂貴的大型儀器設(shè)備、無需專業(yè)操作人員、成本低廉、制作過程簡單、分析檢測通用性強(qiáng)、檢測靈敏度和準(zhǔn)確性高等優(yōu)點。隨著比色陣列制作技術(shù)的不斷完善，紙基比色陣列傳感器還將進(jìn)一步微型化、商品化、檢測功能多樣化，檢測通量也會進(jìn)一步擴(kuò)大，以滿足人們在實際生活生產(chǎn)中的需要。同時，實現(xiàn)紙基比色陣列傳感器對待分析物的定量檢測也是其發(fā)展趨勢之一。 隨著近年不斷發(fā)展的遠(yuǎn)程服務(wù)器建立和大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)，紙基比色陣列傳感器的檢測儀器和設(shè)備越來越小型化、便攜化，甚至僅需一臺智能手機(jī)便可完成相應(yīng)的檢測?？梢灶A(yù)見，隨著紙基比色陣列傳感器和其檢測設(shè)備的不斷改進(jìn)和完善，在醫(yī)療快速診斷治療、環(huán)境污染防治和食品安全檢測領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。

References

1?Cattral R W. Chemical Sensors， Oxford University Press， Oxford， 1997

2?Anzenbacher J P， Lubal P， Bucek P， Palacios M A， Kozelkova M E. Chem. Soc. Rev.， ?2010， ?39（10）： 3954-3979

3?Collins B E， Wright A T， Anslyn E V. Combining Molecular Recognition， Optical Detection， and Chemometric Analysis， Springer-Verlag Berlin Heidelberg， ?2007， 277： 181-218

4?Rakow N A， Suslick K S. Nature， ?2000， ?406（6797）： 710-713

5?JIA Ming-Yan， FENG Liang. Chinese J. Anal. Chem.， ?2013， ?41（5）： 795-802

賈明艷， 馮 亮. 分析化學(xué)， ?2013， ?41（5）： 795-802

6?Li Z， Suslick K S. Anal. Chem.， ?2018， ?91（1）： 797-802

7?Bigdeli A， Ghasemi F， Golmohammadi H， Abbasi-Moayed S， Nejad M A F， Fahimi-Kashani N， Jafarinejad S， Shahrajabian M， Hormozi-Nezhad M R. Nanoscale， ?2017， ?9（43）： 16546-16563

8?Janzen M C， Ponder J B， Bailey D P， Ingison C K， Suslick K S. Anal. Chem.， ?2006， ?78（11）： 3591-3600

9?Li M， Liu K， Wang L， Liu J， Miao R， Fang Y. Anal. Chem.， ?2019， ?92（1）： 1068-1073

10?Li Z， Zhang S W， Yu T， Dai Z M， Wei S Q. Anal. Chem.， ?2019， ?91（16）： 10448-10457

11?Kangas M J， Wilson C L， Burks R M， Atwater J， Lukowicz R M， Garver B， Mayer M， Havenridge S， Holmes A E. Int. J. Chem.， ?2018， ?10（2）： 36

12?Martinez A W， Phillips S T， Butte M J， Whitesides G M. Angew. Chem. Int. Ed.， ?2007， ?46（8）： 1318-1320

13?Xu Y， Liu M， Kong N， Liu J. Microchim. Acta， ?2016， ?183（5）： 1521-1542

14?Ellerbee A K， Phillips S T， Siegel A C， Mirica K A， Martinez A W， Striehl P， Jain N， Prentiss M， Whitesides G M. Anal. Chem.， ?2009， ?81（20）： 8447-8452

15?Cate D M， Adkins J A， Mettakoonpitak J， Henry C S. Anal. Chem.， ?2015， ?87（1）： 19-41

16?Yetisen A K， Akram M S， Lowe C R. Lab Chip， ?2013， ?13（12）： 2210-2251

17?Meredith N A， Quinn C， Cate D M， Reilly T H，Volckens J， Henry C S. Analyst， ?2016， ?141（6）： 1874-1887

