《Talanta》：Nanozymes on Paper: Transforming Microfluidic Devices for Portable Biosensing
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μPADs通过毛细作用实现无泵液控，结合纳米酶的高稳定性和可调催化活性，为POCT提供低成本、便携的检测平台，在生物标志物和环境污染物分析中展现重要应用价值。
赵俊杰|罗二贵|王文娟|杜志|黄迪
太原理工大学人工智能学院，功能蛋白质山西省重点实验室，纳米生物材料与再生医学研究中心，生物医学工程系，中国太原030024
摘要
基于纸张的微流控分析设备（μPADs）通过形成疏水屏障来构建亲水通道，并利用毛细作用实现无泵流体控制。作为即时检测（POCT）平台，与传统微流控芯片相比，它们具有低成本、操作简便和样品消耗量低等显著优势。这些设备特别适用于资源有限地区和家庭医疗环境中的生物标志物检测。为了克服传统天然酶作为生物识别元素时存在的高成本和环境不稳定性问题，具有过氧化物酶（POD）类似活性的氧化还原纳米酶已成为一种稳定且经济的替代品。通过物理吸附和原位生长技术的协同作用，纳米酶-μPAD组合为包括疾病生物标志物、病原体和环境污染物在内的多种分析物提供了快速、用户友好的检测能力。本文综述了通过集成纳米酶对μPADs进行功能改造的研究进展，系统讨论了纳米酶的类别、设计、筛选和调控策略，并详细阐述了其在信号放大中的催化机制。文章重点介绍了纳米酶功能化μPADs在生物医学诊断和食品安全检测领域的关键应用，并概述了该技术的未来发展趋势、现有挑战及潜在研究方向。
引言
微流控技术出现于20世纪90年代，其发展得益于半导体微制造技术的进步以及分析化学领域对仪器小型化的需求增加。1990年，Manz等人提出了“微全分析系统（μTAS）”的概念，为微系统的构建奠定了理论基础[1]。这类设备通常被称为“芯片实验室”（LOC），其特征是在玻璃、聚合物或硅基底上制备的微米级通道（10-500 μm）[2]。通过结合流体力学、电化学或光学控制原理以及精确的流体操控技术，可以实现多功能分析和检测系统。由于具有样品消耗量低、便携性强和对操作者技能要求低等固有优势，微流控芯片被广泛应用于即时检测（POCT）中。基于纸张的微流控技术进一步提升了POCT平台的功能[3]、[4]、[5]。2007年，Whitesides及其同事首次提出了基于纸张的微流控分析设备（μPADs）的概念[6]。基于纸张的μPADs能够显著降低制造成本，并利用纸张的天然毛细作用实现无需外部泵或阀门的被动流体传输[7]、[8]、[9]、[10]。此外，纸张的多孔结构有利于生物大分子的固定；使用后这些设备可以安全焚烧，提供了一种环保的处置方法[11]。
为了提高微流控检测系统的实用性，高灵敏度和特异性目标识别能力至关重要。天然酶具有优异的催化活性和选择性，是满足这些要求的理想生物催化剂，因此在食品加工、制药、环境保护和生物技术领域得到广泛应用[12]。然而，天然酶的应用常常受到高生产成本和稳定性差的限制。因此，具有酶模拟活性的纳米材料（统称为“纳米酶”）已成为一种强有力的替代方案[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。2007年，Yan的研究小组发现Fe3O4纳米颗粒具有内在的过氧化物酶（POD）活性，能够催化H2O2的分解，从而提出了“纳米酶”的概念[19]。后续研究表明，多种纳米材料具有类似酶的功能，例如碳点（CDs）[20]、单原子纳米酶（SAzymes）[21]、金属纳米簇[22]和金属有机框架（MOFs）[23]已成功应用于生物传感器的构建[24]。与天然酶相比，纳米酶在合成和纯化简便、稳定性高和成本低等方面具有显著优势。此外，通过调节纳米酶的尺寸和形态可以调整其催化活性，表明其在商业应用方面具有广阔前景[13]、[17]、[25]、[26]。
