基于紙基平臺(tái)的食品安全快速檢測(cè)方法研究進(jìn)展

齊驥　范鑫霞　鄧冬梅　何海波　羅立強(qiáng)

摘 要 食品安全是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展最重要的問(wèn)題之一，隨著食品種類(lèi)的豐富和發(fā)展，快速即時(shí)、低成本、便捷化的食品安全檢測(cè)方法日益受到關(guān)注。紙基分析方法具有低成本和簡(jiǎn)便化分析特點(diǎn)，經(jīng)歷了從試紙到微流控紙芯片的快速發(fā)展過(guò)程。以紙基材料結(jié)合各種分析方法形成的紙基分析裝置，在食品快速檢測(cè)方面顯示出了良好的應(yīng)用前景。本文首先介紹了紙基材料表面的功能化改性，綜述了比色分析、熒光分析、電化學(xué)分析、表面增強(qiáng)拉曼分析等及其聯(lián)用技術(shù)與紙基平臺(tái)結(jié)合構(gòu)建的分析方法在食品安全快速檢測(cè)中研究和應(yīng)用進(jìn)展，最后討論了其在食品安全快速分析檢測(cè)中面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 紙基分析裝置; 食品安全; 快速檢測(cè); 比色分析; 熒光分析; 表面增強(qiáng)拉曼散射分析; 電化學(xué)分析; 評(píng)述

1 引 言

食用安全的食品是人類(lèi)保持健康的基本需要，食品安全和質(zhì)量一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1，2]。根據(jù)來(lái)源和性質(zhì)，影響食品安全的因素可分為以下幾類(lèi)：自食物原料本身的毒素，如霉菌、植物和海洋藻類(lèi); 環(huán)境污染物，如重金屬離子、持久性有機(jī)污染物; 濫用的或未經(jīng)批準(zhǔn)的食品添加劑; 加工過(guò)程中的工業(yè)中間體; 農(nóng)藥殘留; 獸用藥品; 食物過(guò)敏原，如堅(jiān)果成分、乳糖成分; 食源性致病菌等[3]。因此，有必要發(fā)展靈敏、高效的食品安全與檢測(cè)技術(shù)以準(zhǔn)確評(píng)估食物產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)階段潛在的有害因素[4]。目前，食品中有害物質(zhì)的分析方法主要包括氣相色譜法[5]、高效液相色譜法[6，7]、質(zhì)譜法[8，9]、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[10～12]和免疫試劑盒測(cè)定法[13]等。因此，為滿(mǎn)足快速篩查大量食品的需求， 尤其是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程難以監(jiān)管的進(jìn)口食品的分析、難以利用大型儀器設(shè)備的日常檢測(cè)等，發(fā)展用于食品快速分析的傳感器和裝置顯得尤為重要[14]。紙基分析平臺(tái)由于具有快速高效、易于使用、低成本的特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注[15]。

從19世紀(jì)近似測(cè)量pH值的石蕊試紙問(wèn)世，到2007年Whitesides團(tuán)隊(duì)首次提出微流控紙芯片概念，紙基分析平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展出了橫向?qū)游鍪?、二維紙芯片、三維紙芯片等多種形式。紙芯片的發(fā)展歷程也是分析技術(shù)融合于紙基平臺(tái)的發(fā)展歷程[16～18]。對(duì)于食品安全快速分析，紙基分析平臺(tái)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：紙廉價(jià)易得; 紙纖維具有良好的生物相容性，無(wú)毒、可降解; 紙可以通過(guò)毛細(xì)作用使液體矢量流動(dòng)，而不需要提供額外動(dòng)力; 紙的可塑造性強(qiáng)，由于紙纖維表面含有大量羥基和少量羧基，紙表面容易進(jìn)行化學(xué)改性; 紙容易加工，進(jìn)行切割、折疊、堆疊等; 檢測(cè)背景低，有利于光度法檢測(cè); 紙綠色環(huán)?？山到獾萚19]?；诩埢脚_(tái)的諸多優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的分析方法可以在紙基平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，發(fā)展與各種儀器設(shè)備以及個(gè)人電子用品（例如智能手機(jī)）聯(lián)用的微流控紙芯片分析傳感方法已成為目前的研究發(fā)展趨勢(shì)[20，21]。同時(shí)，紙基分析平臺(tái)在食品安全快速檢測(cè)領(lǐng)域展示出強(qiáng)大的發(fā)展活力和應(yīng)用前景[22，23]。本文主要綜述了用于食品安全快速檢測(cè)的比色分析、熒光分析、電化學(xué)分析、表面增強(qiáng)拉曼（Surface enhanced Raman scattering， SERS）分析等方法及其聯(lián)用技術(shù)在紙基平臺(tái)上的構(gòu)建與應(yīng)用的研究進(jìn)展，并展望了其在食品安全快速分析檢測(cè)中的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)。

