基于微流控纸芯片的环境与生物分析研发取得系列进展中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室

严重的环境污染问题，给社会经济的可持续发展和人民的健康带来了巨大的影响，同时，生物分析与医学诊断技术可直接造福人类健康与疾病治疗。目前，环境与生物分析都亟需更低成本、高效率、快速即时的分析传感方法。微流控纸芯片的发展为构建新型分析平台提供了思路，尤其是在环境监测和医学诊断方面，纸基装置的低成本、高效便捷等优势有利于快速分析检测，因此，纸基微流控芯片的发展成为近年来分析传感科学研究关注的重点之一。

中国科学院烟台海岸带研究所“海岸带环境分析监测与生态修复”研究团队陈令新、李博伟等为提高基于微流控纸芯片的传感装置在环境与生物分析中的分析效率、选择性、灵敏性，提升纸芯片装置上合成与分析全过程的可操作性，研究基于先进功能材料的纸基传感机制，探索了荧光传感、电化学传感以及比色传感机制在纸芯片平台上的构建，研究设计了一系列低成本、便捷化、灵敏性、选择性的快速分析方法与纸芯片装置，并用于环境与生物分析应用研究，在微流控纸芯片的环境分析、生物分析与器件化方面获得了系列进展。

图1 （A）应用于环境污染物分析的分子印迹荧光传感旋转式微流控纸芯片实物图与使用操作过程示意图，（B）该工作以封面论文发表于期刊Analytical Chemistry；（C）应用于肿瘤标志物分析的离心式全血检测微流控纸芯片示意图。

环境分析方面，在团队的分子印迹技术发展优势基础之上，将微流控纸芯片平台与分子印迹荧光传感技术相结合，进一步拓展纸基移动阀设计，构建旋转式荧光传感纸芯片，实现了海水与湖水环境中，重金属离子、藻蓝蛋白、酚类污染物的选择性、灵敏性的多通路样品检测。同时，利用纸芯片配合团队研发的手持式比色分析仪器，实现了多通路重金属离子的比色检测（Analytical Chemistry, 2018，90，11827-11834；Sensor and Actuator B-Chemical, 2017, 251, 224-233；ACS Sensors, 2017, 2, 243-250 ； Sensor and Actuator B-Chemical, 2020, 305, 127462 ；中国科学-化学，2020，50，463-475）。

图2 用于生物分析肿瘤标志物的电化学分析微流控纸芯片（A）利用旋转阀的电化学发光免疫传感纸芯片的原理、操作示意图与检测性能结果图；（B、C）利用移动阀的分子印迹电化学传纸芯片的设计组成示意图与实物图，及其传感原理与操作使用过程示意图。

生物分析与临床诊断方面，团队首先研制了旋转式电化学发光免疫分析纸芯片，利用旋转阀控制方便操作，完成了纸基多通路的复杂夹心式免疫分析洗涤过程。进一步采用电化学方式，结合移动阀设计，在纸芯片平台上构建生物分子印迹聚合物，形成了一种基于可移动阀纸装置原位合成分子印迹聚合物的无抗体生物标志物的电化学分析策略，实现了人体血清中肿瘤标志物癌胚抗原的临床分析。在利用纸芯片离心全血获取血清方面也进行了研究，受拉力与绳驱动离心机的启发，将手动离心方式与旋转阀纸基免疫分析方法集成于一个纸芯片上，构建了同时具备全血离心功能与免疫分析功能的微流控纸芯片，配合智能手机或便携式比色分析仪器，在一个纸芯片上实现了从全血离心到免疫分析结果呈现的全过程。研制该芯片用于人体血液中癌胚抗原与甲胎蛋白两种肿瘤标志物的分析，并在临床应用实验和重复性考察上达到较好的效果。（Biosensors & Bioelectronics, 2019, 142 ；Analytical Chemistry, 2017, 89, 5708-5713； Analytica Chimica Acta, 2018, 1007, 33-39 ；Biosensors & Bioelectronics, 2020,接收）。

图3 纸芯片器件化方面的相关研究成果（A）书页式移动阀的设计结构之意图；（B）采用高聚物材料构建纸芯片的方法示意图与实际应用效果；（C、D）纸基与3D打印芯片混合微流控装置系统的实物图、设计原理示意图以及在癌细胞生物特性研究中的应用效果。

纸芯片器件化方面，该团队首先研发了灵活控制纸基平台流体开关的纸基移动阀，并进一步扩展成为书页式移动阀，更为灵活可拆卸更换，并取得了较好的应用效果。在纸芯片制作方面，利用新型廉价的高聚物材料，作为纸芯片疏水屏障的构建材料，实现了纸芯片上有机溶液的输送通道的构建，并为纸芯片的制作提供了更廉价的可能，该新型材料制作的纸芯片，在构建纸芯片在环境致病菌的检测方面得到较好的应用验证。进一步将纸基与3D打印芯片结合，形成混合微流控装置系统，利用该微流控系统器件检测了H₂S对癌细胞的影响。发现持续暴露于低浓度H₂S可通过诱导细胞凋亡来抑制癌细胞SMMC-7721的生长，此外还发现癌细胞中有两个气态分子H₂S和NO存在串扰，它们在癌细胞中形成具有生物活性的中间多硫化物。（Analytical Chemistry, 2017, 89, 5708-5713；ACS Sensors , 2018, 3, 1789-1794 ；Sensor and Actuator B-Chemical, 2020, 303, 127213 ；ACS Sensors, 2020, 5, 464-473 ；）。

相关研究得到国家重点研发计划（Grant No. 2016YFC1400702）、国家自然科学基金(Grant No. 41776110, 21976209),、烟台市科技发展计划（2015ZH087）的支持。

相关论文：

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