Файл: Датчики и приводы B. Химический 301 (2019) 126855 Оглавления, доступные в ScienceDirect.rtf

Микрожидкие бумажные аналитические устройства для экологического анализа почвы, воздуха, экологии и речной воды

T

Чиа-Te Кун^{a, Чих-Яо}, как^{b, Яо-Нэн Ванc, легкое-Ming} Fu ^d,e,

1. 
   Медицина отделения неотложной помощи, Гаосюн мемориальная больница Чанга Ганга, университетский медицинский колледж Чанга Ганга, Гаосюн, 833, Тайвань
   
2. 
   Отдел науки морепродуктов, национальный университет Гаосюна науки и техники, Гаосюн 811, Тайвань
   
3. 
   Отдел проектирования транспортных средств, национальный университет Пинтуна науки и техники, Пинтун 912, Тайвань
   
4. 
   Отдел технических наук, национальный университет Чэн Куна, Тайнань, 701, Тайвань
   
5. 
   Институт выпускника разработки материалов, национальный университет Пинтуна науки и техники, Пинтун 912, Тайвань
   

ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ

Ключевые слова:
Микрожидкий
Бумажные устройства
Вода
Почва
Воздух
Экология
Пестицид
Окружающая среда

РЕЗЮМЕ

Микрожидкие бумажные аналитические устройства (μPADs) испытали быстрый рост за прошлое десятилетие из-за их упрощения конструкции, низкой стоимости, минимального типового требования, и хорошей чувствительности, селективности и точности. В то время как разработано первоначально для медицинской диагностики пункта ухода, биопрепарата и приложений безопасности пищевых продуктов, μPADs теперь все больше используются в целях экологического мониторинга. Этот обзор предоставляет подробный обзор μPADs, развитого за прошлые десять лет для экологического анализа почвы, воздуха, экология (пестициды) и речная вода. Обзор начинается путем представления технологий изготовления и способов определения, используемых в технологии μPAD. Подробное описание главных структур μPAD, предложенных в прошлое десятилетие для экологического мониторинга, тогда предоставлено. Обзор заканчивается путем исследования проблем, стоящих перед μPADs для экологического мониторинга и определяющих вероятные пути будущего исследования.

1. Введение
Поскольку технология продвинулась, окружающая среда становилась все больше загрязненной тяжелыми металлами, питательными веществами, микроорганизмами, органическими загрязнителями, пестицидами, и так далее. Многие из этих загрязнителей чрезвычайно вредны для здоровья человека, и следовательно проблема развития инструментованных методов, способных к обнаружению концентраций аналита в разнообразных типовых матрицах в масштабе частей за миллион (ppm) или даже частей за триллион (ppt), вызвала большой интерес в последние десятилетия. Для удовлетворения потребностей контролирующего сообщества для высокой чувствительности и низких пределов чувствительности большинство аналитических методов полагается на дорогое оборудование, требующее высокого уровня обучения работать надежно. Однако существует возрастающая потребность для недорогих технологий, чтобы обнаружить и контролировать экологические концентрации загрязнителя быстро, легко и участок для обеспечения более своевременных данных относительно степени и величины загрязнения. Микрожидкие бумажные аналитические устройства (μPADs) прочь; er возможность обратиться к этой потребности путем увеличения частоты и географического охвата экологического мониторинга, одновременно уменьшая аналитические затраты и сложность процесса измерения.
Платформы μPAD позволяют реализацию недорогих, гибких, простых и портативных аналитических инструментов [1-3]. μPADs, как правило, состоят из a



маленький листок шаблонной бумаги с 2D или 3D структурой, способной к тестированию нескольких десятков микролитров жидкой пробы в течение относительно короткого промежутка времени. В течение прошлого десятилетия многочисленные работы были опубликованы в области μPAD [4, 5]. Как правило, устройства, предложенные в этих газетах, включают расположение микрожидких каналов, созданных путем копирования гидрофобных материалов по гидрофильной бумаге [6–8]. Процесс тестирования для биологических веществ (например, слезы, моча, кровь, пот, слюна) [9–13], еда (например, добавки, бактерии, органические соединения) [14–17], и экологические реагенты (например, ионы тяжелых металлов, питательные вещества, органические загрязнения, микроорганизмы) [18–21] включает впитывающий влагу образец к зоне обнаружения под эффектами капиллярности без потребности во внешнем насосе [22–27]. Аналитическое обнаружение тогда облегчено процессом химической реакции, вызывающим изменение в цвете, электрохимические свойства и / или поглощение света или эмиссия зоны обнаружения.
Продолжающаяся индустриализация и технический прогресс привели к серьезному загрязнению воздуха, почвы и воды во многих областях мира. Как правило, эти загрязнители включают питательные вещества, такие как углерод, азот и фосфор и много других загрязнителей, включая тяжелые металлы, органические загрязнения, фармацевтические препараты, гербициды, инсектициды, дезинфицирующие средства и промышленные побочные продукты. Такое загрязнение не только наносит серьезный ущерб окружающей среде и окружению

