科研動態----中國科學院煙臺海岸帶研究所

煙臺海岸帶所在基于微流控紙芯片的環境與生物分析研發取得系列進展

發布時間：20-06-03

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嚴重的環境污染問題，給社會經濟的可持續發展和人民的健康帶來了巨大的影響，同時，生物分析與醫學診斷技術可直接造福人類健康與疾病治療。目前，環境與生物分析都亟需更低成本、高效率、快速即時的分析傳感方法。微流控紙芯片的發展為構建新型分析平臺提供了思路，尤其是在環境監測和醫學診斷方面，紙基裝置的低成本、高效便捷等優勢有利于快速分析檢測，因此，紙基微流控芯片的發展成為近年來分析傳感科學研究關注的重點之一。

中國科學院煙臺海岸帶研究所“海岸帶環境分析監測與生態修復”研究團隊陳令新、李博偉等為提高基于微流控紙芯片的傳感裝置在環境與生物分析中的分析效率、選擇性、靈敏性，提升紙芯片裝置上合成與分析全過程的可操作性，研究基于先進功能材料的紙基傳感機制，探索了熒光傳感、電化學傳感以及比色傳感機制在紙芯片平臺上的構建，研究設計了一系列低成本、便捷化、靈敏性、選擇性的快速分析方法與紙芯片裝置，并用于環境與生物分析應用研究，在微流控紙芯片的環境分析、生物分析與器件化方面獲得了系列進展。

圖1 （A）應用于環境污染物分析的分子印跡熒光傳感旋轉式微流控紙芯片實物圖與使用操作過程示意圖，（B）該工作以封面論文發表于期刊Analytical Chemistry；（C）應用于腫瘤標志物分析的離心式全血檢測微流控紙芯片示意圖。

環境分析方面，在團隊的分子印跡技術發展優勢基礎之上，將微流控紙芯片平臺與分子印跡熒光傳感技術相結合，進一步拓展紙基移動閥設計，構建旋轉式熒光傳感紙芯片，實現了海水與湖水環境中，重金屬離子、藻藍蛋白、酚類污染物的選擇性、靈敏性的多通路樣品檢測。同時，利用紙芯片配合團隊研發的手持式比色分析儀器，實現了多通路重金屬離子的比色檢測（Analytical Chemistry, 2018，90，11827-11834；Sensor and Actuator B-Chemical, 2017, 251, 224-233；ACS Sensors, 2017, 2, 243-250 ； Sensor and Actuator B-Chemical, 2020, 305, 127462 ；中國科學-化學，2020，50，463-475）。

圖2 用于生物分析腫瘤標志物的電化學分析微流控紙芯片（A）利用旋轉閥的電化學發光免疫傳感紙芯片的原理、操作示意圖與檢測性能結果圖；（B、C）利用移動閥的分子印跡電化學傳紙芯片的設計組成示意圖與實物圖，及其傳感原理與操作使用過程示意圖。

生物分析與臨床診斷方面，團隊首先研制了旋轉式電化學發光免疫分析紙芯片，利用旋轉閥控制方便操作，完成了紙基多通路的復雜夾心式免疫分析洗滌過程。進一步采用電化學方式，結合移動閥設計，在紙芯片平臺上構建生物分子印跡聚合物，形成了一種基于可移動閥紙裝置原位合成分子印跡聚合物的無抗體生物標志物的電化學分析策略，實現了人體血清中腫瘤標志物癌胚抗原的臨床分析。在利用紙芯片離心全血獲取血清方面也進行了研究，受拉力與繩驅動離心機的啟發，將手動離心方式與旋轉閥紙基免疫分析方法集成于一個紙芯片上，構建了同時具備全血離心功能與免疫分析功能的微流控紙芯片，配合智能手機或便攜式比色分析儀器，在一個紙芯片上實現了從全血離心到免疫分析結果呈現的全過程。研制該芯片用于人體血液中癌胚抗原與甲胎蛋白兩種腫瘤標志物的分析，并在臨床應用實驗和重復性考察上達到較好的效果。（Biosensors & Bioelectronics, 2019, 142 ；Analytical Chemistry, 2017, 89, 5708-5713； Analytica Chimica Acta, 2018, 1007, 33-39 ；Biosensors & Bioelectronics, 2020,接收）。

圖3 紙芯片器件化方面的相關研究成果（A）書頁式移動閥的設計結構之意圖；（B）采用高聚物材料構建紙芯片的方法示意圖與實際應用效果；（C、D）紙基與3D打印芯片混合微流控裝置系統的實物圖、設計原理示意圖以及在癌細胞生物特性研究中的應用效果。