2 紙基表面功能化改性

紙基表面功能化改性是構(gòu)建紙基平臺(tái)分析方法的基礎(chǔ)。紙的種類(lèi)的選擇是紙芯片制作的關(guān)鍵，目前使用最為廣泛的是含有98% α-纖維素的Whatman No.1濾紙，其表面光滑均勻，流體在其內(nèi)部流速合適，顆粒保留效果好。除濾紙外，硝化纖維紙、蠟光紙、玻璃纖維紙和棉纖維紙也常被采用[24]。

最常用的纖維素紙的主要組成為通過(guò)縮醛鍵和長(zhǎng)鏈β-1，4-葡糖糖連接形成的（1→4）-β-D-吡喃葡萄糖的均聚物，具有多糖結(jié)構(gòu)[15]。纖維素紙含有羥基，帶負(fù)電荷，通常只能吸附陽(yáng)離子和帶正電荷的分子，但生物分子的修飾固定需要更高表面密度的負(fù)電荷，而在紙基修飾表面帶負(fù)電荷的納米顆粒，則需要在基質(zhì)表面使用交聯(lián)劑或添加表面涂層[25，26]。為了使功能分子和粒子固定在紙上，研究者開(kāi)發(fā)了一些紙纖維表面改性方法。

2.1 靜電吸附法

這種方法利用靜電引力和范德華力將材料吸附在紙上，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)[27]。將含有傳感材料的溶液浸泡或直接刷涂在紙上，干燥后，即可獲得所需的涂層[28，29]。

2.2 共價(jià)鍵修飾法

纖維素紙上的官能團(tuán)包括羥基和纖維素環(huán)的還原端，可以進(jìn)行化學(xué)修飾，從而引入更多活性基團(tuán)。羥基是容易反應(yīng)利用的基團(tuán)，這些羥基的可用性和反應(yīng)活性取決于與之相連的碳的位置。根據(jù)羥基參與分子內(nèi)氫鍵的情況，C3位的OH基團(tuán)活性最低，而C2和C6位的OH基團(tuán)活性最強(qiáng)[30]。通過(guò)共價(jià)鍵可以使傳感材料地與紙基表面穩(wěn)固結(jié)合，但修飾過(guò)程通常需要多個(gè)步驟，可能破壞紙的強(qiáng)度性能。為了固定傳感材料，目前已經(jīng)發(fā)展了多種化學(xué)改性方法。紙可以被氧化生成羰基或羧基，然后與帶有氨基的分子（如蛋白質(zhì)或DNA）共價(jià)結(jié)合。NaBr、NaClO和2，2，6，6-四甲基哌啶-1-基氧自由基可使C6處的羥基基團(tuán)氧化，形成羧基，這些處理方法已被用于酶的固定[31]。另一種方法不需要氧化產(chǎn)生羧基，而是通過(guò)纖維素羥基的醚化，先用NaOH激活OH基團(tuán)，然后與一氯乙酸反應(yīng)，進(jìn)一步制備氟-2-硝基-4-疊氮苯功能化的光反應(yīng)紙，用于蛋白質(zhì)的固定[32]。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以附著不同的生物分子，而無(wú)需考慮其官能團(tuán)。還有其它可以活化紙基表面的氧化方法，如利用甲基丙烯酸縮水甘油酯反應(yīng)生成環(huán)氧基的方法[33]。生物分子的生物親和性也可用于紙的功能化，因?yàn)楹芏嗟鞍踪|(zhì)具有纖維素結(jié)合域。此外，纖維素紙可以通過(guò)羧基酯化羥基后進(jìn)行修飾，通過(guò)這種方法可以在紙上固定偶氮染料[34]。在H3PO4或H2SO4等強(qiáng)酸存在的條件下，可以用HNO3將陽(yáng)離子硝化纖維素紙羥基酯化[26]。此外，可以在紙上修飾可提高分子結(jié)合效率的陽(yáng)離子聚合物，如聚酰胺-環(huán)氧氯丙烷和聚乙烯醇[35]。