Соответствующий автор в: Отдел Технических наук, Национальный Университет Чэн Куна, Тайнань, 701, Тайвань. Адрес электронной почты: loudyfu@mail.ncku.edu.tw (L.-M. Fu).
https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.126855
Полученный 25 апреля 2019; Полученный в пересмотренной форме 18 июля 2019; Принятый 22 июля 2019
Доступный онлайн 08 августа 2019
0925-4005/© 2019 Elsevier B.V. Все права защищены.

экосистемы, но также и позы большая угроза здоровью человека и экономическому развитию. Для более подробного обзора клинических представлений некоторых главных экологических загрязнителей, затрагивающих людей в наше время, обратитесь к Дополнительной Таблице S1 Материалов. Учитывая величину проблемы, потребность в простых и рентабельных методах для предоставления возможности надежного контроля загрязнения окружающей среды появилась в качестве критического беспокойства в последние годы.
Этот обзор предоставляет всесторонний обзор главных платформ μPAD, развитых за прошлое десятилетие для экологического контроля. Обзор начинается путем описания различных типов материала подложки, используемого в фальсификации устройств μPAD. Типичные методы фальсификации μPAD и методы обнаружения тогда вводятся. Подробное описание главных структур μPAD, предложенных за прошлые десять лет для анализа почвы, воздуха, экология (пестициды) и речная вода, тогда представлено. Наконец, основные проблемы, стоящие перед μPADs в целях экологического мониторинга и анализа, обсуждены, и вероятные направления будущего исследуемого исследования.
2. Бумажный выбор μPAD, фальсификация и методы обнаружения
2.1. Бумажный выбор
Много различных типов бумаги могут использоваться в μPADs в зависимости от используемого метода фальсификации и конкретный рассматриваемый аналит, включая фильтровальную бумагу, хроматографическую бумагу, биологически активную бумагу, глянцевую бумагу, нитроклетчаточную мембранную бумагу, графитовую бумагу, растительную бумагу и гибкую бумагу [28–32]. Среди этих различных типов бумаги фильтровальная бумага и хроматографическая бумага (например, Ватман или vantec Объявления) среди обычно используются из-за их относительно равномерной толщины и превосходящего размера пор, приводящих к расширенным свойствам адсорбции и задержания вместе с улучшенной впитывающей влагу производительностью [33–38]. Кроме того, обе бумаги подвергаются полному отбеливанию после производства, удаляющего фактически все примеси от бумажной матрицы.
Глянцевая бумага была также предложена как жизнеспособный материал для μPADs [39]. Глянцевая бумага состоит из целлюлозных волокон и неорганических наполнителей, смешанных в бумажную матрицу, и имеет преимущество, что его поверхностные свойства более легко изменены, чем те из традиционных бумажных оснований. Биологически активная бумага была также применена в μPADs [40, 41]. В традиционных бумажных подложках только катионные молекулы адсорбируют на влажные целлюлозные волокна, составляющие бумажную матрицу. Кроме того, в то время как белки могут быть адсорбированы на целлюлозных волокнах, скорость и степень этого процесса адсорбции намного ниже, чем та из других гидрофильных поверхностей. Следовательно, целлюлозные волокна должны быть изменены в некотором роде, чтобы позволить им с большей готовностью поглощать биомолекулы. В биологически активной газете это достигается путем активации поверхности бумаги с помощью альдегида или амида, например, и затем ковалентно спрягая биомолекулы к активированной поверхности.
Нитроклетчаточные мембраны также использовались в качестве оснований μPAD из-за их химических функциональных групп, с готовностью позволяющих ковалентную иммобилизацию биомолекул. Нитроцеллюлоза дополнительно допускает взаимодействия обвинения обвинения, слабые водородные связи и взаимодействия Ван-дер-Ваальса с основанными на белке основаниями [42–44]. Из-за их богатых белками связанных способностей, такие мембраны обычно используются в связанном с ферментом испытании иммуносорбента (ELISA) и золотом основанном на наночастице испытании [45–50]. Однако, в то время как нитроклетчаточные мембраны могут быть легко скопированы печатью воска, проникновение литого воска через мембранную толщину является медленным по сравнению с этим в фильтровальной бумаге [51–53]. В графитовой газете физически раздетая графеновая дисперсия далее обрабатывается в слоистые графеновые листы быстрой фильтрацией, высокотемпературным отжигом и механическим сжатием [54–59]. Получающийся высококачественный графен и близко связывается между графеновыми листами, передают графеновую бумагу с ультравысокими проводящими свойствами, отдающими бумаге идеальный материал подложки для электрических приложений μPAD.
