《Trends in Environmental Analytical Chemistry》：Recent advances in paper-based sensors for detecting and monitoring emerging organic contaminants
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新兴有机污染物检测中纸基传感器的技术进展与应用挑战
谢赫·马尼鲁尔·哈克（Shaikh Manirul Haque）| 西尔汉·阿尔-巴蒂（Sirhan Al-Batty）| 尤努萨·乌马尔（Yunusa Umar）| 埃拉雷夫·拉泰米（Elaref Ratemi）| 西德·索班·加尼（Syed Sauban Ghani）| 马苏姆·拉扎·西迪基（Masoom Raza Siddiqui）| 阿德里安·富恩特-巴列斯特罗斯（Adrián Fuente-Ballesteros）
沙特阿拉伯朱拜勒工业城朱拜勒工业学院化学工程系，邮编31961
摘要
新兴有机污染物（EOCs）的广泛存在，包括药品、个人护理产品、农药和工业化学品，对环境和人类健康构成了日益严重的威胁。传统的分析技术，如气相色谱和液相色谱结合质谱法，虽然具有高灵敏度和可靠性，但成本高昂、资源消耗大，不适合快速或现场监测。在这种情况下，基于纸张的传感器成为一种有前景的替代方案，它们具有低成本、便携性、制造简单以及环境可持续性等优点。本文综述了基于纸张的传感器在检测和监测EOCs方面的最新进展。讨论了主要的制造策略，包括光刻、蜡印、喷墨打印、丝网印刷和激光技术，并从设备性能、可扩展性和现场应用能力等方面进行了评估。同时探讨了主要的转换机制，如电化学、比色法、荧光法和化学发光法，并介绍了基于纳米材料、分子识别元件和微流控设计的优化方法，以提高灵敏度和选择性。文章还回顾了这些传感器在环境监测、医疗保健以及药品和食品分析中的应用，重点介绍了实际样品分析和方法验证。指出了当前存在的局限性，如基质效应、重复性、环境鲁棒性和大规模生产方面的问题，并提出了未来的发展方向。
引言
现代社会的快速工业化和城市化导致环境中新兴有机污染物（EOCs）的水平不断上升。这些污染物包括药品残留物、个人护理产品、工业化学品和农药。它们的含量已经达到污染物的程度，经常在地表水、地下水和土壤中被检测到，即使在微量情况下也会引起内分泌紊乱、抗药性和慢性毒性。这些污染物的持续存在主要是由于农业径流、工业排放以及传统废水处理工艺的去除效率有限所致。目前有多种分析技术可用于检测这些化学物质，例如气相色谱-质谱（GC-MS）和高性能液相色谱（HPLC），这些技术具有出色的灵敏度。然而，这些方法成本高昂、劳动密集，不适合快速或现场监测。随着监管要求和环境问题的增加，对低成本、可现场部署且检测速度快的系统的需求日益增长。
基于纸张的传感器因其价格低廉、制造简单、便携且环境友好而成为一种有前景的替代方案。这些设备利用了纸张的固有特性，如高表面积、多孔性、机械强度和支持性，采用蜡印、丝网印刷、喷墨沉积和激光图案化等制造方法，从而能够精确控制设备结构和流体流动。电化学、比色法、荧光法和化学发光法检测技术的进步进一步扩展了它们的分析能力[1]。通过引入石墨烯氧化物、碳纳米管、金属有机框架和金纳米颗粒等纳米材料，提高了灵敏度和选择性[2]。最新研究表明，这些发展使得基于纸张的传感器能够达到与传统实验室方法的检测限相当的水平，同时支持实时和现场分析。
基于纸张的传感器的多功能性使其应用范围超越了环境监测，还包括食品安全检测、药品质量控制和即时诊断。新兴的微流控纸质分析设备以及人工智能在数据分析和解释中的应用为提高分析性能和可靠性提供了有希望的解决方案[3][4][5]。选择用于制造基于纸张的传感器的纸张类型受到多种因素的影响，如制造策略和应用需求。纸张的特性也决定了这些传感器的使用方式；例如，孔径为11微米的色谱纸具有良好的吸水性，常用于μPAD（微型纸基分析设备）。过滤纸（如Whatman No. 4）的孔径较大（20–25微米），有助于提高比色和电化学检测中的试剂保留能力。酶联免疫吸附测定（ELISA）和金纳米颗粒检测可以在孔径为0.45微米的硝化纤维素膜上进行，因为这些膜具有较高的蛋白质结合能力。