2.3 包埋法

生物活性紙的制作可以通過(guò)溶膠-凝膠法將生物分子包埋在一些特定基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)。首先用噴墨打印的方法在紙上噴涂載有材料的溶膠-凝膠，然后在溶膠-凝膠中形成二氧化硅的底物層，最后通過(guò)硅層作為媒介將材料附著在紙纖維上[36]。此外，還可用溶膠-凝膠法制成二氧化硅包裹的活性酶和金納米粒子，并在此溶膠-凝膠溶液中浸泡紙，從而形成修飾層[37]。Wang等[38]在聚合物（聚精氨酸）和二氧化硅層之間包埋一種酶，多層的包埋可以保證紙纖維修飾的穩(wěn)定性和酶的活性。

靜電吸附法、共價(jià)鍵修飾法和包埋法3種方法結(jié)合使用也有相關(guān)報(bào)道。眾多簡(jiǎn)便可靠、性能優(yōu)異的紙基表面改性方法，為實(shí)現(xiàn)在紙基平臺(tái)上構(gòu)建各種分析方法奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[26]。

3 紙基分析傳感方法

3.1 比色分析法

比色分析法是紙基分析中使用最廣泛的技術(shù)之一，具有結(jié)果直觀、檢測(cè)效率高、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，顯色試紙也最早被應(yīng)用于食品檢測(cè)領(lǐng)域[39]。紙基平臺(tái)的比色分析過(guò)程通常是樣品溶液在毛細(xì)作用下進(jìn)樣到測(cè)試區(qū)，然后與顯色試劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生顏色變化[40]。比色測(cè)定通過(guò)判斷顏色形成或顏色變化進(jìn)行目標(biāo)物的定性和定量分析，其顏色信號(hào)的采集主要有兩種方式：（1）使用單鏡頭反射式照相機(jī)、手機(jī)或低成本的臺(tái)式掃描儀直接成像，結(jié)合MATLAB或Image J等軟件進(jìn)行定量分析[41]; （2）采用分光光度計(jì)檢測(cè)顯色區(qū)域在特定波長(zhǎng)處的吸光度，這種檢測(cè)技術(shù)提供的定量結(jié)果更準(zhǔn)確[42]。

Jiang等[43]使用金納米顆粒作為顯色指示劑，將比色免疫測(cè)定法結(jié)合到紙基微流控裝置中，開(kāi)發(fā)了一種低成本的快速檢測(cè)食品和飼料中的霉菌毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（deoxynivalenol， DON）的紙基微流控芯片（DON-Chip），如圖1所示，提出了一種有效提高分析性能的新型比例分析方法，成功實(shí)現(xiàn)了糧食飼料或飼料成分提取物中的DON的檢測(cè)，檢測(cè)范圍為0.01～20 mg/kg （ppm），檢出限為4.35 μg/kg （ppb），檢測(cè)時(shí)間少于12 min。