18?Liu H， Cooks R M. J. Am. Chem. Soc.， ?2011， ?133（44）： 17564-17566

19?Gao B B， Liu H， Gu Z Z. Anal. Chem.， ?2016， ?88（10）： 5424-5429

20?Ueland M， Blanes L， Taudte R V， Stuart B H， Cole N， Willis P， Roux C， Doble P. J. Chromatogr. A， ?2016， ?1436： 28-33

21?Xu C， Cai L， Zhong M， Zheng S. RSC Adv.， ?2015， ?5（7）： 4770-4773

22?Martinez A W， Phillips S T， Wiley B J， Gupta M， Whitesides G M. Lab Chip， ?2012， ?8（12）： 2146-2150

23?Demirel G， Babur E. Analyst， ?2014， ?139（10）： 2326-2331

24?Salles M O， Meloni G N， de Araujo W R， Paixo T R L C D. Anal. Methods， ?2014， ?6（7）： 2047-2052

25?Kangas M J， Lukowicz R， Atwater J， Pliego A， Al-Shdifat Y， Havenridge S， Burks R， Garver B， Mayer M， Holmes A E. Anal. Chem.， ?2018， ?90（16）： 9990-9996

26?Huang G W， Li N， Xiao H M， Feng Q P， Fu S Y. Nanoscale， ?2017， ?9（27）： 9598-9605

27?Li Z， Askim J R， Suslick K S. Chem. Rev.， ?2018， ?119（1）： 231-292

28?Mujawar L H， El-Shahawi M S. Microchem. J.， ?2019， ?146： 434-443

29?Pumtang S， Siripornnoppakhun W， Sukwattanasinitt M， Ajavakom A. J. Colloid Interf. Sci.， ?2011， ?364（2）： 366-372

30?LIU Wei-Ping， LIN Jin-Qiong， DU Yan， QI Ming-Yue， LIANG Guang-Tie， YANG Na， LIU Da-Yu. Chinese J. Anal. Chem.， ?2016， ?44（4）： 579-585

劉未平， 林錦瓊， 杜 燕， 齊明月， 梁廣鐵， 楊 娜， 劉大漁. 分析化學(xué)， ?2016， ?44（4）： 579-585

31?Rahimi R， Ochoa M， Parupudi T， Zhao X， Yazdi I K， Dokmeci M R， Tamayol A， Khademhoddeini A， Ziaie B. Sens. Actuators B， ?2016， ?229： 609-617

32?Mohammadifar M， Choi S. A Portable and Visual Electrobiochemical Sensor for Lactate Monitoring in Sweat， IEEE International Conference on Nano-Molecular Medicine and Engineering （IEEE-?NANOMED）， IEEE， ?2018： ?73-77

33?ZHANG Hui-Yan， ZHANG Zhen， JI Xing-Hu， HE Zhi-Ke. Chinese J. Anal. Chem.， ?2014， ?42（9）： 1276-1280

張慧妍， 張 珍， 吉邢虎， 何治柯. ?分析化學(xué)， ?2014， ?42（9）： 1276-1280

34?CHEN Xi， CHEN Jin， ZHANG Hui-Yan， WANG Fu-Bing， WANG Fang-Fang， JI Xing-Hu， HE Zhi-Ke. Chinese J. Anal. Chem.， ?2016， ?44（4）： 591-596

陳 熙， 陳 錦， 張慧妍， 王付兵， 王方方， 吉邢虎， 何治柯. 分析化學(xué)， 2016， 44（4）： 591-596

35?Jia M Y， Wu Q S， Li H， Zhang Y， Guan Y F， Feng L. Biosens. Bioelectron.， ?2015， ?74： 1029-1037

36?Silva T G， Paixo T R L C. Development of a Colorimetric Array to Discriminate Cutting Agents in Seized Cocaine Samples， IEEE International Symposium on Olfaction and Electronic Nose （ISOEN）， IEEE， ?2019： ?1-3

37?Kangas M J， Burks R M， Atwater J， Lukowicz R M， Holmes A E. Crit. Rev. Anal. Chem.， ?2016， ?47（2）： 138-153

