紙基功能材料的生物傳感技術(shù)助推即時檢測“加速度”*

馮 柳，王彬潘，陳 鳴，唱 凱

陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院檢驗科，重慶 400038

即時檢測(POCT)作為一種可以在現(xiàn)場快速完成標(biāo)本采集、檢測反應(yīng)和結(jié)果讀取判別的技術(shù)方法，具有快速、簡便、高度集成，不依賴儀器設(shè)備和專業(yè)工作人員等特點，為基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)公共衛(wèi)生監(jiān)控、家庭保健、疾病預(yù)防、食品、環(huán)境等現(xiàn)場快速檢測提供了可能。近年來，新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)的大流行對POCT技術(shù)提出了更高的要求[1-2]。以新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)檢測為例，快速、及時、準(zhǔn)確地檢測是控制疫情流行的首要關(guān)鍵步驟，這不僅提高了患者的存活率，而且還能夠輔助及時有效地控制疫情流行，就全球防疫工作實踐而言，POCT技術(shù)在疾病診斷中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。因此，2021年12月28日，工信部等十部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出2025年醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體目標(biāo)及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，其中POCT裝備為我國未來5年醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)之一，如何建立新型POCT方法已成為目前亟待解決的問題。

紙作為一種常見的材料，擁有輕薄、柔韌、廉價、使用廣泛、易加工、環(huán)保等固有特性，而紙的上述特性也逐漸被研究學(xué)者重視。MARTINEZ等[3]在2007年將色譜紙光刻膠圖案化，使疏水聚合物包圍親水性紙張，由此創(chuàng)建對生物流體可控的毫米級別通道，建立了一種簡便、低成本的紙基傳感技術(shù)，實現(xiàn)了一張試紙條上多靶標(biāo)同時檢測。該篇報道被廣泛認(rèn)為是紙基功能材料用于POCT發(fā)展歷程上的重要節(jié)點，自此之后紙基功能材料的生物傳感技術(shù)在基本材料及檢測方式等方面進(jìn)入了高速發(fā)展階段。相比于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)，紙基功能材料的生物傳感技術(shù)具有以下優(yōu)勢：(1)依靠紙纖維素的毛細(xì)管力實現(xiàn)了液體在紙質(zhì)中流動，無須外加動力源，無須使用檢測過程中的外接設(shè)備；(2)紙基多孔薄膜型結(jié)構(gòu)有篩選、分離等功能，可實現(xiàn)病原微生物核酸的有效提取；(3)紙質(zhì)很容易被加工，且造價低廉。因此，紙基功能材料的生物傳感技術(shù)在POCT中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

因此，本文圍繞紙基材料，紙基功能材料生物傳感器的分類、液流控制，以及比色、電化學(xué)、電化學(xué)發(fā)光、熒光及拉曼光譜等紙基功能材料生物傳感技術(shù)在POCT中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 紙基材料

從17世紀(jì)英國著名化學(xué)家波義耳，因為紫羅蘭而發(fā)明測試酸堿度的石蕊試紙之后，紙基在以原始植物纖維為主要原料的基礎(chǔ)上衍生出了多種材料并隨之賦予了新的理化特性，紙張的定義也變得更加寬泛。按照紙基的基本材料可分為3類：纖維素類、改性或復(fù)合的纖維素類、非纖維素類。

1.1纖維素類 纖維素是一種親水性極性的聚合物，可以與其他帶電或極性實體形成強(qiáng)烈的非共價相互作用。研究人員利用這一特性進(jìn)行紙質(zhì)的直接酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)[4]。纖維素紙基檢測設(shè)備通常應(yīng)用于干化學(xué)試紙的制備，傳統(tǒng)制備方法是將檢測試劑浸潤紙質(zhì)載體，待干燥后使用。例如，用酸堿度指示劑浸潤吸水性良好的紙條，干燥后可作為便攜式pH檢測試紙條。在臨床檢測中的應(yīng)用常見于各類多聯(lián)尿液干化學(xué)試紙條。