2.2. Технологии изготовления μPAD
Многочисленные подходы доступны для изготовления μPADs с помощью химической модификации или методов физического осаждения для изменения существенных особенностей матрицы целлюлозы. В целом процесс лечения изменяет свойства определенных областей бумаги целлюлозы от мягкой контактной линзы до гидрофобного; с параллельными гидрофобными линиями, обеспечивающими каналы для руководства поток жидкости, поскольку это проникает посредством основания под эффектами капиллярности. Получающийся μPADs может быть широко классифицирован или как 2-мерный (2D) [60–65] или как 3-di-mensional (3D) [66–70], в зависимости от направления (горизонтальный или горизонтальный / вертикальный) в который потоки жидкости.
Много методов были предложены для изготовления μPADs, включая литографию; 3D печать; печать воска; гидромеханизация воска; смазывание воска; струйная печать; трафаретная печать; полидиметилсилоксан (PDMS) маскировка; лазерная резка; горячая чеканка; сокращение принтера; обработка геля соль; распыление клея ученого; гидрофобный silanization; штамповка; жидкостное травление; и постоянная ручка маркера, технический рейсфедер и письмо карандаша карандаша для глаз. Для более подробного обзора принципов и сравнений главных технологий изготовления, обратитесь к статьям обзора [71, 72]. В последние годы недорогой и эффективный метод оригами «оригами» был также предложен для производства 3D μPADs, базирующегося просто на сворачивании бумажной подложки [73–77]. Для примера Се и др. [78] развивал 3D μPAD, в котором бумажная маска, покрытая тонким слоем невылеченной смеси PDMS, была свернута с хроматографической бумагой для формирования трехслойной конструкции и была тогда нагрета для побуждения проникновения PDMS в хроматографическую бумагу.
2.3. Методы обнаружения
Много традиционных методов доступны для обнаружения токсичных веществ, таких как питательные вещества, тяжелые металлы, микроорганизмы, органические загрязнения и пестициды в экологических исследованиях. Эти методы включают индуктивно соединенную плазменную масс-спектрометрию (ICP-MS), индуктивно двойная plasma-atomic/optical спектрометрия эмиссии (ICP-AES/OES), энергия дисперсионная флуоресценция рентгена (EDXRF), электрохимические методы, электротермическая атомная адсорбционная спектрометрия (ETAAS), спектрометрия атомного поглощения пламени (FAAS), газовая хроматография (GC), высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC), масс-спектрометрия газовой хроматографии (GC–MS) и атомно-абсорбционная спектрофотометрия (AAS) [79]. Вообще говоря, эти методы имеют высокую чувствительность, хорошую специфику и превосходную точность. Однако все они требуют сложного оборудования, профессионального персонала и трудоемких операций. Таким образом существует срочное требование для способов определения, которые являются более простыми, более рентабельными, и портативными. Эта необходимость является особенно срочной в развивающихся странах и областях мира с отсутствием инфраструктуры, профессиональных экспертов и соответствующего экологического лечения.
Большая часть предыдущего исследования в области μPADs сосредоточилась главным образом на дизайне самого микрожидкого чипа, а не полной системы обнаружения [1]. Таким образом в то время как современный μPADs являются типично очень маленькими, связанные устройства обнаружения и корреляции являются все еще довольно большими. Кроме того, они общедоступны только в хорошо укомплектованных лабораториях и инспекционных центрах. Следовательно, развитый μPADs не может использоваться для локального обнаружения и все еще потребовать обширного обучения инспектора. Для рассмотрения этих проблем недавнее исследование попыталось понять действительно портативные платформы μPAD, в которых не только процесс выборки, но также и процедуры обнаружения и анализа, могут быть выполнены на месте. Как правило, эти платформы включают использование таких методов обнаружения как колориметрическое обнаружение, обнаружение флуоресценции, электрохимическое обнаружение, хемилюминесценция (CL) обнаружение, электрохемилюминесценция (ECL) обнаружение, основанное на наночастице обнаружение, обнаружение масс-спектрометрии и обнаружение спектроскопии Рамана.
Колориметрическое обнаружение является одним из наиболее широко используемых методов в платформах μPAD в наше время и определяется пассивным движением