紙芯片器件化方面，該團隊首先研發了靈活控制紙基平臺流體開關的紙基移動閥，并進一步擴展成為書頁式移動閥，更為靈活可拆卸更換，并取得了較好的應用效果。在紙芯片制作方面，利用新型廉價的高聚物材料，作為紙芯片疏水屏障的構建材料，實現了紙芯片上有機溶液的輸送通道的構建，并為紙芯片的制作提供了更廉價的可能，該新型材料制作的紙芯片，在構建紙芯片在環境致病菌的檢測方面得到較好的應用驗證。進一步將紙基與3D打印芯片結合，形成混合微流控裝置系統，利用該微流控系統器件檢測了H₂S對癌細胞的影響。發現持續暴露于低濃度H₂S可通過誘導細胞凋亡來抑制癌細胞SMMC-7721的生長，此外還發現癌細胞中有兩個氣態分子H₂S和NO存在串擾，它們在癌細胞中形成具有生物活性的中間多硫化物。（Analytical Chemistry, 2017, 89, 5708-5713；ACS Sensors , 2018, 3, 1789-1794 ；Sensor and Actuator B-Chemical, 2020, 303, 127213 ；ACS Sensors, 2020, 5, 464-473 ；）。

相關研究得到國家重點研發計劃（Grant No. 2016YFC1400702）、國家自然科學基金(Grant No. 41776110, 21976209),、煙臺市科技發展計劃（2015ZH087）的支持。

相關論文：

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[2] Ping Liu, Bowei Li, Longwen Fu, Yan Huang, Mingsan Man, Ji Qi, Xiyan Sun, Qi Kang, Dazhong Shen, Lingxin Chen. Hybrid three dimensionally printed paper-based microfluidic platform for investigating a cell's apoptosis and intracellular cross-talk. ACS Sensors, 2020, 5(2): 464-473. （一區TOP）

[3] Dong Lin, Bowei Li, Xiaofei Ji, Ji Qi, Wenhai Wang, Jinhua Li, Lingxin Chen, Low cost fabrication of microfluidic paper-based analytical devices with water-based polyurethane acrylate and their application for bacterial detection. Sensors and Actuators B-Chemical, 2020, 303:127213. （一區TOP）

[4] Junrui Zhou, Bowei Li, Anjin Qi, Yajun shi, Ji Qi, Huizhong Xu, and Lingxin Chen. ZnSe quantum dot based ion imprinting technology for fluorescence detecting cadmium and lead ions on a three-dimensional rotary paper-based microfluidic chip. Sensors and Actuators B-Chemical, 2020, 305:127462. （一區TOP）

[5] Ji Qi, Bowei Li, Na Zhou, Xiaoyan Wang, Dongmei Deng, Liqiang Luo, Lingxin Chen. The strategy of antibody-free biomarker analysis by in-situ synthesized molecularly imprinted polymers on movable valve paper-based device. Biosensors & Bioelectronics, 2019, 142, 111533. （一區TOP）

[6] Ji Qi, Bowei Li, Xiaoyan Wang, Longwen Fu, Liqiang Luo, Lingxin Chen. Rotational paper-based microfluidic-chip device for multiplexed and simultaneous fluorescence detection of phenolic pollutants based on a molecular-imprinting technique. Analytical Chemistry, 2018, 90, 11827-11834. （一區TOP）

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[8] Xiange Sun, Bowei Li, Chongguo Tian, Fabiao Yu, Na Zhou, Yinghua Zhan, Lingxin Chen. Rotational paper-based electrochemiluminescence immunodevices for sensitive and multiplexed detection of cancer biomarkers. Analytica Chimica Acta 2018, 1007, 33-39. （一區TOP）

[9] Ji Qi, Bowei Li, Xinran Wang, Zhong Zhang, Zhuo Wang, Jinglong Han, Lingxin Chen*. Three-dimensional paper-based microfluidic chip device for multiplexed fluorescence detection of Cu2+ and Hg2+ ions based on ion imprinting technology. Sensors and Actuators B-Chemical, 2017, 251, 224-233. （一區TOP）

[10] Bowei Li, Lijuan Yu, Ji Qi, Longwen Fu, Peiqing Zhang, Lingxin Chen. Controlling capillary-driven fluid transport in paper-based microfluidic devices using a movable valve. Analytical Chemistry, 2017, 89, 5708-5713. （一區TOP）

[11] Bowei Li, Zhong Zhang, Ji Qi, Na Zhou, Song Qin, Jaebum Choo, Lingxin Chen. Quantum Dot-Based Molecularly Imprinted Polymers on Three-Dimensional Origami Paper Microfluidic Chip for Fluorescence Detection of Phycocyanin. ACS Sensors, 2017, 2, 243-250. （一區TOP）

[12] 韓笑笑, 齊驥, 宋志花, 石雅君, 劉豐, 張昱, 韓京龍, 徐惠忠, 李博偉. 基于分子印跡的熒光傳感技術及其應用研究，中國科學-化學，2020, 50, 463-475.