纸基比色阵列传感器的研究进展 李延琪 冯亮摘要比色阵列传感器具有响应迅速的识别检测能力，结合纸基分析装置成本低廉、制作简单和多孔亲水等优点，近年来纸基比色阵列传感器的研究发展迅速，灵敏度和通用性得到了进一步提高，应用领域大大拓展，受到了研究者的广泛关注本文主要介绍了纸基比色阵列传感器的研究进展，概括了其近年在生物医疗、环境检测、食品安全等领域的应用，针对不同的检测传感材料、检测原理及性能进行了讨论，并对其研究和应用的前景和发展趋势进行了展望关键词纸基; 比色; 阵列; 传感器; 评述1引 言化学传感器主要由识别元件和信号转换器组成，利用识别元件选择性地与待分析物发生物理、化学反应，从而发生理化性质的改变，经过信号转换器将这些改变的信号参数转换或放大后输出的电学信号或光学信号（电流，颜色变化等）用于定性与定量分析，是可选择性对目标检测物产生响应和分析检测的一类装置[1，2]传统的化学传感器存在检测目标单一化、设计制作成本高、检测应用通用性差等缺点，在复杂混合物的成分分析和具有相似结构待分析物之间的识别检测过程中存在误差大、干扰因素多等问题[3]由Rankow和Suslick[4]首先提出的阵列式比色传感器是一类模仿哺乳动物味觉和嗅觉识别模式的化学传感器，由多个识别元件排布形成阵列结构，每个识别元件都对待分析物产生不同的响应，经信号转换器将所有的响应信号收集后，便可得到不同待分析物的特定识别图像（又称“指纹图谱”），实现对多组分物质和相似组分物质的识别区分。
阵列传感器的检测方法众多，光化学比色检测法由于操作过程简单便捷、选择性好、检测速度快而被广泛应用[5～7]，借助平板扫描仪[8]、数码相机[9]或摄像头[10]等便携式仪器将传感单元响应前后颜色变化转换为光谱信息，并获得相应R、G、B（红、绿、蓝）3个通道的数值，通过数据分析方法和软件对待分析物质进行识别检测和区分[11]2007年，Martinez等[12]将滤纸作为基础材料，用于制作纸基比色检测装置常用的纸质基材包括纤维素滤纸、硝化纖维膜和普通打印纸等，具有多孔性、亲水性和润湿性的特点，同时来源广泛、成本低廉、制作简单[13～19]纸基比色检测装置的制作方法主要包括疏水屏障的构建和检测试剂的沉积首先，通过蜡印法[20]、喷墨打印法[21]、光刻胶刻蚀法[22]、化学沉积法[23]等方法在纸基上构建疏水屏障制作溶液检测区域，再用传统沉积方法，如毛细管点样法和移液枪移液的方式，将检测试剂沉积在纸基上近年来，喷墨打印和激光打印等新方法也被用于纸基上检测试剂的沉积，进一步提高了纸基比色检测装置的制作效率，检测结果的重现性和准确性[24～26]纸基比色检测装置具有检测准确性好、选择性高的优点，但对于不同的待测物需要设计制作不同的纸基检测装置，因此存在通用性较差的问题。
同时，纸基检测装置对于某些化学结构相近的检测物无法进行识别检测也是一个问题纸基比色阵列传感器结合了比色阵列传感器对待分析物快速响应、特异性识别的功能，拓展了纸基分析装置的检测应用范围和通用性，实现了同一传感器对多种待分析物及其不同浓度的识别检测光化学比色阵列传感器中常用的检测试剂，如商业化pH指示剂、染料、卟啉和金属卟啉试剂、氧化还原指示剂等，同样适用于制作纸基比色阵列传感器[27]一些新型传感材料，如合成荧光探针、纳米粒子和共轭聚合物等，也被用于制作纸基比色阵列传感器，进一步扩大了检测的应用范围，提高了灵敏度和准确性[28，29]纸基比色阵列传感器的制作方法与纸基分析装置大致相同，先用蜡印、光刻胶刻蚀等方法在纸基上构建检测区域，再将检测试剂沉积于相应的检测区域，检测试剂的沉积方法包括毛细管移液法、移液枪移液法、喷墨打印法和点蘸压铸法等为了克服纸基上检测试剂因与待分析物溶液接触发生自由扩散而导致的传感单元失效、检测结果误差大等问题，进一步提高检测的灵敏度和准确性，固载和富集技术的应用在纸基比色阵列传感器的制作和组装中非常重要本文综述了近年纸基比色阵列传感器在生物医疗、环境检测和食品安全领域的应用，介绍了其制作方法、检测原理和性能，并对纸基比色阵列传感器的研究和应用前景进行了展望。