纳米酶与μPADs的结合充分发挥了两者的优势。一方面，纳米酶的高催化活性显著提高了μPADs的检测效率和灵敏度；另一方面，μPADs为纳米酶提供了一个便携且低成本的检测平台，进一步降低了检测成本。因此，纳米酶与μPADs的结合是加速POCT、环境监测和食品安全分析发展的有效策略[11]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。本文系统总结了近年来纳米酶集成μPADs在POCT领域的研究进展。尽管已有相关综述，但这些综述主要集中在特定类型纳米酶或μPADs的孤立应用上，缺乏全面探讨纳米酶与μPADs协同作用的文献。为填补这一研究空白，本文全面概述了这一跨学科领域的研究进展。首先介绍了μPADs的发展历程、基本结构、制备方法和最新研究趋势，详细解释了纳米酶的定义、分类、催化机制、调控策略和动力学分析，并总结了纳米酶集成μPADs的分析和检测机制。此外，还重点介绍了其在POCT领域的代表性应用，包括食品安全分析和生物医学诊断，并分析了其技术优势和局限性。最后讨论了纳米酶集成μPADs当前面临的挑战及未来发展方向，强调了多学科合作对推动该领域进一步创新和发展的重要性。
μPADs简介
微流控技术诞生于20世纪90年代，其发展得益于半导体微制造技术的进步以及分析化学领域对仪器小型化的需求增长。1990年，Manz等人提出了“微全分析系统（μTAS）”的概念，为微系统的构建奠定了理论基础[1]。这类设备通常被称为“芯片实验室”（LOC），其特征是在玻璃、聚合物或硅基底上制备的微米级通道（10-500 μm）[2]。通过结合流体动力学、电化学或光学控制原理与精确的流体操控技术，可以实现多功能分析和检测系统。由于具有样品消耗量低、便携性强和对操作者技能要求低等优势，微流控芯片被广泛应用于即时检测（POCT）。基于纸张的微流控技术的应用进一步提升了POCT平台的功能[3]、[4]、[5]。2007年，Whitesides及其同事首次提出了基于纸张的微流控分析设备（μPADs）的概念[6]。这种技术基于纸张，能够显著降低制造成本，并利用纸张的天然毛细作用实现被动流体传输，无需外部泵或阀门[7]、[8]、[9]、[10]。此外，纸张的多孔结构有利于生物大分子的固定；使用后这些设备可以安全焚烧，提供了一种环保的处置方法[11]。
为了提高微流控检测系统的实用性，高灵敏度和特异性目标识别能力至关重要。天然酶具有优异的催化活性和选择性，是满足这些要求的理想生物催化剂。因此，它们被广泛应用于食品加工、制药、环境保护和生物技术领域[12]。然而，天然酶的应用常常受到高生产成本和稳定性差的限制。因此，具有酶模拟活性的纳米材料（统称为“纳米酶”）已成为一种有力的替代品[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。2007年，Yan的研究小组发现Fe3O4纳米颗粒具有内在的过氧化物酶（POD）活性，能够催化H2O2的分解，从而提出了“纳米酶”的概念[19]。后续研究表明，多种纳米材料具有类似酶的功能。例如，碳点（CDs）[20]、单原子纳米酶（SAzymes）[21]、金属纳米簇[22]和金属有机框架（MOFs）[23]已成功应用于生物传感器的构建[24]。与天然酶相比，纳米酶在合成和纯化简便、稳定性高和成本低等方面具有显著优势。此外，通过调节纳米酶的尺寸和形态可以调整其催化活性，表明其在商业应用方面具有广阔前景[13]、[17]、[25]、[26]。