Mooltongchun等[44]將紙芯片與生物傳感器技術(shù)相結(jié)合，提出了一種快速、選擇性、低成本的紙基比色分析方法檢測(cè)肉類(lèi)樣品中的次黃嘌呤。該紙基比色生物傳感器以雙酶催化反應(yīng)為基礎(chǔ)，黃嘌呤氧化酶催化黃嘌呤生成H2O2; 然后在辣根過(guò)氧化物酶存在的情況下，H2O2對(duì)與鄰二苯胺反應(yīng)產(chǎn)生棕色產(chǎn)物，最終用掃描儀對(duì)紙上檢測(cè)區(qū)域的顏色強(qiáng)度進(jìn)行成像采集。該紙基傳感器可在5 min內(nèi)完成對(duì)肉類(lèi)的檢測(cè)，檢測(cè)限為1.8 mg/L，定量限為6.1 mg/L。Trofimchuk等[45]開(kāi)發(fā)了一種微流控紙芯片比色分析裝置，通過(guò)亞硝酸鹽和添加的Griess試劑反應(yīng)顯色確定亞硝酸鹽濃度，同時(shí)利用咖啡環(huán)效應(yīng)提高靈敏度，在15 min內(nèi)完成肉類(lèi)亞硝酸鹽含量的檢測(cè)，檢出限為1.1 mg/kg。Wang等[46]研制了一種用于快速篩查雞蛋、雞肉和飼料樣品中妥曲珠利（Toltrazuil， TOL）及其代謝物的比色紙基傳感器，使用條帶掃描儀獲得定量結(jié)果，15 min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)際樣品中TOL及其代謝物的快速檢測(cè)，檢出限低于2.60 μg/kg。

比色檢測(cè)多需引入液體顯色劑，因此在紙基平臺(tái)構(gòu)建各種類(lèi)型溶液的親疏水區(qū)域尤為重要，但普通蠟印法具有局限性。Lin等[47]報(bào)道了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)且環(huán)境友好的微流紙芯片制造策略，通過(guò)紫外線(xiàn)固化水性聚氨酯丙烯酸酯阻礙表面活性劑溶液和有機(jī)溶劑的滲透，可快速檢測(cè)自水中的大腸桿菌，檢測(cè)范圍為104～109 cfu/mL。

3.2 電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析方法具有成本低、操作簡(jiǎn)單、選擇性高、靈敏度高、功耗低、儀器簡(jiǎn)單和便攜性好等特點(diǎn)，非常適合構(gòu)建微流控紙芯片平臺(tái)，即紙基電化學(xué)分析裝置（Paper-based electrochemical devices， PEDs 或 Electrochemical paper-based analysis device， ePADs）[48]。電化學(xué)傳感器三電極系統(tǒng)由工作電極、參比電極和對(duì)電極組成，工作電極和對(duì)電極在電解液中形成電流通路，根據(jù)電化學(xué)信號(hào)實(shí)現(xiàn)樣品檢測(cè)[49]。用碳漿料和Ag/AgCl漿料可以很容易地在紙基上構(gòu)建電極[50]。目前，在紙芯片上構(gòu)建電化學(xué)系統(tǒng)的種類(lèi)有微電極、表面修飾電極、流動(dòng)注射法、信號(hào)放大系統(tǒng)、離子選擇電極和離子交換膜等，電化學(xué)分析技術(shù)包括伏安法和電位法[51]。

