嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，給社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人民的健康帶來了巨大的影響，同時，生物分析與醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)可直接造福人類健康與疾病治療。目前，環(huán)境與生物分析都亟需更低成本、高效率、快速即時的分析傳感方法。微流控紙芯片的發(fā)展為構(gòu)建新型分析平臺提供了思路，尤其是在環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)學(xué)診斷方面，紙基裝置的低成本、高效便捷等優(yōu)勢有利于快速分析檢測，因此，紙基微流控芯片的發(fā)展成為近年來分析傳感科學(xué)研究關(guān)注的重點(diǎn)之一。

日前，中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所“海岸帶環(huán)境分析監(jiān)測與生態(tài)修復(fù)”研究團(tuán)隊(duì)陳令新、李博偉等為提高基于微流控紙芯片的傳感裝置在環(huán)境與生物分析中的分析效率、選擇性、靈敏性，提升紙芯片裝置上合成與分析全過程的可操作性，研究基于先進(jìn)功能材料的紙基傳感機(jī)制，探索了熒光傳感、電化學(xué)傳感以及比色傳感機(jī)制在紙芯片平臺上的構(gòu)建，研究設(shè)計(jì)了一系列低成本、便捷化、靈敏性、選擇性的快速分析方法與紙芯片裝置，并用于環(huán)境與生物分析應(yīng)用研究，在微流控紙芯片的環(huán)境分析、生物分析與器件化方面獲得了系列進(jìn)展。

環(huán)境分析方面，在團(tuán)隊(duì)的分子印跡技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢基礎(chǔ)之上，將微流控紙芯片平臺與分子印跡熒光傳感技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓展紙基移動閥設(shè)計(jì)，構(gòu)建旋轉(zhuǎn)式熒光傳感紙芯片，實(shí)現(xiàn)了海水與湖水環(huán)境中，重金屬離子、藻藍(lán)蛋白、酚類污染物的選擇性、靈敏性的多通路樣品檢測。同時，利用紙芯片配合團(tuán)隊(duì)研發(fā)的手持式比色分析儀器，實(shí)現(xiàn)了多通路重金屬離子的比色檢測。

圖1 （A）應(yīng)用于環(huán)境污染物分析的分子印跡熒光傳感旋轉(zhuǎn)式微流控紙芯片實(shí)物圖與使用操作過程示意圖，（B）該工作以封面論文發(fā)表于期刊《Analytical Chemistry》；（C）應(yīng)用于腫瘤標(biāo)志物分析的離心式全血檢測微流控紙芯片示意圖。

生物分析與臨床診斷方面，團(tuán)隊(duì)首先研制了旋轉(zhuǎn)式電化學(xué)發(fā)光免疫分析紙芯片，利用旋轉(zhuǎn)閥控制方便操作，完成了紙基多通路的復(fù)雜夾心式免疫分析洗滌過程。進(jìn)一步采用電化學(xué)方式，結(jié)合移動閥設(shè)計(jì)，在紙芯片平臺上構(gòu)建生物分子印跡聚合物，形成了一種基于可移動閥紙裝置原位合成分子印跡聚合物的無抗體生物標(biāo)志物的電化學(xué)分析策略，實(shí)現(xiàn)了人體血清中腫瘤標(biāo)志物癌胚抗原的臨床分析。在利用紙芯片離心全血獲取血清方面也進(jìn)行了研究，受拉力與繩驅(qū)動離心機(jī)的啟發(fā)，將手動離心方式與旋轉(zhuǎn)閥紙基免疫分析方法集成于一個紙芯片上，構(gòu)建了同時具備全血離心功能與免疫分析功能的微流控紙芯片，配合智能手機(jī)或便攜式比色分析儀器，在一個紙芯片上實(shí)現(xiàn)了從全血離心到免疫分析結(jié)果呈現(xiàn)的全過程。研制該芯片用于人體血液中癌胚抗原與甲胎蛋白兩種腫瘤標(biāo)志物的分析，并在臨床應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和重復(fù)性考察上達(dá)到較好的效果。

圖2 用于生物分析腫瘤標(biāo)志物的電化學(xué)分析微流控紙芯片（A）利用旋轉(zhuǎn)閥的電化學(xué)發(fā)光免疫傳感紙芯片的原理、操作示意圖與檢測性能結(jié)果圖；（B、C）利用移動閥的分子印跡電化學(xué)傳紙芯片的設(shè)計(jì)組成示意圖與實(shí)物圖，及其傳感原理與操作使用過程示意圖。

紙芯片器件化方面，該團(tuán)隊(duì)首先研發(fā)了靈活控制紙基平臺流體開關(guān)的紙基移動閥，并進(jìn)一步擴(kuò)展成為書頁式移動閥，更為靈活可拆卸更換，并取得了較好的應(yīng)用效果。在紙芯片制作方面，利用新型廉價(jià)的高聚物材料，作為紙芯片疏水屏障的構(gòu)建材料，實(shí)現(xiàn)了紙芯片上有機(jī)溶液的輸送通道的構(gòu)建，并為紙芯片的制作提供了更廉價(jià)的可能，該新型材料制作的紙芯片，在構(gòu)建紙芯片在環(huán)境致病菌的檢測方面得到較好的應(yīng)用驗(yàn)證。進(jìn)一步將紙基與3D打印芯片結(jié)合，形成混合微流控裝置系統(tǒng)，利用該微流控系統(tǒng)器件檢測了H2S對癌細(xì)胞的影響。發(fā)現(xiàn)持續(xù)暴露于低濃度H2S可通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來抑制癌細(xì)胞SMMC-7721的生長，此外還發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞中有兩個氣態(tài)分子H2S和NO存在串?dāng)_，它們在癌細(xì)胞中形成具有生物活性的中間多硫化物。

圖3 紙芯片器件化方面的相關(guān)研究成果（A）書頁式移動閥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之意圖；（B）采用高聚物材料構(gòu)建紙芯片的方法示意圖與實(shí)際應(yīng)用效果；（C、D）紙基與3D打印芯片混合微流控裝置系統(tǒng)的實(shí)物圖、設(shè)計(jì)原理示意圖以及在癌細(xì)胞生物特性研究中的應(yīng)用效果。

相關(guān)研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（Grant No. 2016YFC1400702）、國家自然科學(xué)基金（Grant No. 41776110， 21976209）、煙臺市科技發(fā)展計(jì)劃（2015ZH087）的支持。

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