近年來，隨著工業發展，各種各樣的重金屬離子排入土壤和水源，隨后被動植物吸收，又隨著食物鏈進入人體，“鎘大米”“毒蔬菜”等食品安全事件屢有發生。重金屬在人體內能與蛋白質、酶等發生強烈的相互作用，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的產品流向餐桌？重金屬離子檢測成為一道保障“舌尖上的安全”的防線。但是，傳統重金屬離子檢測方法依賴于大型儀器，操作煩瑣且耗時費力，不適用于現場檢測。近日，中科院理化所微納材料與技術研究中心設計了一種超浸潤重金屬離子檢測紙芯片，可以讓重金屬離子檢測快速出結果。

噴墨打印超浸潤圖案

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會引起身體不適，甚至誘發癌癥。尤其是汞及其化合物屬于劇毒物質，可在人體內蓄積。

中科院理化所研究員賀軍輝告訴《中國科學報》記者：“課題組承擔了有害污染物檢測的國家重點研發計劃課題，其中汞離子是既常見危害性又很大的元素。由于我們在超浸潤材料方面有不少研究經驗，所以就嘗試將超浸潤材料與重金屬離子檢測結合起來，想要研發出新的檢測方法。”

據了解，當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材料。“超浸潤材料有很好的作用，再微小的區域也可以進行相互作用。我們先將超浸潤材料圖案化，再與生化反應結合起來，這樣就可以形成檢測紙芯片。”賀軍輝介紹道。

那么，如何實現高精度超浸潤圖案的制作呢？課題組想出了一個辦法——那就是利用噴墨打印技術，在超親水的材料上打印出超疏水的圓圈、線條，可以精細到幾百個納米，這樣就能形成靈敏的微反應器。

“噴墨打印技術是微電子行業大量應用的方法，可以在一個平面上做成各種各樣精細的圖案，例如集成電路的芯片，我們的思路就是借鑒了之前的經驗。”賀軍輝說。

高精度超浸潤圖案制作完成后，研究人員又在超浸潤圖案內通過噴墨打印探針分子，實現了重金屬離子分析紙芯片的制作。在實際檢測過程中，只需將紙芯片放入待測水樣中，根據顏色變化即可實現水樣中重金屬離子的可視化分析。

賀軍輝說：“現在像試紙這樣的便攜式設備幾乎沒有，顏色變化可以用手機先拍攝下來，再去進行仔細分析，其實可以在很大程度上方便老百姓應用，包括環境執法上也可以更加迅速。”

生物酶進行毒性評估

除此之外，課題組還設計了一種利用生物酶進行重金屬離子毒性評估的方法。賀軍輝表示：“由于重金屬離子對生物酶具有明顯的抑制作用，當它們互相‘碰面’后，重金屬離子就會破壞生物酶的催化作用，所以我們通過酶促顯色反應，實現了水樣中重金屬離子的總毒性評估。”

為了提高生物酶的儲存時效，研究人員選擇利用水凝膠對生物酶進行包埋。“之前這些反應只能在燒瓶中進行，通過我們的改良，就可以讓它們在紙基芯片上發生作用。”賀軍輝說。

這個辦法不僅簡化了實際檢測的操作步驟，還能為便攜式重金屬離子檢測試劑盒的研發奠定基礎。在課題組的預想中，便攜式重金屬離子檢測試劑盒可以達到“一種試紙檢測一種重金屬離子”的效果。

在研究過程中，課題組也不得不面臨著兩個重要的難題：如何保證芯片穩定性和檢測靈敏度。為了讓產品更好地適應市場需求，芯片要保證在幾個月到一年的時間內有效。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，與此同時檢測靈敏度就會隨之下降。

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

讓重金屬離子檢測“現場化”

據了解，傳統重金屬離子檢測技術主要依托于大型的檢測設備，而且需要在標準的檢測實驗室中進行，整個過程往往需要一天甚至更長的時間，花費也不少。因此，便攜式的重金屬離子檢測儀器一直是市場的一個“大缺口”。

“例如當百姓到超市、農貿市場買東西時，并不知道有沒有重金屬離子殘留。如果能簡單測試一下且不是很貴，就可以讓大部分人接受這個產品。例如過去檢測血糖要到醫院，現在便攜式的血糖儀只要用針扎一下就能知道結果。雖然精確性上有差距，但作為便攜式的工具，已經能夠滿足現實需求了。”賀軍輝表示。

由于中科院理化所微納材料與技術研究中心一直有基礎研究、產業開發應用的良好積淀，在下一步的工作中，產業化已經寫入了課題組的日程表中。

賀軍輝告訴記者，課題組首先會考慮推廣汞離子檢測的試紙。“例如環境科學這方面，國家有很多環境監測站，對重金屬離子檢測高度重視。便攜式重金屬離子檢測試劑盒大批量生產時，我們的成本會控制在幾毛錢，與之前的檢測方法相比，價格會大幅度降低。”

“這是一種普適性的方法，當我們開發出廉價、靈敏度高的產品，就能夠得到廣泛應用。無論親水還是疏水體系，這種方法都能形成一系列環境檢測、醫療檢測的現場檢測芯片。當現場檢測芯片與實驗室的大型設備結合起來，就會為環境監測和醫療監控提供新途徑，意義很大。”賀軍輝說。