Cinti等[52]報(bào)道了用于檢測(cè)啤酒中乙醇的紙基絲網(wǎng)印刷電極生物傳感裝置，該裝置用普通辦公用紙制作而成，以炭黑和普魯士藍(lán)納米顆粒形成的納米復(fù)合材料作為催化劑，通過(guò)檢測(cè)乙醇氧化酶催化氧化乙醇生成的H2O2，采用計(jì)時(shí)電流法實(shí)現(xiàn)啤酒中乙醇含量的檢測(cè)，檢出限為0.52 mmol/L（0.003%， V/V）。采用電化學(xué)技術(shù)可對(duì)食品亞硝酸鹽進(jìn)行檢測(cè)，然而傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器因電極表面吸附氧化產(chǎn)物易受到污染，而一次性使用的紙基平臺(tái)可以克服上述問(wèn)題。Wang等[53]開(kāi)發(fā)了一次性紙基電化學(xué)傳感平臺(tái)，利用石墨烯納米薄片和金納米顆粒的獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的靈敏檢測(cè)。Guadarrama-Fernández等[54]研制了一種用于檢測(cè)飲料中葡萄糖含量的新型紙基生物電化學(xué)傳感器，以鉑紙為工作電極載體，以含有葡萄糖氧化酶的聚乙烯醇和殼聚糖混合物生物相容性高分子膜為識(shí)別層，采用電位檢測(cè)法快速檢測(cè)橙汁中的葡萄糖含量，檢測(cè)靈敏度為（Symbolm@@119.6±6.4） mV/dec，檢測(cè)范圍為0.03～1.0 mmol/L， 檢出限為0.02 mmol/L。

食源性致病菌可造成嚴(yán)重的疾病暴發(fā)， 然而常用的大多數(shù)生物檢測(cè)試劑昂貴。Bhardwaj等[55]使用抗體（Ab）與單壁碳納米管（Single-walled carbon nanotube， SWCNT）的偶聯(lián)物（Ab-SWCNT）開(kāi)發(fā)了一種快速、低成本的紙基電化學(xué)免疫傳感器，用于金黃色葡萄球菌的免標(biāo)記檢測(cè)。將Ab-SWCNT固定在工作電極上，采用差分脈沖伏安法可在30 min內(nèi)對(duì)牛奶中的金黃色葡糖球菌進(jìn)行快速檢測(cè)，檢出限為13 CFU/mL。Silva等[56]報(bào)道了用于無(wú)標(biāo)記檢測(cè)沙門(mén)氏傷寒桿菌的新型紙基電位免疫傳感平臺(tái)，采用了兩種不同的免疫傳感組裝方式（依賴(lài)于抗體與聚合物膜的直接結(jié)合和依賴(lài)于中間的聚酰胺樹(shù)狀分子層），并比較了兩種方式的分析性能，發(fā)現(xiàn)修飾后的電極噪聲更小，對(duì)蘋(píng)果汁中的沙門(mén)氏傷寒桿菌檢測(cè)限為5 cell/mL，檢測(cè)時(shí)間少于1 h。

與化學(xué)發(fā)光法相比，電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)可通過(guò)控制電信號(hào)的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，因此電化學(xué)發(fā)光分析法應(yīng)用于紙基分析平臺(tái)極具吸引力。Chinnadayyala等[57]利用雙極電極實(shí)現(xiàn)基于紙基平臺(tái)的電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)，雙極電極不需要直接連接外部電源，因此有利于檢測(cè)設(shè)備的小型化和多路檢測(cè)。Liu等[58]研制了一種基于紙基雙極電極的電化學(xué)發(fā)光分析檢測(cè)裝置用于致病菌的識(shí)別，通過(guò)在紙基上蠟印形成的親水通道上構(gòu)建碳墨的雙極電極和驅(qū)動(dòng)電極，使用[Ru-（phen）2dppz]2+作為報(bào)告分子，能夠檢測(cè)低至10 copies/μL的單核細(xì)胞增生李斯特菌的基因組DNA，具有較高的選擇性。

