近年來，隨著工業(yè)發(fā)展，各種各樣的重金屬離子排入土壤和水源，隨后被動(dòng)植物吸收，又隨著食物鏈進(jìn)入人體，“鎘大米”“毒蔬菜”等食品安全事件屢有發(fā)生。重金屬在人體內(nèi)能與蛋白質(zhì)、酶等發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使它們失去活性，也可能在人體的某些器官中累積，造成慢性中毒。

那么，如何避免這些重金屬超標(biāo)的產(chǎn)品流向餐桌？重金屬離子檢測(cè)成為一道保障“舌尖上的安全”的防線。但是，傳統(tǒng)重金屬離子檢測(cè)方法依賴于大型儀器，操作煩瑣且耗時(shí)費(fèi)力，不適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。近日，中科院理化所微納材料與技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)了一種超浸潤(rùn)重金屬離子檢測(cè)紙芯片，可以讓重金屬離子檢測(cè)快速出結(jié)果。

噴墨打印超浸潤(rùn)圖案

重金屬離子污染，主要是指銅、汞、鉛、鉻、錳、鈷、鎳、鎘等造成的污染，這些重金屬離子超標(biāo)會(huì)引起身體不適，甚至誘發(fā)癌癥。尤其是汞及其化合物屬于劇毒物質(zhì)，可在人體內(nèi)蓄積。

中科院理化所研究員賀軍輝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者：“課題組承擔(dān)了有害污染物檢測(cè)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題，其中汞離子是既常見危害性又很大的元素。由于我們?cè)诔?rùn)材料方面有不少研究經(jīng)驗(yàn)，所以就嘗試將超浸潤(rùn)材料與重金屬離子檢測(cè)結(jié)合起來，想要研發(fā)出新的檢測(cè)方法?！?/p>

據(jù)了解，當(dāng)液滴與材料表面之間的接觸角接近0度（超親）或者大于150度（超疏），這種材料就被稱為超浸潤(rùn)材料。“超浸潤(rùn)材料有很好的作用，再微小的區(qū)域也可以進(jìn)行相互作用。我們先將超浸潤(rùn)材料圖案化，再與生化反應(yīng)結(jié)合起來，這樣就可以形成檢測(cè)紙芯片?！辟R軍輝介紹道。

那么，如何實(shí)現(xiàn)高精度超浸潤(rùn)圖案的制作呢？課題組想出了一個(gè)辦法——那就是利用噴墨打印技術(shù)，在超親水的材料上打印出超疏水的圓圈、線條，可以精細(xì)到幾百個(gè)納米，這樣就能形成靈敏的微反應(yīng)器。

“噴墨打印技術(shù)是微電子行業(yè)大量應(yīng)用的方法，可以在一個(gè)平面上做成各種各樣精細(xì)的圖案，例如集成電路的芯片，我們的思路就是借鑒了之前的經(jīng)驗(yàn)?！辟R軍輝說。

高精度超浸潤(rùn)圖案制作完成后，研究人員又在超浸潤(rùn)圖案內(nèi)通過噴墨打印探針分子，實(shí)現(xiàn)了重金屬離子分析紙芯片的制作。在實(shí)際檢測(cè)過程中，只需將紙芯片放入待測(cè)水樣中，根據(jù)顏色變化即可實(shí)現(xiàn)水樣中重金屬離子的可視化分析。

賀軍輝說：“現(xiàn)在像試紙這樣的便攜式設(shè)備幾乎沒有，顏色變化可以用手機(jī)先拍攝下來，再去進(jìn)行仔細(xì)分析，其實(shí)可以在很大程度上方便老百姓應(yīng)用，包括環(huán)境執(zhí)法上也可以更加迅速?！?/p>

生物酶進(jìn)行毒性評(píng)估

除此之外，課題組還設(shè)計(jì)了一種利用生物酶進(jìn)行重金屬離子毒性評(píng)估的方法。賀軍輝表示：“由于重金屬離子對(duì)生物酶具有明顯的抑制作用，當(dāng)它們互相‘碰面’后，重金屬離子就會(huì)破壞生物酶的催化作用，所以我們通過酶促顯色反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了水樣中重金屬離子的總毒性評(píng)估?！?/p>

為了提高生物酶的儲(chǔ)存時(shí)效，研究人員選擇利用水凝膠對(duì)生物酶進(jìn)行包埋?！爸斑@些反應(yīng)只能在燒瓶中進(jìn)行，通過我們的改良，就可以讓它們?cè)诩埢酒习l(fā)生作用?！辟R軍輝說。

這個(gè)辦法不僅簡(jiǎn)化了實(shí)際檢測(cè)的操作步驟，還能為便攜式重金屬離子檢測(cè)試劑盒的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。在課題組的預(yù)想中，便攜式重金屬離子檢測(cè)試劑盒可以達(dá)到“一種試紙檢測(cè)一種重金屬離子”的效果。

在研究過程中，課題組也不得不面臨著兩個(gè)重要的難題：如何保證芯片穩(wěn)定性和檢測(cè)靈敏度。為了讓產(chǎn)品更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求，芯片要保證在幾個(gè)月到一年的時(shí)間內(nèi)有效。水凝膠包裹生物酶等生物大分子，可以將有效期提高到半年以上，與此同時(shí)檢測(cè)靈敏度就會(huì)隨之下降。

賀軍輝說：“目前超浸潤(rùn)重金屬離子檢測(cè)紙芯片的靈敏度做到了ppb級(jí)，與期待的還有一些距離，我們期望將來可以做到ppt級(jí)。”

讓重金屬離子檢測(cè)“現(xiàn)場(chǎng)化”

據(jù)了解，傳統(tǒng)重金屬離子檢測(cè)技術(shù)主要依托于大型的檢測(cè)設(shè)備，而且需要在標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，整個(gè)過程往往需要一天甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，花費(fèi)也不少。因此，便攜式的重金屬離子檢測(cè)儀器一直是市場(chǎng)的一個(gè)“大缺口”。

“例如當(dāng)百姓到超市、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)買東西時(shí)，并不知道有沒有重金屬離子殘留。如果能簡(jiǎn)單測(cè)試一下且不是很貴，就可以讓大部分人接受這個(gè)產(chǎn)品。例如過去檢測(cè)血糖要到醫(yī)院，現(xiàn)在便攜式的血糖儀只要用針扎一下就能知道結(jié)果。雖然精確性上有差距，但作為便攜式的工具，已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)實(shí)需求了?！辟R軍輝表示。

由于中科院理化所微納材料與技術(shù)研究中心一直有基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)開發(fā)應(yīng)用的良好積淀，在下一步的工作中，產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)寫入了課題組的日程表中。

賀軍輝告訴記者，課題組首先會(huì)考慮推廣汞離子檢測(cè)的試紙?！袄绛h(huán)境科學(xué)這方面，國(guó)家有很多環(huán)境監(jiān)測(cè)站，對(duì)重金屬離子檢測(cè)高度重視。便攜式重金屬離子檢測(cè)試劑盒大批量生產(chǎn)時(shí)，我們的成本會(huì)控制在幾毛錢，與之前的檢測(cè)方法相比，價(jià)格會(huì)大幅度降低。”

“這是一種普適性的方法，當(dāng)我們開發(fā)出廉價(jià)、靈敏度高的產(chǎn)品，就能夠得到廣泛應(yīng)用。無論親水還是疏水體系，這種方法都能形成一系列環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)療檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)芯片。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)芯片與實(shí)驗(yàn)室的大型設(shè)備結(jié)合起來，就會(huì)為環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療監(jiān)控提供新途徑，意義很大?！辟R軍輝說。