2

раствор аналита проверить зоны капиллярностью, сопровождаемой процессом взаимодействия с точно нагруженными реагентами для побуждения измеримого цветного изменения [80]. Колориметрические изображения обычно приобретаются сканером, камерой смартфона или digital/CMOS камерой, и тогда передаются PC или сотовому телефону для последующего анализа. Предел чувствительности для таких методов обычно имеет заказ нескольких ppm (или та же единица уровня). Способы определения Флуоресценции / люминесцентные способы определения [81] эксплуатируют взаимодействие между целевыми молекулами и флуоресцентным красителем, приводящим к измеримому электрическому сигналу под освещением источником света с определенной длиной волны. Способы определения Fluorescence/lumines-cence могут легко отвечать этим требованиям, таким образом, fluor-escence-based датчики, кажется, один из самых многообещающих кандидатов на химическое ощущение. Из-за ее уникальных преимуществ в чувствительности и селективности, эта технология широко используется для идентификации катионов и анионов, время реакции и локальный контроль. Предел чувствительности для таких методов обычно имеет заказ ppb (или та же единица уровня).
Электрохимические методы для платформ μPAD включают циклический vol-tammetry, amperometry, coulometry, и потенциометрию. Электрохимические методы [82] включают использование микроэлектродов, конвективное перемещение массы, измененные поверхностью электроды, инъекцию потока, увеличение сигнала, ионно-отборные электроды и ионообменные мембраны. Предел чувствительности для таких методов, как правило, вокруг некоторых из (или та же единица уровня). Методы хемилюминесценции [83], которые измеряют интенсивность света, произведенную от химической реакции, привлекли значительное внимание как метод обнаружения для μPADs в последних годах из-за их недорогих реагентов и высокого отношения «сигнал-шум», делающего возможные пределы чувствительности нескольких ppm (или та же единица уровня). Электрохемилюминесценция является производной процесса CL [84], в котором сигнал сгенерирован электрохимической реакцией, а не чистой химической реакцией. По сравнению с основанным на CL обнаружением, где эмиссия сигнала начинается после применения соответствующих реагентов, основанное на ECL обнаружение имеет практическое преимущество, что управляемый темпом-митингом захват сигнала может быть с большей готовностью достигнут посредством рассчитанного пользователями возможного применения. Кроме того, предел чувствительности имеет обычно заказ нескольких ppb (или та же единица уровня).
Обнаружение масс-спектрометрии, датчики магнитного резонанса, спектроскопия Рамана и емкостные датчики также начали применяться в платформах μPAD в наше время [85, 86]. Соответственно, количественный анализ комплектов μPAD был обращен во многих областях, таких как диагностические тесты, экологический мониторинг и безопасность пищевых продуктов, и т.д. Идея объединить несколько методов в одном μPAD обещает, потому что эти методы могут потенциально дополнить друг друга и минимизировать, тянут обратные стороны единственного метода. Например, Ву и др. [87] сообщил о трехмерном многослойном бумажном устройстве, объединяющем тонкую адгезивную пленку и оригами для предоставления возможности автоматизированный и несколько ELISA для колориметрического и электрохимического определения количества тропонина I. Те обнаружения предела являются приблизительно несколькими ppb (или та же единица уровня). Для более подробного обзора способов определения и диапазона концентраций ЛОДА каждого метода, обратитесь к статье [1] обзора.