38?Li Z， Paul R， Tis T B， Saville A C， Hansel J C， Yu T， Ristaino J B， Wei Q S. Nat. Plants， ?2019， ?5（8）： 856-866

39?Chen Y， Zilberman Y， Mostafalu P， Sonkusale S R. Biosens. Bioelectron.， ?2015， 67： ?477-484

40?Soga T， Jimbo Y， Suzuki K， Citterio D. Anal. Chem.， ?2013， ?85（19）： 8973-8978

41?Nguyen T T T， Huy B T， Lee Y I. ACS Omega， ?2019， ?4（7）： 12665-12670

42?Patil V S， Lee M G， Yun J， Lee J S， Lim S H， Yi G R. Langmuir， ?2018， ?34（43）： 13014-13024

43?Dolai S， Bhunia S K， Beglaryan S S， Kolusheva S， Zeiri L， Jelinek R. ACS Appl. Mater. Interfaces， ?2017， ?9（3）： 2891-2898

44?Yoon J， Chae S K， Kim J M. J. Am. Chem. Soc.， ?2007， ?129（11）： 3038-3039

45?Eaidkong T， Mungkarndee R， Phollookin C， Tumcharern G， Sukwattanasinitt M， Wacharasindhu S. J. Mater. Chem.， ?2012， ?22（13）： 5970-5977

46?Park D H， Heo J M， Jeong W， Yoo Y H， Park B J， Kim J M. ACS Appl. Mater. Interfaces， ?2018， ?10（5）： 5014-5021

47?Jarangdet T， Pratumyot K， Srikittiwanna K， Dungchai W， Mingvanish W， Techakriengkrai I， Sukwattanasinitt M， Niamnont N. Dyes Pigm.， ?2018， ?159： 378-383

48?Bordbar M M， Tashkhourian J， Hemmateenejad B. ACS Sens.， ?2019， ?4（5）： 1442-1451

49?Chen Y， Owyeung R E， Sonkusale S R. Anal. Chim. Acta， ?2018， ?1034： 128-136

50?Pohl P. TrAC-Trends Anal. Chem.， ?2009， ?28： 117-228

51?Butcher D J. Instrum. Sci. Technol.， ?2010， ?38（6）： 458-469

52?Ioannidou M D， Zachariadis G A， Anthemidis A N， Stratis J A. Talanta， ?2005， ?65（1）： 92-97

53?Feng L， Li H， Niu L Y， Guan Y S， Duan C F， Guan Y F， Tung C H， Yang Q Z. Talanta， ?2013， ?108： 103-108

54?Zhang Y， Li X， Li H， Song M， Feng L， Guan Y F. Analyst， ?2014， ?139（19）： 4887-4893

55?Idros N， Chu D. ACS Sens.， ?2018， ?3（9）： 1756-1764

56?Sun H， Jia Y， Dong H， Fan L， Zheng J. Anal. Chim. Acta， ?2018， ?1044： 110-118

57?Huang X W， Zou X B， Shi J Y， Li Z H， Zhao J W. Trends Food Sci. Tech.， ?2018， ?81： 90-107

58?Park S H， Maruniak A， Kim J， Yi G R， Lim S H. Talanta， ?2016， ?153： 163-169

59?Popa C V， Vasilescu A， Litescu S C， Albu C， Danet A F. Anal. Lett.， ?2020， ?53（4）： 627-645

60?Lee K， Park H， Baek S， Han S， Kim D， Chung S， Yoon J K， Seo J. Food Packaging. Shelf.， ?2019， ?22： 100408

61?Chen Y， Fu G Q， Zilberman Y， Ruan W， Ameri S K， Zhang Y S， Miller E， Sonkusale S R. Food Control， ?2017， ?82： 227-232

62?Han F K， Huang X Y， Teye E. J. Food Process Eng.， ?2019， ?42（2）： 627-645

63?Sheini A. Microchim. Acta， ?2020， ?187： 167

64?Wang Y， Li Y Y， Liu Y， Han J， Xia J， Bao X， Ni L， Tang X. RSC Adv.， ?2016， ?6（84）： 80885-80895