纳米酶与μPADs的结合充分利用了两者的优势。一方面，纳米酶的高催化活性显著提高了μPADs的检测效率和灵敏度；另一方面，μPADs为纳米酶提供了一个便携且低成本的检测平台，进一步降低了检测成本。因此，纳米酶与μPADs的结合是加速POCT、环境监测和食品安全分析发展的有效策略[11]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。本文系统总结了近年来纳米酶集成μPADs在POCT领域的研究进展。尽管已有相关综述，但这些综述主要关注特定类型纳米酶或μPADs的孤立应用，缺乏全面探讨纳米酶与μPADs协同作用的文献。为了填补这一研究空白，本文全面概述了这一跨学科领域的研究进展。首先介绍了μPADs的发展历程、基本结构、制备方法和最新研究趋势，详细解释了纳米酶的定义、分类、催化机制、调控策略和动力学分析，并总结了纳米酶集成μPADs的分析和检测机制。此外，还重点介绍了其在POCT领域的代表性应用，包括食品安全分析和生物医学诊断，并分析了其技术优势和局限性。最后讨论了纳米酶集成μPADs当前面临的挑战及未来发展方向，强调了多学科合作对推动该领域进一步创新和发展的重要性。
μPADs简史
纸张在分析测试中的应用可以追溯到17世纪，当时英国化学家Robert Boyle发明了石蕊试纸，这种试纸至今仍被广泛使用。此后，纸张作为一种分析材料持续吸引着研究人员的关注[35]、[36]。1944年，Martin及其同事将基于纸张的平台应用于色谱分离分析，推动了基于纸张的分析技术的发展[37]。20世纪40年代，...
纳米酶
纳米酶是具有内在酶样催化活性的纳米材料。纳米酶的概念是基于功能而非结构来定义的。它们不仅可以模拟天然酶，还具有低成本、高稳定性和环境友好性等优点[15]、[16]、[17]、[32]、[132]。与天然酶催化剂类似，它们可以在不改变反应平衡的情况下加速反应速率。
纳米酶支持的生物分析：从选择性识别到多模式信号报告
生物分析通常包括两个主要阶段：信号识别和信号读取。在识别阶段，酶/底物对、分子印迹聚合物（MIPs）、抗原/抗体和适配体等元件选择性捕获目标分子[196]、[197]。纳米酶通常作为信号转换器，模拟天然酶实现催化信号放大。识别模式主要包括三种方式：
基于纳米酶的μPADs在POCT中的应用
由于速度快、便携性强且操作简便，POCT被广泛应用于家庭医疗和资源有限的环境中。这些方法不需要昂贵的仪器和专业人员，同时保持了与中心实验室相同的诊断准确性，从而显著降低了成本并提高了效率[3]、[207]、[208]、[209]、[210]。通过利用可调的催化活性和多种类型的纳米酶，研究人员可以根据具体需求定制这些材料。
结论与展望
成本效益和操作简便性对于食品安全和生物医学应用至关重要。纳米酶技术的出现为POCT带来了新的机遇。当纳米酶与μPADs结合时，这种技术有助于构建一个无泵、便携、成本效益高且用户友好的平台。本文综述了基于纳米酶的μPADs的最新进展，涵盖了制备方法、工作原理、纳米酶分类和催化机制。通过结合纳米酶...
新颖性声明
目前，关于纳米酶或基于纸张的微流控分析设备（μPADs）的综述大多局限于各自的领域，缺乏对两者交叉领域的系统探索。即使是少数同时研究这两种技术的文章也往往只关注特定方法或场景，未能充分展现它们的综合潜力。因此，本文旨在系统总结纳米酶与μPADs交叉领域的最新进展，分析它们的技术...
CRediT作者贡献声明
罗二贵：撰写 – 审稿与编辑。王文娟：撰写 – 审稿与编辑。黄迪：资源获取、项目管理、资金筹集、概念构思。赵俊杰：撰写 – 初稿。杜志：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、资源获取、项目管理、资金筹集、概念构思
利益冲突
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了
国家自然科学基金（编号：22307092、22207082、12272253）和
山西省自然科学基金（编号：202203021222087）的支持。此外，作者还感谢
BioRender.com在图表制作中的帮助。