1.2改性或復(fù)合的纖維素類 纖維素大分子鏈上的每一個葡萄糖基都有3個羥基，這些羥基能與酸類起酯化反應(yīng)，與硝酸生成的產(chǎn)物稱為硝化纖維素(NC)，有纖維素骨架的硝化纖維素還具有兩性離子硝基基團(tuán)，與生物分子具有更強(qiáng)的非共價相互作用，其作為固相結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在側(cè)向?qū)游雒庖叻治鲋衃5-6]。纖維素與其他材料復(fù)合可以制備功能更為廣泛的材料，XU等[7]將纖維素與碳量子點雜化制備了一種圖案化熒光薄膜材料。

1.3非纖維素類 由于學(xué)科交叉不斷延伸，特別是材料學(xué)的突飛猛進(jìn)，“紙”的定義更加寬泛，邊界也更為模糊。一些材料因符合紙的某些特性，被稱為類紙。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一種疏水類的有機(jī)硅物料，具有生理惰性、電絕緣性、疏水性好及抗剪切能力等特性。與普通硅基材料相比，PDMS的成本更低，在合適溫度下更容易在模板上固化[8]。玻璃濾紙具有良好的光學(xué)性質(zhì)和生物相容性，隨著3D打印技術(shù)的不斷突破，玻璃微構(gòu)造也有了新的突破，TOOMBS等[9]利用一項體積光固化3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)可精確到50 μm，與其他基于層的3D打印工藝相比，能夠制造出具有更光滑表面的物體，從而減少了斷裂的可能性，此項技術(shù)的應(yīng)用為玻璃作為類紙材料提供了更廣闊的應(yīng)用空間。

2 紙基功能材料的生物傳感器的分類

根據(jù)紙基構(gòu)造和裝置中流體流動方式可以大致劃分為一維、二維、三維的紙基功能材料的生物傳感器。

2.1一維紙基功能材料的生物傳感器——側(cè)流層析分析裝置(LFA) 最經(jīng)典的LFA是檢測人絨毛膜促性腺激素層析試紙條，該裝置被廣泛應(yīng)用于早孕診斷并沿用至今。LFA由5個部分組成，包括最底部的支撐底板，往上依次是樣品墊、結(jié)合墊、層析膜和吸水墊。待測流體由樣品墊快速吸收，在毛細(xì)管作用下向結(jié)合墊側(cè)向流動；待測流體中如含有檢測靶標(biāo)則在結(jié)合墊上與生物活性材料的標(biāo)志物形成復(fù)合物之后，繼續(xù)沿層析膜移動依次浸潤通過層析膜上固定的“檢測線”(T線)和“質(zhì)控線”(C線)，線上均勻分布可結(jié)合靶標(biāo)復(fù)合物的顯色物，肉眼可直觀判斷檢測結(jié)果；吸水墊為吸水材料用于吸收多余的待檢樣品，并促使足量的待檢物通過在層析膜。基于CRISPR-Cas9介導(dǎo)的SARS-CoV-2雙基因同步診斷LFA結(jié)構(gòu)示意圖見圖1[2]。LFA的各部件組合在一起以提供連續(xù)的一維流動，盡管LFA具有便攜性和原位測試等優(yōu)點，但它們在多個維度上執(zhí)行復(fù)雜流體操作的能力有限。

