背景

随着农药的广泛使用和转基因作物的普及，食品安全已成为全球关注的焦点。传统的检测方法如气相色谱-质谱联用、酶联免疫吸附试验等虽灵敏度高，但依赖昂贵设备与专业人员，难以在家庭或野外现场快速应用。近日，华中科技大学刘笔锋教授团队在《Biosensors and Bioelectronics》上发表了一项突破性研究，提出了一种基于“可编程润湿剥离计时器”的微流控纸芯片平台，实现了对农药残留和转基因蛋白的高灵敏、低成本、自动化检测。

PWDT-μPAD：纸上的“流体定时开关”

该研究的核心创新在于开发了一种可编程润湿剥离计时器（Programmable Wetting-Delamination Timer, PWDT），通过墨水处理后的纸张与胶带之间的粘附力差异，实现对流体通道的定时开启与关闭。

研究人员发现，不同类型的墨水（如水性绿墨、黑墨与金属油墨）在润湿后与胶带的剥离行为存在显著差异。金属油墨因其疏水性强，与胶带粘附牢固，不易剥离，适合用作通道边界；而水性绿墨粘附力弱，润湿后易剥离，形成新的流体通路，适合用作“定时器”。

为进一步提高定时器的精度与一致性，团队开发了预切割辅助局部浸染策略，通过激光切割预先隔离出定时区域，再进行浸染，有效控制了墨水扩散，使定时器宽度变异系数从7.68%降至2.86%，延迟时间变异系数从74.4%降至24.1%，稳定性提升超过50%。

图1. 湿润后剥离的表征。(A) 可编程湿润剥离微流控纸芯片（μPAD）用于现场食品安全检测的示意图与工作流程。(B) 湿润后剥离的表征。经三种不同墨水（两种不同颜色的水性墨水和一种金属墨水）处理的纸基底，湿润后剥离行为各不相同。(C) 定时器的3D结构。胶带–纸–胶带的三层结构。使用超景深显微镜对纸张与胶带之间用两种不同墨水处理的黏合界面进行表征。不可剥离墨水显示高黏附密度，用于构建边界；可剥离墨水显示低黏附密度，用于构建定时器。(D) 定时器机制示意图。展示了流体流动方向的横截面。在处理了不可剥离墨水的区域，湿润时不会发生剥离，液体被阻挡。在处理了可剥离墨水的区域，湿润时会发生剥离，形成新的流路，使液体可以通过。(E) 墨水沉积方法比较。在预切割方法中，墨水沉积区域提前被隔离，相较于直接书写，墨水扩散减少。(F) PWDT μPAD的制作过程。从原材料到完成芯片的总时间仅为5分钟。(G) 两种墨水印制方法的一致性比较。(i) 通过拼接每种方法的10个墨印区域得到的灰度分布。(ii) 灰度数据散点图，显示预切割方法具有更均匀的分布。(H) 两种方法制作的阀区稳定性比较。通过超景深显微镜测量阀宽度（预期宽度=1.0 mm, n = 8）。(I) 使用染料测试的延迟时间稳定性（阀宽=0.5 mm, n = 10）。 

2D与3D模块化设计：灵活组装，顺序释放

PWDT-μPAD支持二维与三维两种结构设计。2D结构通过一次性加工完成多通道设计，适用于固定流程的检测；而3D结构采用“积木式”模块化设计，各模块独立制备，通过扇形堆叠与纤维连接实现多流体顺序释放。

这种设计不仅提高了设备的灵活性，也使其能够适应多种复杂的多步反应流程，为后续在链式反应、多试剂检测等场景中的应用奠定了基础。

图2. PWDT和流体控制测试的关键特征。(A) 不同延迟通道中的流体流动过程示意图，定时器从右向左依次打开。(B) 使用染料溶液演示不同定时器通道中的流体流动。(C) 定时器的关键参数。(i) 数据图显示定时器宽度与相应延迟的关系（N = 5）。(ii) 数据图显示定时器数量与相应延迟的关系（N = 5）。(D-F) 2D纸基装置的设计与制作。(D) 2D PWDT μ 宽度示意图，ii表示不同数量，使用染料溶液。(E) 带有不同定时器的2D PWDT μ PAD（i表示不同PAD验证使用染料溶液）(F) 特定区域的动态灰度数据图（i为不同宽度，ii为不同数量）。(G–K) 3D纸基装置的设计与制作。(G) 3D PWDT基本模块设计，包含集成定时器。(H) 使用染料溶液的3D PWDT定时器示意图。(J) 带有两个不同定时器的3D PWDT μ PAD示意图。(I) 3D PWDT PAD的验证。带有三个不同定时器的基本模块 μ μ PAD。(K) 使用染料溶液验证带有两个不同PAD和三个不同定时器的3D PWDT μ PAD。