3.3 熒光分析法

熒光分析法中，高效可靠的捕獲熒光發(fā)射信號(hào)是設(shè)計(jì)紙基分析裝置的關(guān)鍵。近年來(lái)，紙基裝置結(jié)合熒光分析法已被用于檢測(cè)細(xì)菌、蛋白質(zhì)、生物標(biāo)志物和重金屬等[59～61]。紙基熒光檢測(cè)可同時(shí)用于定性/定量分析，通常有較寬的檢測(cè)范圍; 操作過(guò)程簡(jiǎn)易; 熒光檢測(cè)重復(fù)性好，需要的樣品量少，熒光檢測(cè)儀器簡(jiǎn)單[62]。熒光傳感的方式主要有兩種：一種是目標(biāo)物本身發(fā)熒光，可通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)物本身的熒光強(qiáng)度直接確定其濃度[62]; 另外一種是目標(biāo)物本身沒(méi)有熒光特性，可通過(guò)與熒光探針發(fā)生作用，根據(jù)熒光探針的熒光信號(hào)的變化，檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)。外源性物質(zhì)與熒光探針的作用機(jī)理主要有靜態(tài)熒光猝滅、動(dòng)態(tài)熒光猝滅、熒光共振能量轉(zhuǎn)移、光致電子轉(zhuǎn)移和熒光內(nèi)濾效應(yīng)[25]。這些作用機(jī)理被應(yīng)用于構(gòu)建紙基熒光傳感方法，并應(yīng)用到食品安全的快速檢測(cè)中。

農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。Zhang等[63]通過(guò)電子轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)熒光猝滅機(jī)制，開(kāi)發(fā)了一種新型分子印跡熒光傳感微流控紙芯片，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）的特異性識(shí)別和靈敏檢測(cè)。首先將熒光CdTe量子點(diǎn)（QDs）修飾到紙上，進(jìn)一步在熒光紙基質(zhì)上合成分子印跡聚合物（Paper@QDs@MIPs）， 18 min內(nèi)即可對(duì)豆芽表面殘留的2，4-D進(jìn)行快速分析，檢出限為90 nmol/L。進(jìn)一步通過(guò)硝基苯并惡二唑和QDs的熒光共振能量轉(zhuǎn)移構(gòu)建比率熒光紙芯片（圖2），實(shí)現(xiàn)了豆芽和湖水中2，4-D殘留的快速、選擇性比色檢測(cè)[64]。

甲醛是一種常見(jiàn)的食品添加劑，過(guò)量攝入會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響。Guzman等[65]研發(fā)了一種由紙基分析裝置和便攜式檢測(cè)系統(tǒng)組成的低濃度甲醛檢測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)可通過(guò)互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體攝像機(jī)觀察甲醛與醋酸銨/乙酰乙酰苯胺反應(yīng)得到的二氫吡啶衍生物的熒光，然后將彩色圖像傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上，利用RGB色彩分析軟件計(jì)算甲醛濃度。該方法用于快速檢測(cè)商業(yè)食品的甲醛含量，檢測(cè)時(shí)間僅需10 min。

過(guò)氧化苯甲酰是一種高活性氧化劑，因其良好的氧化漂白性能而被廣泛用作小麥粉的食品添加劑。Hu等[66]制備了一種基于香豆素的分子熒光探針，并將其與紙基分析平臺(tái)結(jié)合用于過(guò)氧化苯甲酰的快速檢測(cè)，在0～70 μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的可視化檢測(cè)效果，可在10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)小麥粉、餃子面粉和面條中的過(guò)氧化苯甲酰檢測(cè)。針對(duì)動(dòng)物食品中抗生素的快速檢測(cè)，Zong等[67]報(bào)道了一種紙基熒光免疫分析法，以量子點(diǎn)標(biāo)記的諾氟沙星單克隆抗體作為探針，可實(shí)現(xiàn)水和牛奶中諾氟沙星的高靈敏、選擇性檢測(cè)，檢出限分別為1和10 pg/mL。

3.4 SERS分析法

目前已報(bào)道的SERS傳感分析方法主要使用納米顆粒為SERS基底，如銀納米顆粒、金納米棒和金納米球等，可以顯著增強(qiáng)（104～1012倍）目標(biāo)分析物的拉曼散射信號(hào) [68]。含有苯環(huán)的共振分子結(jié)構(gòu)、含有胺或硫醇官能團(tuán)的分子，能夠迅速附著在金納米顆粒上，并獲得最佳的效果[69]。紙材料由于具有三維的纖維基質(zhì)，表現(xiàn)出更好的SERS增強(qiáng)效果; 但是，由于紙纖維的各向異性和非均勻結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致納米粒子的不均勻吸附和等離子體熱點(diǎn)的隨機(jī)形成和分布，且拉曼信號(hào)只在5 μm左右的激光光斑區(qū)域采集，信號(hào)的重現(xiàn)性是紙基SERS傳感面臨的主要挑戰(zhàn)[70]。納米粒子修飾方法的發(fā)展，有助于納米粒子在紙上的均勻分布從而提升靈敏度[71]。