圖1 基于CRISPR-Cas9介導(dǎo)的SARS-CoV-2雙基因同步診斷LFA結(jié)構(gòu)示意圖

2.2二維紙基功能材料的生物傳感器——2D-微流控紙基分析設(shè)備(μPADs) μPAD是指在同一水平維度上同時進(jìn)行多項目檢測。MARTINEZ等[3]在2007年報道，通過對葡萄糖和蛋白質(zhì)兩個項目檢測展示了2D-μPAD的生物分析。MARTINEZ將光刻膠圖案化到色譜紙上，形成由疏水線隔開的親水紙的限定區(qū)域，由于所產(chǎn)生毫米大小通道的毛細(xì)管作用，對生物流體的空間進(jìn)行了控制，使流體能夠在沒有泵送的情況下傳輸，見圖2。隨著檢測通道的增加，樣品池由既往紙基檢測的一端改變到μPAD中央。ABE等[10]通過噴墨蝕刻在濾紙上制造三維親水性微流控圖案(550 μm流道)和傳感區(qū)域(1.5 mm×1.5 mm正方形)，制作了一個微流控多分析物化學(xué)傳感裝置，用于同時測定尿液中pH值、總蛋白和葡萄糖。LI等[11]利用壓電陶瓷換能器驅(qū)動器和玻璃噴嘴進(jìn)行噴蠟的方式制造紙基微流控傳感器，成功實現(xiàn)了葡萄糖、蛋白質(zhì)和pH值的多重測定。但2D-μPAD的檢測通道不論如何增加，在同一維度始終存在反應(yīng)過程單一性的限制，為解決這一問題，3D-μPAD引入了垂直分量來流動。

注：較暗的線條用光刻膠固化；較輕的區(qū)域是未曝光的紙張。圖2 用光刻膠圖案化的色譜紙結(jié)構(gòu)示意圖

2.3三維紙基功能材料的生物傳感器——3D-μPAD 3D-μPAD利用紙基具有折疊、彎曲和扭轉(zhuǎn)的特性可以實現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)變，維度的增加使紙基不同層面之間創(chuàng)建微流控通道的連接，形成多層流體網(wǎng)絡(luò)，在多個檢測區(qū)域同時快速定量不同分析物。與2D-μPAD相比，3D-μPAD提供了多重和多步驟分析等更為便捷的操作功能。SHEN等[12]采用蠟屏障和“紙橋”制備了一種具有5個單獨通道的場效應(yīng)晶體管/化學(xué)電阻生物傳感器，傳感器可以將樣品平均分到每個內(nèi)置微流通道，并實現(xiàn)人血清清蛋白(HSA)和人免疫球蛋白G(hIgG)的超敏檢測。SUN等[13]開發(fā)了一個多功能自動驅(qū)動的多路紙質(zhì)集成平臺，用于胃腸瘺的超快速檢測。該設(shè)備為非對稱聚砜血漿分離膜制成的3D-μPAD，集成了血漿分離、自動進(jìn)樣和特異性檢測3項功能，見圖3。為進(jìn)一步提高紙基中液體的流動速度，CHANNON等[14]通過光學(xué)和電化學(xué)對流體動力學(xué)進(jìn)行研究，并與μPAD內(nèi)已建立的流動理論進(jìn)行了比較，建立了多層μPAD作為在自泵送紙設(shè)備中產(chǎn)生增強(qiáng)流速的方法。與典型的1層μPAD設(shè)計相比，通過精確控制2層紙設(shè)備中的通道高度，流速可增加168倍。

圖3 血漿分離膜多功能折紙紙基設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能圖

3 紙基功能材料生物傳感器的液流控制

閥門是紙基功能材料生物傳感器液流啟?？刂频闹匾ぞ?，在多步分析和定時試劑輸送中發(fā)揮著重要作用，按照閥門發(fā)揮作用的主、被動形式其大致可劃分為手動閥門和自動閥門。

3.1手動閥門 手動閥門通常是人工對紙基裝置的組成元件進(jìn)行折疊、滑動或旋轉(zhuǎn)的操作以打開或關(guān)閉閥門。折疊和滑動兩種方式的操作簡單，但可用的折疊步驟數(shù)量有限，同時由于紙張自身的回彈特性，標(biāo)本在未被樣品墊完全吸收前容易發(fā)生標(biāo)本外溢或噴濺污染[15]?；瑒觿t存在各層反應(yīng)不連貫的情況[16]。旋轉(zhuǎn)比折疊或滑動結(jié)構(gòu)更緊湊、更精確，通常有適當(dāng)?shù)膯⒅挂源_保準(zhǔn)確放置，但是其構(gòu)造更為復(fù)雜[17]。

