重金属离子检测：超浸润材料显神通

近年来，随着工业发展，各种各样的重金属离子排入土壤和水源，随后被动植物吸收，又随着食物链进入人体，“镉大米”“毒蔬菜”等食品安全事件屡有发生。重金属在人体内能与蛋白质、酶等发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可能在人体的某些器官中累积，造成慢性中毒。

那么，如何避免这些重金属超标的产品流向餐桌？重金属离子检测成为一道保障“舌尖上的安全”的防线。但是，传统重金属离子检测方法依赖于大型仪器，操作烦琐且耗时费力，不适用于现场检测。近日，中科院理化所微纳材料与技术研究中心设计了一种超浸润重金属离子检测纸芯片，可以让重金属离子检测快速出结果。

喷墨打印超浸润图案

重金属离子污染，主要是指铜、汞、铅、铬、锰、钴、镍、镉等造成的污染，这些重金属离子超标会引起身体不适，甚至诱发癌症。尤其是汞及其化合物属于剧毒物质，可在人体内蓄积。

中科院理化所研究员贺军辉告诉《中国科学报》记者：“课题组承担了有害污染物检测的国家重点研发计划课题，其中汞离子是既常见危害性又很大的元素。由于我们在超浸润材料方面有不少研究经验，所以就尝试将超浸润材料与重金属离子检测结合起来，想要研发出新的检测方法。”

据了解，当液滴与材料表面之间的接触角接近0度（超亲）或者大于150度（超疏），这种材料就被称为超浸润材料。“超浸润材料有很好的作用，再微小的区域也可以进行相互作用。我们先将超浸润材料图案化，再与生化反应结合起来，这样就可以形成检测纸芯片。”贺军辉介绍道。

那么，如何实现高精度超浸润图案的制作呢？课题组想出了一个办法——那就是利用喷墨打印技术，在超亲水的材料上打印出超疏水的圆圈、线条，可以精细到几百个纳米，这样就能形成灵敏的微反应器。

“喷墨打印技术是微电子行业大量应用的方法，可以在一个平面上做成各种各样精细的图案，例如集成电路的芯片，我们的思路就是借鉴了之前的经验。”贺军辉说。

高精度超浸润图案制作完成后，研究人员又在超浸润图案内通过喷墨打印探针分子，实现了重金属离子分析纸芯片的制作。在实际检测过程中，只需将纸芯片放入待测水样中，根据颜色变化即可实现水样中重金属离子的可视化分析。

贺军辉说：“现在像试纸这样的便携式设备几乎没有，颜色变化可以用手机先拍摄下来，再去进行仔细分析，其实可以在很大程度上方便老百姓应用，包括环境执法上也可以更加迅速。”

生物酶进行毒性评估

除此之外，课题组还设计了一种利用生物酶进行重金属离子毒性评估的方法。贺军辉表示：“由于重金属离子对生物酶具有明显的抑制作用，当它们互相‘碰面’后，重金属离子就会破坏生物酶的催化作用，所以我们通过酶促显色反应，实现了水样中重金属离子的总毒性评估。”

为了提高生物酶的储存时效，研究人员选择利用水凝胶对生物酶进行包埋。“之前这些反应只能在烧瓶中进行，通过我们的改良，就可以让它们在纸基芯片上发生作用。”贺军辉说。

这个办法不仅简化了实际检测的操作步骤，还能为便携式重金属离子检测试剂盒的研发奠定基础。在课题组的预想中，便携式重金属离子检测试剂盒可以达到“一种试纸检测一种重金属离子”的效果。

在研究过程中，课题组也不得不面临着两个重要的难题：如何保证芯片稳定性和检测灵敏度。为了让产品更好地适应市场需求，芯片要保证在几个月到一年的时间内有效。水凝胶包裹生物酶等生物大分子，可以将有效期提高到半年以上，与此同时检测灵敏度就会随之下降。

贺军辉说：“目前超浸润重金属离子检测纸芯片的灵敏度做到了ppb级，与期待的还有一些距离，我们期望将来可以做到ppt级。”

让重金属离子检测“现场化”

据了解，传统重金属离子检测技术主要依托于大型的检测设备，而且需要在标准的检测实验室中进行，整个过程往往需要一天甚至更长的时间，花费也不少。因此，便携式的重金属离子检测仪器一直是市场的一个“大缺口”。

“例如当百姓到超市、农贸市场买东西时，并不知道有没有重金属离子残留。如果能简单测试一下且不是很贵，就可以让大部分人接受这个产品。例如过去检测血糖要到医院，现在便携式的血糖仪只要用针扎一下就能知道结果。虽然精确性上有差距，但作为便携式的工具，已经能够满足现实需求了。”贺军辉表示。

由于中科院理化所微纳材料与技术研究中心一直有基础研究、产业开发应用的良好积淀，在下一步的工作中，产业化已经写入了课题组的日程表中。

贺军辉告诉记者，课题组首先会考虑推广汞离子检测的试纸。“例如环境科学这方面，国家有很多环境监测站，对重金属离子检测高度重视。便携式重金属离子检测试剂盒大批量生产时，我们的成本会控制在几毛钱，与之前的检测方法相比，价格会大幅度降低。”

“这是一种普适性的方法，当我们开发出廉价、灵敏度高的产品，就能够得到广泛应用。无论亲水还是疏水体系，这种方法都能形成一系列环境检测、医疗检测的现场检测芯片。当现场检测芯片与实验室的大型设备结合起来，就会为环境监测和医疗监控提供新途径，意义很大。”贺军辉说。