3. Анализ загрязнения окружающей среды и заявления
3.1. Анализ почвы
Почва является основной единицей окружающей среды и является ценными природными ресурсами, от которых зависит весь мир. Однако крупномасштабная индустриализация и урбанизация привели к значительному загрязнению почвы во многих областях мира. Это загрязнение не только серьезно ухудшает изобилие почвы, но также и ослабляет мощность производства почвы сохранить питательные вещества и воду. Для эффектов на эти тела человека обратитесь к Дополнительной Материальной Таблице S1. Следовательно, много платформ μPAD были предложены для анализа общих загрязнителей почвы, включая фосфат, хлорат, взрывчатые остатки, аммиак, медь (медь), никель (Ni), кислотные изменчивые сульфиды (AVS), тяжелые металлы
(^{3 +Как,} Без обозначения даты^{3 +, Бр, Миннесота, Cr, F, медь−2 +3 +−2 +}, Свинец^{2 +} и ^{2 +Цинк), неодим} (Без обозначения даты), переданный почвой helminth (STH) и tetrabromobisphenol [88–113].
3.1.1. Взрывчатое загрязнение остатка [88–95]
Ван и др. [89] развивал струйно напечатанную серебряную наночастицу (Ag NP) бумажный датчик, объединенный с Раманом спектроскопический метод для обнаружения кристаллического тринитротолуола (TNT) кристаллы и остатки в открытой окружающей среде (см. Рис. 1 (a)). Предложенный датчик был изменен с p-аминотиофенолом (PABT), чтобы более эффективно собрать бортовой TNT через реакцию переноса заряда и увеличивать эффект рассеивания Рамана. Было показано, что устройство достигло предела⁻¹⁷² чувствительности TNT на 1.6 × 10 г/см и было способно к обнаружению ароматов, испускаемых от TNT на 1,4 части на миллион в почве и 7.2,² TNT на 2.9 и 5,7 нг/см на одежде, коже и конвертах, соответственно, в течение 2 с. Райан и др. [90] представил бумажную платформу для анализа микроэлементов TNT в образцах почвы с помощью электрохимического исследования, состоящего из графитовых электродов, фильтровальной бумаги, и этиленгликоли и холинового хлорида как растворитель/электролит. Чувствительность и предел чувствительности исследования, как показывали, были 0.75 nA/ng и 100 нг, соответственно. Ueland и др. [91] использовал печатающую воск технику для понимания управляемого капилляром μPAD для показа лаборатории на чипе (LoC) взрывчатых остатков в почве. Результаты эксперимента показали, что устройство достигло предела чувствительности TNT 1,4 5,6 нг со скоростью восстановления в пределах от 12 40%.
Shriver-озеро и др. [94] развивало бумажное исследование для электрохимического определения хлората с помощью напечатанных экраном угольных электродов, пропитанных содержащим ванадий polyoxometalate анионы (см. Рис. 1 (b)). В предложенном устройстве фильтровальная бумага, включенная с катализатором, была разрезана в маленькие полосы и поместила на поверхности коммерческих напечатанных экраном электродов. Небольшое количество буферного решения было тогда добавлено для предоставления электрода, электрохимически активного. Устройство показало линейный циклический voltammetry текущий ответ в диапазоне концентрации хлората 0,156 1,25 мг/мл и достигло предела обнаружения (LOD) 0,083 мг/мл. Таблица 1 кратко суммирует несколько других μPADs, о которых сообщают в недавней литературе для взрывчатого остатка в анализе загрязнения почвы.
3.1.2. Загрязнение тяжелого металла [96–101]
Сяо и др. [96] разработал расширенное 3D бумажное биосенсорное устройство для⁺ обнаружения Ag, использующего личный метр глюкозы с высокой чувствительностью и мобильностью. В предложенном устройстве 3D оригами μPADs объединил часть загруженной реагентом нанопористой мембраны. Мембрана объединила вызванный аналитом саморост серебряных наночастиц, чтобы заблокировать мембранные поры на месте и выполнить увеличение сигнала эффективно с переносным личным метром глюкозы. Это разработанное устройство может обнаружить⁺ концентрацию Ag реальных водных примеров, т.е. водопроводную воду, питьевую воду, воду пруда и грунтовую воду. ЛОД, как находили, был 58.1 пополудни. Nam и [98] предложил устройство бумажного диска, включающее зону роста почвы морские водоросли Chlorococcum infusionum, флуоресценция хлорофилла и фотосинтетическая деятельность, какое воздействие меди рассматривало почву. Исследование показало, что метод устройства бумажного диска является эффективным, легким в использовании методом для оценки металлической токсичности меди (медь) и никель (Ni), чтобы пачкать морские водоросли. Флуоресценция хлорофилла и фотосинтетическая деятельность, уменьшенная с увеличивающимися концентрациями^{+2 Cu или} Ni⁺², загрязнили почву. Водорослевая зона роста была визуально проанализирована и показала подобные результаты флуоресценции хлорофилла.

Sutariya и др. [99] разработал бумажное сенсорное устройство на основе одноступенчатой флуоресценции, состоящей из pyrene группы, связанной с чашей [4] арен как флуоресцентная единица (TDPC) для анализа^{3 + Без обозначения даты промышленного образца почвы3 + и Как} и Br－ промышленных сточных вод. В предложенном устройстве бумажное сенсорное устройство включает исследование ощущения люминесценции (CHEF-PET флуоресцентное исследование) включенный в матрицу целлюлозы, где передача резонансной энергии, кажется, механизм ощущения, который является очень отборным и чувствительным для ^{3 +Как,}