3.2自動閥門 自動閥門通常是在特定時間通過可溶解物質(zhì)或電子調(diào)控自動打開或關(guān)閉，雖然設(shè)計更加復(fù)雜但這提高了檢測的準(zhǔn)確性和用戶操作的友好性。最簡單的自動閥門設(shè)計是可溶解的橋聯(lián)/屏障，但設(shè)計時要注意應(yīng)用的靶物質(zhì)，因為可溶解的糖或表面活性劑可能會干擾測定，另外，溶解這一過程本身也會延長整體操作的時間[18-19]。吸收控制閥門和電子控制閥門具有多種閥門功能，且設(shè)計更為復(fù)雜，特別是電子控制閥門在功能實現(xiàn)方面更為精細(xì)，同時又額外需要動力儀器[20-21]。

4 紙基功能材料生物傳感技術(shù)及其在POCT中的應(yīng)用

4.1紙基功能材料的比色傳感技術(shù) 比色法是紙基檢測技術(shù)中最常用的檢測方法，在紙基上獲得有色信號的方法有多種，如pH誘導(dǎo)變色、金屬-配體絡(luò)合、偶聯(lián)反應(yīng)、顯色底物的酶轉(zhuǎn)化、納米顆粒的聚集和光聚合等。該檢測方法可以用于重金屬、蛋白質(zhì)、DNA、血細(xì)胞比容水平、葡萄糖等小分子、細(xì)菌等生物活性物質(zhì)的檢測。紙基的白色背景與比色信號提供了高對比度，為檢測提供了良好的信噪比，可以定性或定量檢測，比色讀數(shù)可以通過肉眼直接觀察并解釋，但是精度有限。KO等[22]利用聚苯胺/聚乙二醇復(fù)合體系響應(yīng)pH比色指示劑檢測細(xì)菌生長，見圖4。LEE等[23]利用亞硝酸根離子與磺胺反應(yīng)生成重氮鹽，由于生成的偶氮染料可與預(yù)處理中使用的有機(jī)堿進(jìn)一步變色，因此，添加磷酸以抑制混色反應(yīng)，可用于西維因農(nóng)藥的檢測。

圖4 在PANI/PEG復(fù)合模式下，通過字母“K”的顏色變化監(jiān)測細(xì)菌生長的示意圖

紙基功能材料的比色傳感技術(shù)有利于POCT的應(yīng)用，但環(huán)境照明、濕度和人工解釋都會影響實際的信號判讀，使其更難以一致量化。為了解決上述問題，KATOH等[24]將智能手機(jī)QR碼識別集成到具有“基于距離”的色度信號的μPAD中，從而完全依靠簡單的條形碼閱讀器解決方案實現(xiàn)半定量讀數(shù)，見圖5。此外，為解決微量樣本檢測問題，MAHMUD等[25]報道了一種橫向流動分析LFA型μPADs，克服了亞微升樣本量半定量檢測的難題。該方法分別使用0.5 μL和1.0 μL樣品溶液進(jìn)行葡萄糖和總?cè)祟惷庖咔虻鞍譋(IgE)測試，證實了該裝置的有效性。

圖5 基于QR碼比色的μPAD檢測流程示意圖

比色法檢測是POCT中使用最廣泛的檢測方法之一，其檢測范圍廣泛，以及結(jié)果判讀的簡便性都成為其優(yōu)勢。此外，通過使用“基于距離”的檢測、智能手機(jī)和其他便宜的傳感器，比色法檢測開始提供逐漸精確的定量結(jié)果。