2纸基比色阵列传感器的应用2.1生物医学的诊断与检测在生物医学诊断和检验中，生物酶、抗癌药物、植物挥发性物质、生物小分子（如葡萄糖）、尿酸以及兴奋剂等是重要的检测对象[30～32]生物体内的酶含量是人体正常新陈代谢和疾病早期筛查的重要指标，对血清中酶含量的检测非常重要相较于传统酶检测方法，纸基比色阵列传感器具有无需大型仪器设备和专业人员，检测快速、结果直观、灵敏度高、选择性好的优点张慧妍等[33]制作了纸基微孔阵列芯片， 对血清中乳酸脱氢酶（Lactate dehydrogenase， LDH）的浓度进行检测用光刻胶法对纸基进行疏水处理，将吩嗪二甲酯硫酸盐（Phenazine methosulfate， PMS）与氯化硝基四氮唑蓝（Nitrotetrazolium blue chloride， NBT）组成的显色体系沉积于相应的纸基微孔中，得到310纸基微孔比色阵列芯片LDH催化脱氢反应中，PMS结合氧化型辅酶I（Nicotinamide adenine dinucleotide trihydrate， NAD+）转移的氢后被还原，还原产物与NBT结合生成蓝紫色甲臜，显色强度与LDH浓度呈线性关系，人血清白蛋白（Human serum albumin， HSA）对显色检测体系具有增强作用。
通过凝胶成像仪和普通照相机成像两种方式获得检测结果，检出限分别为9.44 U/L和12.36 U/L， 该纸基微孔阵列芯片对LDH的检测具有非常好的选择性（对胰岛素、溶菌酶、HSA、木瓜蛋白酶、葡萄糖、胰蛋白酶、牛血清白蛋白均无响应）在此基础上，陈熙等[34]基于类似的显色机理制作了39纸基微阵列，将5-溴-4-氯-3-吲哚磷酸盐（5-Bromo-4-Chloro-3-Indolyl Phosphate， BCIP）与氯化硝基四氮唑蓝（NBT）组成的显色体系用于检测血清中碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase， ALP）的浓度，该纸基微孔检测装置中HSA同样具有显色增强的作用，提高了检测的灵敏度，并实现了ALP阵列可视化半定量检测Jia等[35]利用蜡印在滤纸上制作出亲水检测区域，选择9种商业化指示剂和染料制作了33纸基比色阵列传感器，并用于尿液中葡萄糖的检测与其它纸基比色检测装置相比，通过在纸基传感器上增加校准点的方式，该纸基比色阵列传感器可实现对不同在不同光照环境和拍摄角度下拍摄图像光信号数值的自校正，从而提高了检测结果的准确性和该传感器的实用性，识别和区分准确率达到100%。
纸基比色阵列传感器可对多种待测物进行识别和定量检测的特性，使其在毒品兴奋剂的筛查方面具有良好的应用前景，有效地降低了检测成本，缩短了检测时间Silva等[36]通过蜡印在滤纸上制作出亲水检测区域，以酸性、碱性和重水3种溶剂为介质，用8种化学试剂与亚硝酸钠、苯甲酸钠、磺胺酸混合后，制作了含有35个传感单元的纸基比色阵列传感器，该传感器可对8种可混入可卡因毒品中的兴奋剂（咖啡因、普鲁卡因、非那西丁、左旋咪唑、苯佐卡因、利多卡因、氨基比林和对乙酰氨基酚）进行识别和定量检测，检测过程只需5 min，检测浓度范围为1～10 mmol/L，准确率达到100%2.2环境检测近年来，环境污染问题备受关注，污染的来源主要是挥发性有机物（Volatile organic compounds， VOCs）和重金属离子污染，通过农产品、水源以及呼吸系统进入人体，对人类的健康造成安全隐患此外，一些VOCs是生物体重要的生物标记物，对某些疾病的早期诊断具有重要意义因此，对环境中的VOCs（包括有机溶剂）和重金属离子等进行快速、准确的检测是非常重要的纸基比色阵列传感器结合纸基多孔透气性和比色阵列特异性识别的性能，克服了传统检测方法需要大型仪器和专业的操作人员，以及操作复杂的缺点，更具有优势和应用前景。