2013年，Li等[72]采用噴霧方法構(gòu)建SERS傳感的紙基芯片。該方法將高靈敏度的SERS納米銀粒子沉積在紙基平臺(tái)上，制備過(guò)程快速、可靠， 并且不需要特殊的儀器，建立的檢測(cè)方法具有良好的靈敏度和重現(xiàn)性。除噴涂法外，Ma等[73]利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在纖維素紙上固定了納米銀和氧化石墨烯，建立了超靈敏的SERS方法，可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)農(nóng)藥殘留，對(duì)果蔬表面的福美雙、噻菌靈和甲基對(duì)硫磷的檢出限分別為0.26、28 和7.4 ng/cm2。

甲基對(duì)硫磷等農(nóng)藥通常具有獨(dú)特的拉曼特征峰，因此可采用SERS法快速檢出。Xie等[74]采用種子介導(dǎo)生長(zhǎng)法合成金納米粒子，然后用浸漬法組裝到濾紙上，采用結(jié)合便攜式拉曼光譜儀檢測(cè)甲基對(duì)硫磷的檢測(cè)限為0.011 μg/cm2。Zhang等[75]報(bào)道了一種基于Ag NPs功能化的紙基疏水性SERS基底平臺(tái)。這種新型的SERS紙基平臺(tái)不僅制備簡(jiǎn)單、可重復(fù)使用且可大規(guī)模制備的要求，而且可實(shí)現(xiàn)液滴檢測(cè)。該方法用于檢測(cè)稀釋牛奶中的三聚氰胺，檢測(cè)時(shí)間僅10 s，檢測(cè)限為1 mg/kg（ppm），線(xiàn)性范圍為1～1000 mg/kg（ppm）。分子印跡聚合物功能化的SERS傳感紙基平臺(tái)也有報(bào)道[76]，如圖3所示，該紙基傳感系統(tǒng)由三維樹(shù)突狀銀晶體、分子印跡聚合物層與納米銀層多層偶合形成，可靈敏性檢測(cè)煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑，檢測(cè)時(shí)間僅需150 s。該方法檢測(cè)蔬菜表面提取物中煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑的結(jié)果與液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用方法的結(jié)果一致。

3.5 紙基平臺(tái)的多種分析方法聯(lián)用

基本的紙基微流控的功能是毛細(xì)動(dòng)力矢量運(yùn)輸液體與分流特性，可以自動(dòng)將流體導(dǎo)向多個(gè)不同區(qū)域。例如構(gòu)建紙基閥門(mén)，通過(guò)切斷和連接不同的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)控制流體通斷[77， 78]。紙基平臺(tái)上的操作方式可支撐多種分析方法聯(lián)用的實(shí)現(xiàn)。多分析方法的聯(lián)用，使紙芯片在滿(mǎn)足快速檢測(cè)的基礎(chǔ)上降低假陽(yáng)性、提高特異性和靈敏度[17]。多種分析方法在紙芯片平臺(tái)上展現(xiàn)出快速、便捷、高效的性能，在食品安全快速檢測(cè)中展現(xiàn)了強(qiáng)大的活力。