4.2紙基功能材料的電化學(xué)傳感技術(shù) 紙基功能材料的電化學(xué)傳感技術(shù)為定量分析提供了一個可供選擇和較靈敏的平臺，與傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測裝置類似，該技術(shù)需在紙基表面制造敏感電極并在其上固定生物活性分子，使其具備捕獲靶標(biāo)的能力。紙基功能材料的電化學(xué)傳感器通常由3個電極系統(tǒng)組成。參比電極(RE)通常被放置在靠近工作電極(WE)的位置，以最大限度地減小由于溶液的電阻而引起的壓降，而對電極(CE)被設(shè)計成大于WE，從而在電路內(nèi)持續(xù)提供電流。WE對于檢測至關(guān)重要，它決定了傳感器的功能和分析性能。紙基功能材料的電化學(xué)傳感技術(shù)中常用的兩種材料是碳和貴金屬。傳統(tǒng)碳電極便宜，而石墨、玻璃炭、碳黑、石墨烯和碳納米管等新型碳材料為各種分析物提供了更寬廣的檢測范疇。金屬和碳之間的雜化材料也被用于提高電極的電化學(xué)性能，其中碳被用作電極襯底，金屬或金屬氧化物被用作襯底內(nèi)的涂層材料或改性劑。電化學(xué)法應(yīng)用于紙基傳感分析的缺點是需要外部儀器，長時間測量會導(dǎo)致電極結(jié)垢，如選擇電勢測定法則僅能檢測帶電物質(zhì)，需要分析物為選擇性電極。

BOONKAEW等[26]創(chuàng)建了一種使用紙質(zhì)分析裝置檢測鐵蛋白的無標(biāo)記電化學(xué)免疫傳感技術(shù)。該設(shè)備圖案是在濾紙上定制設(shè)計的，同時使用噴墨印刷技術(shù)將氧化石墨烯修飾到工作電極上，然后使用標(biāo)準(zhǔn)的1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺(EDC)/N-羥基磺基琥珀酰亞胺(磺基-NHS)化學(xué)進(jìn)行電極表面的活化步驟?？硅F蛋白抗體共價固定在胺反應(yīng)性酯表面上。通過差分脈沖伏安法 (DPV) 觀察所選氧化還原對的電化學(xué)信號來監(jiān)測鐵蛋白濃度。在鐵蛋白存在的情況下，傳感器顯示出電化學(xué)響應(yīng)以濃度依賴性方式顯著降低。相反，在沒有鐵蛋白的情況下檢測到的電流響應(yīng)沒有可觀察到的變化。電流響應(yīng)與鐵蛋白濃度在1～1 000 ng/mL范圍內(nèi)具有良好的相關(guān)性，檢測限達(dá)到0.19 ng/mL。該免疫傳感器提供了良好的選擇性、重現(xiàn)性和長期儲存穩(wěn)定性，見圖6。RUECHA等[27]通過使用循環(huán)伏安法將聚苯胺(PANI)沉積在石墨烯(G)絲網(wǎng)印刷紙電極上開發(fā)了用于靈敏檢測人γ干擾素(IFN-γ)無標(biāo)記電化學(xué)阻抗免疫傳感器平臺。與傳統(tǒng)方法相比，該系統(tǒng)具有成本低、樣本量要求低、可處置性和快速分析等優(yōu)點，使該平臺可作為人IFN-γ篩查的替代工具。