2.2.1VOCs的检测比色阵列传感器模拟生物嗅觉系统构建多个响应传感单元，可实现多种VOCs的识别检测，被称为“电子鼻”[37]植物挥发性物质是监测植物生长情况的标志性物质，对植株疾病早期诊断具有重要意义晚疫病病菌感染番茄和土豆的幼苗叶片后会引起植株死亡，对农业生产不利Li等[38]将半胱氨酸（L-Cysteine， Cys）修饰的金纳米材料用于特异性识别植物叶片感染晚疫病病菌后产生的标志性挥发物质（E）-2-己烯醛结合另外5种化学指示剂，用钢针点蘸压铸法在硝化纤维膜上制作了如图1B所示的纸基比色阵列传感器以如图1A所示的金纳米棒检测原理为例，基于纳米粒子聚集引起局部表面等离子共振（Localized surface plasmon resonance， LSPR）变化的原理，首先用置换反应将Cys修饰于金纳米棒表面，（E）-2-己烯醛作为α，β-不饱和羰基共轭化合物，可与纳米棒表面的Cys发生1，4-迈克加成反应，从而引起金纳米棒团聚，导致颜色变化手持检测设备操作流程如图1C所示，將透明玻璃瓶采集的植物叶片挥发物通过3D打印的外加装置抽吸至装有纸基比色阵列传感器的小室内，通过拍摄及软件处理，在1 min内得到植物叶片中（E）-2-己烯醛的浓度检测结果。
该传感器可快速检测亚mg/L级浓度的（E）-2-己烯醛，无需复杂的样品处理过程和检测技术（如聚合酶链式反应技术（Polymerase chain reaction， PCR）），检测结果的准确率高达95%，对植物晚疫病的诊断速度比目视检查法约快48 h，除（E）-2-己烯醛外，还可对10种植物绿叶挥发性物质和植物激素（如茉莉酸甲酯、水杨酸甲酯等）进行识别检测环境中的VOCs对人体健康造成巨大的威胁，长期暴露于超标的VOCs环境中会导致多种疾病，对其进行快速、实时的识别检测和浓度监控非常重要利用不同检测试剂与VOCs发生不同程度的化学反应，产生不同的颜色，纸基比色阵列传感器不仅能区分不同的VOCs，同时还能实现定量检测由于具有体积小、检测快速、操作便捷的优点，纸基比色阵列传感器能“实时实地”对VOCs进行监测，无需专业实验室、大型昂贵的仪器设备和专业人员氨气和其它小分子挥发气体（如二氧化碳、硫化氢、二氧化氮等）是环境中常见有害气体，也是生物体内的信号分子Chen等[39]用pH指示剂、金属卟啉试剂和两种离子对试剂制作了条状和44两种纸基比色阵列传感器，分别用于氨气和二氧化碳的检测用疏水硅胶喷雾代替蜡印法处理纸质基材，通过扫描仪和相应软件获得检测结果，并进行数据分析，实现了对二氧化碳和氨气浓度区分和识别检测，两者的检出限浓度分别为14.7106和17106（V/V）。
Soga等[40]制作了含6个传感单元的条状纸基比色阵列传感器，并用于7种伯胺（正甲胺、正乙胺、正丙胺、正丁胺、正戊胺、正己胺和正庚胺）的识别检测将对伯胺具有特异性响应的偶氮试剂衍生物作为封端试剂，与合成的极性聚合物和非极性聚合物结合得到两种具有不同极性的聚合物纳米颗粒再利用喷墨打印的方法将两种聚合物按比例沉积于纸基上，得到6个具有不同极性的检测区域，与因碳链长度不同而具有不同极性的伯胺结合时，偶氮化合物中三氟乙酰基转化为半胺醛，减弱了π电子的受体能力，导致其吸收光谱发生蓝移，传感区域由橙色变为黄色该纸基比色阵列传感器利用喷墨打印技术实现了检测试剂沉积比例的精确控制，提高了检测结果的准确性和重现性，对同类伯胺具有非常好的区分和识别能力，同时，该纸基阵列传感器对伯胺的识别检测结果不受环境湿度的影响Nguyen等[41]选择了7种酸碱指示范围为pH 3.0～8.8的pH指示剂制作了纸基比色阵列传感器，利用不同pH指示剂对碱性不同的乙醇胺、二。