《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Development of a microfluidic paper-based analytical device (μPAD) for detection of urea, nitrite, and starch adulteration in milk with smartphone app assisted detection
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为解决牛奶中普遍存在的掺假问题，保障食品安全与公众健康，研究人员开展了一项关于开发微流控纸基分析装置(μPAD)的研究。他们通过直接化学图案化法成功构建了μPAD，并开发了配套的智能手机应用，实现了对牛奶中尿素(0.5-3.0 g/L)、亚硝酸盐(0.5-3.0 g/L)和淀粉(5.0-20.0 g/L)的灵敏、低成本、快速现场同步检测。该平台为资源有限地区的牛奶质量筛查提供了实用工具。
牛奶，作为均衡饮食的重要组成部分，为人体生长和健康提供着不可或缺的营养。然而，牛奶也成为了最常被掺假的食品之一。为了谋取经济利益、弥补供应短缺或延长保质期，不法商贩会向牛奶中非法添加水、尿素、淀粉、亚硝酸盐等多种物质。这些掺假行为不仅稀释了牛奶的营养价值，更潜藏着巨大的健康风险，例如尿素和亚硝酸盐的摄入可能与肾脏损伤、癌症风险增加等有关。传统的实验室检测方法，如高效液相色谱、质谱等，虽然精准，但设备昂贵、操作复杂、耗时耗力，难以在资源有限的现场或基层广泛开展。因此，开发一种快速、低成本、便于携带且用户友好的现场检测工具，成为了保障牛奶安全与质量的迫切需求。
为此，来自加拿大麦吉尔大学(McGill University)生物资源工程系的K.R. Jolvis Pou、Muthukumaran Packirisamy和Vijaya Raghavan在《Innovative Food Science 》上发表研究，成功开发了一种创新的微流控纸基分析装置(μPAD)，并配套智能手机应用，用于同步检测牛奶中的尿素、亚硝酸盐和淀粉掺假。
研究者采用了几个关键技术方法构建和验证其检测平台。首先，他们利用直接化学图案化技术制备μPAD：通过正性掩模，在Whatman 4号滤纸上喷涂FluoroPel 800溶液形成疏水屏障，从而定义出包含一个中心加样区和三个独立检测区的亲水微流通道网络。其次，他们为每个检测区负载了特定的比色试剂：尿素检测使用4-二甲氨基苯甲醛(DMAB)，亚硝酸盐检测使用格里斯(Griess)试剂，淀粉检测使用卢戈(Lugol)氏碘液。最后，他们利用Thunkable平台开发了一款智能手机应用，并集成Imagga应用程序编程接口(API)，用于自动捕获和分析检测区产生的比色反应图像，从而实现掺假水平的数字化判读。
3.1. 接触角测量和SEM分析
通过接触角测量和扫描电镜(SEM)分析验证了μPAD的制备效果。未经处理的滤纸完全亲水，而经FluoroPel 800喷涂后的表面接触角高达119 ± 3°，成功转变为疏水表面。SEM图像显示，涂层有效封闭了纸张纤维孔隙，形成了清晰的疏水屏障，确保了液体能完全被限制在设计的亲水通道内，无泄漏或扩散。
3.2. 用于检测牛奶掺假的μPAD的开发
所制备的μPAD具有明确的微流网络结构，由一个直径6.7 mm的中心加样区和三个直径5 mm的检测区（通过宽2 mm、长6 mm的通道连接）组成。该装置展示了优异的流体控制性能和结构稳定性，液体被完全限制在亲水区域内。
3.3. μPAD的性能评估
该装置在检测加标牛奶样品时，对尿素、亚硝酸盐和淀粉均表现出浓度依赖性的颜色变化，且具有可接受的检测限、高线性相关系数(R2)和满意的回收率。
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3.3.1. μPAD中尿素的颜色响应分析：尿素检测区的颜色随着浓度增加(0.5-3.0 g/L)从淡黄色变为橙黄色。总色差(ΔE)值随浓度增加而显著变化，表明该方法可用于尿素的定量和定性检测。颜色变化源于尿素与DMAB在酸性醇条件下形成黄色络合物。
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3.3.2. μPAD中亚硝酸盐的比色评估：亚硝酸盐检测区的颜色随着浓度增加(0.5-3.0 g/L)从浅紫色变为深红紫色。ΔE值也相应增加。该反应基于格里斯反应原理，亚硝酸盐与试剂生成红色偶氮染料。
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3.3.3. μPAD中淀粉的颜色响应评估：淀粉检测区的颜色从初始的棕色随着浓度增加(5.0-20.0 g/L)变为深蓝色。ΔE值显著增大。颜色变化源于碘与淀粉中直链淀粉的螺旋结构形成蓝色络合物。
一个完全制备好并负载了试剂的μPAD展示了其最终形态，其中淀粉检测区因试剂本身呈深棕色，而尿素和亚硝酸盐检测区在加样前则接近纸本色。加样后，三个区域分别产生上述特征性颜色变化。研究表明，该装置对三种目标掺假物具有高选择性，交叉反应可忽略不计。
3.4. 智能手机应用的开发
开发的智能手机应用能够通过拍摄或上传μPAD图像，自动提取颜色信息并分析掺假水平。该应用基于计算测试图像与参考图像RGB颜色值之间的欧几里得距离来工作，成功实现了对尿素(0.5-3.0 g/L)、亚硝酸盐(0.5-3.0 g/L)和淀粉(5.0-20.0 g/L)掺假水平的准确区分。应用集成了Canva、Color Picker工具和Imagga API，确保了颜色值提取的准确性和流程的自动化。此外，研究还将μPAD设计成可集成于牛奶包装上的“智能贴纸”，并附带二维码，消费者可通过扫描直接获取产品质量安全信息，展示了其在实际包装中应用的潜力。
4. 结论
本研究成功开发了一种基于直接化学图案化法制备的μPAD，结合智能手机图像分析应用，用于同步、快速、低成本地检测牛奶中的尿素、亚硝酸盐和淀粉掺假。该平台显示出高灵敏度、良好的重现性和可靠性。其检测原理基于可靠的比色反应：尿素与DMAB反应产生黄色，亚硝酸盐通过格里斯反应产生红紫色，淀粉与碘反应产生蓝色。智能手机应用通过自动化图像分析，有效消除了人为主观判读的误差，并将颜色变化转化为定量结果。更重要的是，该研究提出的将μPAD作为“智能贴纸”集成到产品包装中的构想，为实现从生产到消费终端的实时质量监控提供了创新思路。这项工作为在资源有限、实验室检测不可行的地区进行现场食品安全筛查提供了一种强有力的替代方案，有助于提升食品供应链的透明度和消费者的信任度。