化学修饰也是基于纸张的传感的重要因素，生物活性纸张需要经过化学修饰以实现生物分子的固定，常用于ELISA和基于纳米颗粒的检测[6][7]。通过表面修饰，光面纸可用于乙醇检测。标准打印纸可通过蜡印和导电墨水制成可穿戴传感器。如图1所示，不同类型的纸张可用于开发针对其他分析物的传感器。电化学基于纸张的传感器已被用于量化废水中的抗生素和药品残留物，而比色系统则可实现无需仪器的农药检测。荧光和化学发光基于纸张的设备通常与智能手机成像结合使用，便于在现场对低浓度污染物进行半定量分析[4][8][9]。尽管取得了这些进展，但仍存在一些挑战，如在复杂基质中实现可靠的灵敏度和选择性、提高生物识别元件的稳定性、增强制造重复性以及整合实用的样品制备步骤等问题。此外，这些设备的大规模生产和与电子设备的集成仍需进一步研究。
需要注意的是，“检测”和“监测”是相关术语，但用途不同。“检测”确认了EOCs的存在与否，而“监测”则涉及定期或单点测量污染物的具体浓度。“检测”可以是定性的，而“监测”则是定量的。在两种情况下，检测限都是准确评估分析物的关键因素。本文综述了基于纸张的传感器在检测EOCs方面的最新进展，介绍了当前的制造策略，描述了提高灵敏度和选择性的优化方法，并强调了其在环境监测、食品安全、药品质量控制和医疗诊断中的实际应用。同时指出了该领域现有的局限性，旨在为未来研究方向提供指导，以促进基于纸张的传感器在现实世界污染物检测和监测中的更广泛应用。
文献综述方法
本次综述在Web of Science、Scopus和Google Scholar上搜索了过去10年的相关文献，搜索词包括“基于纸张的传感器”、“新兴有机污染物”、“μPAD”、“电化学检测”、“比色检测”、“荧光”和“纳米材料”等关键词组合。仅考虑了用英语发表的同行评审期刊文章，去除了重复记录。
基于纸张的传感器的发展
基于纸张的传感器利用纸张的独特性质（如多孔性、毛细作用、柔韧性和与各种化学处理的兼容性），开发出经济实惠且简单的分析工具。纸张的毛细作用消除了对外部泵的需求，使其适用于微流控应用中的被动流体传输。此外，通过添加疏水屏障（如聚合物涂层或蜡）可以轻松修改纸张，从而实现精确控制
电化学
电化学基于纸张的传感器采用丝网印刷电极集成到纸张基底中，从而开发出微型化和一次性的系统。文献中提到，甲基汞、对氧磷酯类农药和某些有机磷农药及药品化合物可以通过这些传感器在不同样品中被检测到。使用碎纸中的纤维素与复合材料PCF@Mn3O4-UiO-67结合，以及Ag/AgCl作为电极，实现了甲基汞的检测环境监测
与许多传统检测技术不同，基于纸张的设备提供了快速、简便且经济的方法来识别环境中的化学物质。为了识别环境中的有害和有毒物质（不仅仅是金属离子），许多研究人员开发了基于纸张的传感器。Nguyen等人[46]开发了一种精确、可生物降解、特定且低成本的基于纸张的传感器，利用pH指示剂的变化来检测气态胺类环境鲁棒性、兼容性和智能手机集成由于EOCs存在于多种环境条件下，因此检测和监测它们具有挑战性。这些条件包括温度波动、湿度变化、干扰化学物质以及pH变化。由于基于纸张的传感器通常成本低廉且由吸湿性强的纤维素材料制成，因此必须足够坚固以克服这些干扰因素。
结论与未来建议
基于纸张的传感器被认为是一种理想的选择，提供了一种经济、环保且用户友好的替代方案，相较于过时的检测技术，在许多领域带来了革命性的改进。这种创新的传感器制造设计结合了纸张的简单性和科学研究能力，生产出了具有广泛应用能力的设备。最近的进展扩展了基于纸张的传感器的功能
CRediT作者贡献声明
谢赫·马尼鲁尔·哈克（Shaikh Manirul Haque）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、可视化、监督、调查、数据分析、概念化。西尔汉·阿尔-巴蒂（Sirhan Al-Batty）：初稿撰写、方法论设计、调查、数据管理。尤努萨·乌马尔（Yunusa Umar）：初稿撰写、调查、数据分析。埃拉雷夫·拉泰米（Elaref Ratemi）：初稿撰写、调查、数据分析。西德·索班·加尼（Syed Sauban Ghani）：初稿撰写、调查、数据分析。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