4.3紙基功能材料的電化學(xué)發(fā)光傳感技術(shù) 電化學(xué)發(fā)光是化學(xué)發(fā)光和電化學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，其中信號是通過電化學(xué)電勢來啟動和控制化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，與化學(xué)發(fā)光檢測技術(shù)相比，該技術(shù)保留了化學(xué)發(fā)光的優(yōu)勢，并且重復(fù)性好，試劑更穩(wěn)定，可操控性更強(qiáng)。許多基于納米粒子的增強(qiáng)型化學(xué)發(fā)光(ECL)發(fā)光體也已用于紙器件，包括半導(dǎo)體納米晶體/量子點(QD，如CdTe QD、CdSe QD)，金屬納米顆粒(如Pt-AgNP、Pd@Au NP)，碳量子點，石墨烯量子點(GQDs)，無機(jī)絡(luò)合物和發(fā)光碳納米晶體[28]。2014年FENG等[29]報道了第一個紙質(zhì)雙極電極(BPE)，通過ELISA夾心法成功實現(xiàn)了前列腺特異性抗原(PSA)的檢測。BPE是與離子相接觸的浮動導(dǎo)體，當(dāng)在離子相上施加足夠高的電場時，即使BPE和外部電源之間沒有物理接觸，法拉第反應(yīng)也會發(fā)生在BPE的末端，ECL試劑可用作該法拉第反應(yīng)的間接報告，見圖6。目前紙基功能材料的電化學(xué)發(fā)光傳感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于miRNA、腫瘤標(biāo)志物、細(xì)菌[30-32]等的檢測。

圖6 基于紙基BPE的用于PSA分析的ECL生物傳感器的制備流程示意圖

4.4紙基功能材料的熒光傳感技術(shù) 熒光探針作為紙基傳感技術(shù)的一種重要檢測模式，為其提供了更低的檢測限和更高的檢測靈敏度。量子點作為一種能發(fā)射熒光的半導(dǎo)體納米微晶體，因具有獨特的光學(xué)性質(zhì)而在紙基傳感技術(shù)中發(fā)揮重要作用。GUO等[33]通過硼酸功能化的 MoS2 量子點(B-MoS2 QD)，構(gòu)建一種新的熒光傳感器，用于靈敏和選擇性地檢測汞離子(Hg2+)。由于Hg2+促進(jìn)芳基硼酸的金屬轉(zhuǎn)移反應(yīng)，該方法對不同環(huán)境水中Hg2+的分析具有快速響應(yīng)、超靈敏和高選擇性的優(yōu)點，且可用于Hg2+的在線監(jiān)測?；贐-MoS2 QD的試紙可用于紫外燈下微量Hg2+檢測，結(jié)果可通過肉眼直接判讀表明該方法在環(huán)境Hg2+現(xiàn)場監(jiān)測中具有潛在應(yīng)用價值。與單一熒光信號相比，比率熒光法對偏置性能變化、顏色變化分辨率和定量準(zhǔn)確度均有提高。NA等[34]首次通過一步法制備了一種基于銪(Eu)摻雜的硅納米粒子(Eu@SiNPs)的新型比率熒光納米探針，用于測定枯草芽孢桿菌孢子中的DPA(模擬物)。該方法對枯草芽孢桿菌孢子的檢測限(LOD)低至2.38×104spore/mL。ZHU等[35]研制了一種堅固、便攜、實用的三維折紙比例熒光微流控裝置，利用碳量子點相同的兩種熒光信號指示劑，通過級聯(lián)催化反應(yīng)同時檢測堿性磷酸酶和苯丙氨酸。焦磷酸(PPI，堿性磷酸酶的酶底物)和硫代膽堿(TCH，BChE的酶產(chǎn)物)可以與Cu2+配位，自由Cu2+將鄰苯二胺(OPD)氧化成2，3-二氨基吩嗪(oxOPD，Abs最大吸收波長為420 nm，Em最大值為565 nm)，然后通過內(nèi)濾波效應(yīng)oxOPD猝滅碳量子點的發(fā)射(Em最大值為445 nm)。因此，成功研制了445 nm(碳量子點的藍(lán)色熒光)和565 nm(oxOPD的黃色熒光)雙發(fā)射的比率型熒光傳感平臺，用于ALP和BChE的傳感，見圖7。