Li等在紙芯片上實(shí)現(xiàn)了比色、熒光、SERS多種分析方法結(jié)合的高選擇性和高靈敏檢測(cè)亞硝酸鹽[79]。Adkins等[80]開(kāi)發(fā)了基于透明膠片的電化學(xué)分析和紙基比色分析相結(jié)合的檢測(cè)平臺(tái)，用于食品和水中大腸桿菌和腸球菌代謝物的快速分析檢測(cè)。Li等[81]提出了一種SO2比色/SERS雙模式傳感策略，將頂空采樣與紙基分析裝置結(jié)合，用于葡萄酒中SO2的測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)的Monier-Williams方法相吻合。熒光和比色法結(jié)合的雙通道檢測(cè)是比較常見(jiàn)的選擇，如圖4所示，Wang等[82]建立了一種簡(jiǎn)單、快速的智能熒光比色雙模式紙基傳感系統(tǒng)，利用Cu2+氧化鄰苯二胺（OPD）法測(cè)定大腸桿菌，可通過(guò)智能手機(jī)顏色掃描應(yīng)用程序定量檢測(cè)。該研究為大腸桿菌的快速檢測(cè)提供了有效的雙模式方法，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。Erdemir等[83]研究了紙基比色和熒光雙模式檢測(cè)水和食品中的氰化物離子，制備的分子熒光探針表現(xiàn)出選擇性的熒光變化，并且可以產(chǎn)生裸眼可見(jiàn)的顏色變化，可通過(guò)智能手機(jī)直接讀出顏色值，檢出限達(dá)0.45 μmol/L。

4 總結(jié)與展望

本文從紙基表面功能化改性及分析傳感方法出發(fā)，綜述了基于紙基分析平臺(tái)的食品安全快速檢測(cè)方法的研究進(jìn)展。紙基表面修飾技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了各種分析方法在紙基平臺(tái)上的成功構(gòu)建，紙基平臺(tái)上以光學(xué)與電化學(xué)傳感信號(hào)為主的分析方法已經(jīng)被廣泛研究。在紙基平臺(tái)上構(gòu)建多種分析方法在提升食品安全檢測(cè)效率的同時(shí)，也逐漸從定性分析發(fā)展到半定量和定量分析，以及高靈敏、高選擇性檢測(cè)。食品樣品的前處理過(guò)程和食品快檢標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)是紙基分析平臺(tái)面臨的挑戰(zhàn)。紙基平臺(tái)在食品安全檢測(cè)方面將向著多功能化、與移動(dòng)設(shè)備結(jié)合的“一站式”快速檢測(cè)方向發(fā)展，隨著紙基傳感技術(shù)的不斷成熟和完善，有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在食品安全即時(shí)快速檢測(cè)方面發(fā)揮重要的作用。

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Progress in Rapid Detection Techniques Using

Paper-based Platforms for Food Safety

QI Ji1，2， FAN Xin-Xia2， DENG Dong-Mei*1， HE Hai-Bo2， LUO Li-Qiang*1，2

1（Department of Physics， Shanghai Key Laboratory of High Temperature Superconductors，

Colloge of Sciences， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

2（Department of Chemistry， College of Sciences， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract Food safety has always been one of the most important issues for human being. With the variety of food， it is required to develop rapid， low-cost and convenient detection techniques for food safety. As a representative， paper-based detection techniques have developed rapidly from simple test papers to various microfluidic paper-based devices. The paper-based analytical devices combining paper platform with a variety of advanced analysis methods have shown great application prospects for rapid food safety testing. In this review， the surface functionalization and modification of paper are introduced. Then， the construction and development of various detection techniques are discussed， including colorimetric analysis， fluorescent analysis， electrochemical analysis， surface enhanced Raman spectroscopic analysis， and multimethods on paper-based platforms for the application in rapid food safety detection. Finally， the prospects and future challenges of rapid detection techniques in food safety are also discussed.

Keywords Paper-based analysis device; Food safety; Rapid detection; Colorimetric analysis; Fluorescent analysis; Surface enhanced Raman spectroscopic analysis; Electrochemical analysis; Review

（Received 31 March 2020; accepted 19 August 2020）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （Nos. 21974085， 61571280， 61971274）.

2020-03-31收稿; 2020-08-19接受

本文系國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Nos. 21974085， 61571280， 61971274）資助

* E-mail： dmdeng@shu.edu.cn; luck@shu.edu.cn