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微流控纸芯片通过整合色谱纸和玻璃纤维纸材料，实现了对Pb(II)、Cu(II)、Hg(II)和Cr(VI)的双模式同步检测，检测限分别为0.005、0.002、0.002和0.029 mg/L，为现场快速筛查重金属提供了新方法。
安颖颖|张继飞|高欣|李颖|王婉|张青
中国检验检疫科学院国家市场监督管理总局消费品质量安全检测与风险评估重点实验室，北京100176
摘要
目前，大多数基于微流控技术的纸质分析装置（μPADs）都是使用单一类型的纸材料制造的。然而，这种设计在μPADs的双模式检测方面存在潜在挑战。由于理想的纸材料是为特定检测模式量身定制的，仅使用一种纸材料可能会限制不同检测模式达到最佳性能。本研究证明，通过结合不同类型的纸材料制成的微流控纸芯片可以有效克服这一限制。作为概念验证，我们开发了一种能够实现多种金属离子双模式检测的装置。我们研究了纸材料对比色法和电化学检测性能的影响。该装置的核心组件是一个三维纸芯片，其中集成了色谱纸和玻璃纤维纸，分别实现了对Pb(II)、Cu(II)和Hg(II)的电化学检测以及对Cr(VI)的比色检测的最佳性能。在最佳条件下，Pb(II)、Cu(II)、Hg(II)和Cr(VI)的检测限（LODs）分别为0.005 mg L?1、0.002 mg L?1、0.002 mg L?1和0.029 mg L?1。进一步评估了该策略的选择性。除了Cd(II)对Pb(II)测定的干扰外，该方法对其他分析物表现出令人满意的选择性。该分析装置能够有效检测玩具样品中的重金属，其结果与标准方法获得的结果一致。它为单个样品中多种分析物的同时快速定量提供了一个有前景的替代平台。此外，结合不同纸材料的策略为需要提高灵敏度和重复性的其他系统提供了一种新的通用方法。
引言
基于微流控技术的纸质分析装置（μPADs）由于具有易于获取的基底材料、显著的毛细作用、简单的制造工艺以及多重分析能力，成为现场快速筛查多种分析物的极具前景的平台[1]、[2]、[3]、[4]。在μPADs中集成的检测方法中，比色法和电化学法应用最为广泛。基于纸的比色法便携、成本低廉且检测结果直观，还可以与智能手机技术无缝集成，特别适合现场检测[5]、[6]。与比色法相比，基于纸的电化学分析装置通常具有更高的灵敏度[7]、[8]。最近的研究进展表明，研究人员已将双模式检测集成到单一装置中[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。例如，我们团队之前设计了一种用于同时定量样品中Cr(VI)和总Cr的比色/电化学双读数μPAD[11]。同样，Promsuwan等人开发了一种双模式电化学/比色PAD，用于同时监测美白化妆品中的氢醌和Hg(II)[13]。将高灵敏度的电化学技术和直观的结果比色法集成到一个装置中，可以利用两种检测方法的协同优势。与单模式检测系统相比，双模式平台能够在一次运行中同时定量具有不同化学性质（如电化学活性和非活性物种）的多种分析物，从而显著减少检测时间和试剂消耗。
目前，大多数现有的PADs都是使用单一纸材料制造的。这种设计对双模式检测构成了重大挑战，因为纸材料会影响分析性能[4]、[14]。通常，理想的纸材料是为特定检测模式量身定制的。例如，硝化纤维素膜纸因其蛋白质固定和结合能力而被证明适用于酶联免疫吸附测定[3]、[15]。然而，这类膜材料不适用于电化学应用，因为其内在的功能基团在高电位下可能会发生氧化[15]。因此，仅依赖单一纸基底可能无法在电化学和比色检测中同时实现最佳性能。这种限制可能导致某些分析物的检测灵敏度低或重复性差，从而对实际应用产生不利影响。
在这里，我们证明了同时使用两种材料制造纸质微芯片是一种可行的策略，以解决上述挑战。选择了四种金属离子Pb(II)、Cu(II)、Hg(II)和Cr(VI)作为模型分析物。我们明确了纸材料对这些离子的比色法和电化学检测性能的影响。色谱纸被确定为Pb(II)、Cu(II)和Hg(II)电化学检测的最佳材料，而玻璃纤维纸则是Cr(VI)比色检测的最佳选择。通过结合这两种纸材料，我们开发了一种用于双模式检测的μPAD，实现了Pb(II)、Cu(II)、Hg(II)和Cr(VI)的超灵敏和快速检测（图1A）。传统的重金属分析方法，包括原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法和电感耦合等离子体原子发射光谱法，虽然灵敏度高且可靠，但难以满足快速筛查和现场监测的需求，因为它们需要昂贵的仪器、专业操作人员以及复杂的样品预处理。本研究提出的方法有效补充了传统的分析方法，具有高灵敏度、低成本和易于操作的特点，更适合现场检测。据我们所知，这是首次报道使用不同纸材料制造用于双模式检测的纸质装置。此外，该装置对所有分析物的灵敏度大致均匀，这比其他用于重金属检测的双模式纸质方法有了显著进步。
材料与设备
Pb(II)标准溶液、Cu(II)标准溶液、Hg(II)标准溶液和Cr(VI)标准溶液（ICP浓度为1000 mg L?1）、1,5-二苯基卡巴肼（DPC）和邻苯二甲酸酐购自Sigma-Aldrich（美国）。浓盐酸（36–38%，w/w）、磷酸（85%，w/w）、无水乙醇和丙酮购自Fisher（美国）。氯化钾（KCl）、六水合氯化镁（MgCl2·6H2O）、二水合氯化钙（CaCl2·2H2O）、硫酸镍（NiSO4）也来自Fisher（美国）。
纸材料对比色检测和电化学检测性能的影响
纸材料是μPADs中最关键的组成部分，其特性各不相同。这些差异可能会影响μPADs的分析性能[14]、[15]。在本研究中，为了获得最佳的分析性能，我们测试了几种常用的μPADs纸材料，包括Whatman色谱纸（1#）、Whatman滤纸（2#、4#、5#和6#）以及Whatman玻璃纤维纸（33#）。
对于电化学检测，如图2A所示，分析物表现出...
结论
在本研究中，我们设计并制造了一种用于同时检测多种金属离子的双模式纸质分析装置。系统地研究了不同纸材料对每种检测模式性能的影响。结果表明，使用不同的纸材料可以实现Pb(II)、Cu(II)和Hg(II)的电化学定量以及Cr(VI)的比色检测的最佳性能。
CRediT作者贡献声明
安颖颖：撰写——原始草稿，实验研究。张继飞：资源获取，资金筹集。高欣：项目管理。李颖：验证。王婉：验证，资源管理。张青：撰写——审稿与编辑，监督，方法学设计，概念构思。
未引用的参考文献
[23]、[24]、[25]、[26]、[27]
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢中国海关总署科研项目（代码：2024HK074）的财政支持。