圖7 比率熒光檢測機(jī)制和智能手機(jī)輔助3D-μPAD檢測流程圖

熒光素酶是能夠催化不同底物氧化發(fā)光的一類酶，熒光素酶可以催化熒光素氧化成氧化熒光素，在催化氧化過程中，會發(fā)出生物熒光。TENDA等[36]報告了依賴于生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移(BRET)開關(guān)(LUMABS)來識別分析物和產(chǎn)生比色信號的集成紙基分析設(shè)備。該設(shè)備使用基于BRET的抗體傳感蛋白，集成到垂直組裝的功能化紙層中，其設(shè)計使包括血漿分離在內(nèi)的樣品處理可獨立完成，且無須試劑操作。用戶操作僅需1滴(20～30 μL)樣品(血清、全血)，且在加樣20 min后采集照片，除照相機(jī)外不需要精確的移液、液體處理或分析設(shè)備。該設(shè)備實現(xiàn)了對全血中抗人類免疫缺陷病毒1(HIV1)、抗甲型肝炎病毒(HAV)和抗登革熱病毒1(DEN1)的同時檢測。因此，這種類型的設(shè)備非常適合在資源匱乏環(huán)境中進(jìn)行用戶友好的POCT，見圖8。

注：A為LUMABS工作原理示意圖；B為3D-μPAD示意圖；C為操作流程。圖8 LUMABS工作原理及3D-μPAD示意圖

4.5紙基功能材料的拉曼光譜傳感技術(shù) 拉曼光譜近些年來作為一種無損、非接觸的快速檢測技術(shù)，吸引了不同領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)是在普通拉曼效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種技術(shù)，當(dāng)分子被吸收到金屬納米顆粒表面上時，分子的非彈性光散射會大幅度增強(qiáng)[37]。由于SERS可以提供豐富的振動光譜信息，且可以實現(xiàn)分子樣品的指紋識別，其已被用于多種類型分析物的檢測。在POCT方面，ZENG等[38]創(chuàng)建了一種基于智能手機(jī)的便攜式拉曼光譜儀。該技術(shù)將智能手機(jī)作為小型拉曼光譜分析儀，基于常用濾紙和納米銀(AgNP)制備紙基SERS芯片，成功實現(xiàn)了羅丹明6G和結(jié)晶紫的辨別。之后該團(tuán)隊通過在AgNPs中嵌入尼龍濾膜(ANFM)制作柔性紙基SERS芯片，借助膜的微孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對目標(biāo)分子的檢測[39]。

5 總結(jié)與展望

從石蕊酸堿度試紙的誕生到現(xiàn)在的幾百年歷史中，受限于其本身傳遞信息量有限，紙基在21世紀(jì)前的發(fā)展相對緩慢。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著各項交叉學(xué)科進(jìn)展飛速，紙基功能材料的生物傳感技術(shù)在POCT領(lǐng)域也得到了高速發(fā)展，特別是材料學(xué)中納米材料的研究進(jìn)展，使紙基底板本身，以及其他元件的功能都得到了極大提高，另外，通信技術(shù)及數(shù)據(jù)分析的高速發(fā)展使紙基POCT結(jié)果的判讀終端和信息處理方式更加多樣化，數(shù)據(jù)分析通過聯(lián)網(wǎng)可以快速得到全面、豐富的診療信息，以此推動了床旁醫(yī)療管理的進(jìn)程。

紙基功能材料的生物傳感技術(shù)在POCT領(lǐng)域應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)，主要集中在以下兩個方面：(1)提高靈敏度和特異度。(2)優(yōu)化設(shè)備抗干擾能力從而適應(yīng)極端氣候等更廣泛的測試條件。對這兩方面的改善，需要圍繞紙基的材料本身、制備方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計等每個細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，跨學(xué)科的深度合作也將更好地推動紙基功能材料的生物傳感技術(shù)在POCT中的應(yīng)用。