快速分析方法與紙芯片裝置研發(fā)，在環(huán)境與生物分析應用方面取得進展

嚴重的環(huán)境污染問題，給社會經(jīng)濟的可持續(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)學診斷技術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研究關注的重點之一。

日前，中國科學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”研究團隊陳令新、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，研究基于先進功能材料的紙基傳感機制，探索了熒光傳感、電化學傳感以及比色傳感機制在紙芯片平臺上的構建，研究設計了一系列低成本、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展。

環(huán)境分析方面，在團隊的分子印跡技術發(fā)展優(yōu)勢基礎之上，將微流控紙芯片平臺與分子印跡熒光傳感技術相結合，進一步拓展紙基移動閥設計，構建旋轉式熒光傳感紙芯片，實現(xiàn)了海水與湖水環(huán)境中，重金屬離子、藻藍蛋白、酚類污染物的選擇性、靈敏性的多通路樣品檢測。同時，利用紙芯片配合團隊研發(fā)的手持式比色分析儀器，實現(xiàn)了多通路重金屬離子的比色檢測。

圖1 （A）應用于環(huán)境污染物分析的分子印跡熒光傳感旋轉式微流控紙芯片實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）應用于腫瘤標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，團隊首先研制了旋轉式電化學發(fā)光免疫分析紙芯片，利用旋轉閥控制方便操作，完成了紙基多通路的復雜夾心式免疫分析洗滌過程。進一步采用電化學方式，結合移動閥設計，在紙芯片平臺上構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志物的電化學分析策略，實現(xiàn)了人體血清中腫瘤標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行了研究，受拉力與繩驅動離心機的啟發(fā)，將手動離心方式與旋轉閥紙基免疫分析方法集成于一個紙芯片上，構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，配合智能手機或便攜式比色分析儀器，在一個紙芯片上實現(xiàn)了從全血離心到免疫分析結果呈現(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志物的分析，并在臨床應用實驗和重復性考察上達到較好的效果。

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

紙芯片器件化方面，該團隊首先研發(fā)了靈活控制紙基平臺流體開關的紙基移動閥，并進一步擴展成為書頁式移動閥，更為靈活可拆卸更換，并取得了較好的應用效果。在紙芯片制作方面，利用新型廉價的高聚物材料，作為紙芯片疏水屏障的構建材料，實現(xiàn)了紙芯片上有機溶液的輸送通道的構建，并為紙芯片的制作提供了更廉價的可能，該新型材料制作的紙芯片，在構建紙芯片在環(huán)境致病菌的檢測方面得到較好的應用驗證。進一步將紙基與3D打印芯片結合，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對癌細胞的影響。發(fā)現(xiàn)持續(xù)暴露于低濃度H2S可通過誘導細胞凋亡來抑制癌細胞SMMC-7721的生長，此外還發(fā)現(xiàn)癌細胞中有兩個氣態(tài)分子H2S和NO存在串擾，它們在癌細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研究成果（A）書頁式移動閥的設計結構之意圖；（B）采用高聚物材料構建紙芯片的方法示意圖與實際應用效果；（C、D）紙基與3D打印芯片混合微流控裝置系統(tǒng)的實物圖、設計原理示意圖以及在癌細胞生物特性研究中的應用效果。

相關研究得到國家重點研發(fā)計劃（Grant No. 2016YFC1400702）、國家自然科學基金（Grant No. 41776110， 21976209）、煙臺市科技發(fā)展計劃（2015ZH087）的支持。

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