众所周知，工业领域使用的大多数化学物质，尤其是挥发性有机化合物（VOC），会对人类健康造成严重危害，例如致癌以及对免疫、肾脏和肝脏的损伤等，因此在工业和日常生活中对各种化学物质进行检测具有重要意义。所有的化学物质都有其特征“指纹”，例如大小、形状、极性、手性和反应性方面的差异。这些差异为开发并改进化学物质检测提供了途径。化学传感的主要方法是将分析物与传感装置之间相互作用产生的物理或化学信号转化为可识别的输出信号。
人类的嗅觉系统是自然界中最可靠、最复杂的化学物质检测系统之一，它可以利用大量的嗅觉受体分辨出超过一万亿种气味。然而，由于缺乏特定的受体，这种自然系统很难检测无色无味的化合物。受大自然的启发，人们利用人工鼻、电子舌传感器检测各种有机化合物，通过各种编码机制（嗅觉的组合编码和味觉的标记线编码）传输信号。通过各种检测探针和转导技术，例如，基于化学阻抗或电化学的传感器、场效应晶体管和光学传感器等，可以进行简单而灵敏的测量。
在各种检测技术中，光学传感器阵列（通常称为“光电鼻”）已成为一种可通过对阵列传感探针信号变化的模式识别来检测VOC的通用方法。这种多重传感平台模仿嗅觉系统，有利于区分种类繁多的化学物质。传感器阵列信号的组合信息，可以为每种目标样品提供独特的光学模式，进而检测不同的化学物质。比色传感器阵列，可以通过颜色的变化进行肉眼检测，能利用智能手机或平板电脑等便携式设备代替传统大型检测系统对VOC进行快速、简便的现场分析。
光流控（optofluidic）器件是一种前景广阔的传感器平台，可对目标液体分析物进行即时采样和检测。微流控纸基分析器件（PAD）是光流控传感平台的最优选择之一，它具有微型化、便携性、即时检测、无需外部泵以及试剂消耗量小等特点，可实现高效、低成本的检测。微流控PAD可通过选择性地形成疏水屏障，在亲水性纸通道中利用毛细管效应诱导并控制水性流体来制备。PAD中的流体流量控制是实现多路多步反应传感的重要功能。之前已有研究报道了几种控制PAD中流体流动的方法，例如设计特定的通道几何形状、集成阀门以及基于材料的纸张渗透控制等。此外，还有研究提出在μPAD中集成比色传感探针，例如无机纳米颗粒、有机染料、光子晶体（PhC）和金属有机框架等，通过基于阵列的多重检测来设计人工嗅觉传感系统，进而实现VOC的检测。然而，这些方法使用的是单一传感探针，因此在检测高度多样化的化学物质时，其可扩展性和多功能性受到了限制。
据麦姆斯咨询介绍，韩国全南大学和亚洲大学的研究人员在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了一篇题为“Optofluidic paper-based analytical device for discriminative detection of organic substances via digital color coding”的文章。这项研究提出了一种纸基光流控编码平台，可以通过对结构色衍生光学信号的差分模式识别来检测多种化学物质。研究人员使用由两种编码单元组成的光流控PAD来实现这种差分模式识别，包括大分子驱动流体（MDF）流体控制门和PhC膜。通过利用溶剂与聚合物之间独特的相互作用，这种光流控PAD可以控制液体分析物在MDF流体控制门中的流动，并诱导源自PhC薄膜的光学信号发生变化，从而实现精确的溶剂识别。
其中，初级编码单元，即所谓的MDF流体控制门，旨在确定通道中间区域液体分析物的停止或流动。制备MDF流体控制门的方法为，将聚合物溶液渗入纸张通道，然后进行干燥，以有效地将聚合物材料填充到纸张的纤维素纤维网中。这样做的目的是根据流动分析物与固定聚合物之间的相互作用来预先分辨化学物质。二级编码单元，是由非紧密堆积胶体晶体结构组成的PhC薄膜，可以通过结构色来可视化化学物质的存在。基于聚合物的PhC薄膜可以通过溶剂到达时结构色的变化来实现光学信号的肉眼读取。此外，利用不同溶剂通过MDF流体控制门时结构色变化的差异，可以实现化学物质的精确识别。这两个编码单元的组合可以产生复杂的颜色模式图，展示了对各种化学物质的识别能力，进而模仿自然嗅觉系统。
光流控编码工作流程示意图，以及由MDF流体控制门和PhC组成的光流控PAD的制造
设计用于流体操控的MDF流体控制门，需要对分析物与聚合物之间的相互作用进行空间流动阻力控制，以确定流体的停止或通过。为了在光流控PAD中实现化学物质的流动识别，研究人员在纸基流体控制区装入聚合物，从而引入用于被动流体控制的MDF流体控制门。这五种MDF流体控制门分别由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙烯醇（PVA）、聚己内酯（PCL）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制成。
用于化学物质检测的MDF流体控制门的表征和优化
PhC薄膜对不同化学物质比色变化的表征
研究人员将多个MDF流体控制门和PhC薄膜整合到光流控PAD中，并测试了它们对11种代表性化学物质的识别能力。研究人员还设计了一种气泡图阵列微流控纸基器件，将五个MDF流体控制门和PhC膜整合其中。由PDMS、PVA、PCL、PLGA和PVP组成的五个MDF流体控制门构成了纸基流体控制区，每个检测区都附着了PhC膜。将这种光流控PAD封装在一个3D打印的盒体中，使用方便，蒸发量极小。
为了测试光流控PAD对这些化学物质的检测能力，研究人员在芯片中心的分析物上样区载入50 μL样品，然后等待2分钟以获得比色结果。下图给出了以数字编码显示的差分色彩气泡图。这些光流控数字代码构成了识别VOC所需的“密钥”。所有11种有机化合物都有对应的代码，由此光流控PAD可以成功地进行识别。
11种有机化合物的光流控数字编码
这项研究旨在证明利用整合MDF流体控制门和PhC薄膜的光流控PAD识别各种化学物质的可行性。研究人员采用有机化学相容的PFPE-DMA，通过双面光刻技术制备了带有半开放通道的微流控纸基器件。结合基于MDF流体控制门和PhC薄膜的流体和光学现象，成功通过读取光流控PAD上气泡图阵列的比色信号，将化学分子的指纹信息转换为简单的数字编码。该研究通过化学分子与构成光流控PAD的材料（包括纤维素网络、PFPE疏水屏障、MDF和PhC薄膜）之间复杂的物理和化学相关性，展示了各种化学物质的独特光流控数字编码。不仅如此，通过集成各种编码探针和检测器，可以进一步提高器件的识别性能。例如，整合五种以上采用不同聚合物MDF流体控制门的光流控PAD，或利用智能手机量化PhC薄膜的比色变化，能够更有效地识别更多种类的化学物质和复杂混合物。
PhC薄膜的结构色可以在有机化学物质的吸收和干燥过程中发生动态变化，这也可以实现对分析物的更复杂检测。另外，将不同检测机制的其它探针（例如分子印迹聚合物和表面等离子体共振介导的比色传感器）与这种光流控PAD整合，还可以提高对各种化学物质及混合物的检测限。因此，这项研究成果为各种化学物质的编码提供了一种简便易行的检测平台，有望通过整合多种编码方法提供可扩展性，进而广泛应用于环境中化学物质的比色检测。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00865-4
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