农药残留检测：双模式信号提升肉眼识别度

在农药检测方面，研究团队以有机磷农药“毒死蜱”为模型，构建了颜色衰减（CA）与颜色增强（CE）双模式检测系统：

CA系统：基于乙酰胆碱酯酶抑制原理，农药浓度越高，黄色产物越少，颜色越浅；

CE系统：引入MnO₂纳米酶，农药抑制酶活性后，残留的MnO₂与TMB反应生成深色产物，颜色越深表示农药含量越高。

CE系统因其“颜色越深越有毒”的直观特性，更便于肉眼识别。实验表明，在芯片上检测的灵敏度优于离芯片检测，CA与CE系统的检测限分别达到0.0645 µM与0.645 µM。

图3. PWDT μ PAD在农药残留检测中的应用。(A) 单定时芯片的农药残留检测过程。(B) CA和CE系统检测原理示意图。(C) CA系统在开关单定时PWDT μ系统上的比色图像。(E) CA系统在开关单定时PWDT μ PAD上的数据图。(D) CE PAD的比色图像 (N = 3)。(F) CE系统在开关单定时PWDT μ PAD上的数据图 (N = 3)。(G) 双定时芯片农药残留检测过程示意图。设计了两个通道，一个加入TMB (延迟15分钟)，另一个加入待测溶液与AChE溶液混合液 (延迟5分钟)。(H) CE系统在双定时PWDT μ PAD上的数据图 (N = 3)。

图4. 双模PWDT-μPAD工艺在样品检测中的应用。(A) 样品检测过程示意图。(B) PWDT-μPAD测试示意图。(C) 测试过程验证（染料溶液）。(D) 样品的比色图像。(E) 热图和(F) 基于样品归一化强度的柱状图。(G) CA和CE系统中正样本和负样本归一化强度的箱线图。（PS: 正样本 NS: 负样本）。(H) CA系统数据、CE系统及双系统的ROC曲线。(I-J) CA和CE模式下样品分类性能总结的混淆矩阵。

转基因蛋白Cry1Ab/Ac检测：信号放大提升灵敏度5.56倍

针对转基因作物中常见的Cry1Ab/Ac蛋白，团队将PWDT-μPAD与商用侧流层析试纸条结合，开发了Bi-PWDT-μPAD系统。通过定时释放信号放大试剂与洗脱缓冲液，实现了对金纳米颗粒信号的增强。

实验结果显示，信号增强后的检测限从69.5 ng/mL降至12.5 ng/mL，灵敏度提升5.56倍。在实际样本测试中，检测准确率从87.5%提升至100%，灵敏度从75%提升至100%。

图5. 用于检测转基因Cry1Ab/Ac蛋白的Bt-PWDT-μPAD。(A) Cry1Ab/Ac蛋白检测流程示意图。(B) Bt-PWDT PAD的信号放大原理。(i) Bt-PWDT μ PAD的三维结构，由3D打印外壳、控制垫和商业测试条组成。(ii) 样品首先用提取缓冲液提取，然后施加到集成信号放大试剂的Bt-PWDT μ PAD上。样品施加后，检测过程自动进行。(C–D) Bt-PWDT μ PAD中试剂移动的流程和示意原理。样品施加后，抗原与抗体结合，信号放大试剂促进金离子聚集以增强信号。(E–F) 信号增强前后的可视结果比较。(E) 检测结果的可视图像；(F) 通过灰度分析获得的不同浓度Cry1Ab/Ac信号强度在增强前后的定量数据。(G) 实际样品的检测结果。(i) 阴性样品及其对应LFA结果图像；(ii) 阳性样品及其对应LFA结果图像。(H) 样品检测结果的定量分析。通过灰度提取获得不同浓度Cry1Ab/Ac信号在增强前后的强度。(I) 基于样品信号值在增强前后生成的ROC曲线。(i) 基于未增强信号值生成的ROC曲线，AUC = 0.92；(ii) 基于增强信号值生成的ROC曲线，AUC = 1.00。(J) 基于样品信号值在增强前后绘制的混淆矩阵。(i) 基于未增强值的混淆矩阵；(ii) 基于增强值的混淆矩阵。

AI图像识别：光照无扰，结果一致

为解决肉眼判读的主观性问题，研究团队构建了基于YOLO11深度学习模型的图像识别流程。该模型能在不同光照条件下自动识别并分类试纸条上的信号区域，分类准确率达98.6%，灵敏度100%，特异性97.2%，AUC值达1.00。

该技术显著降低了用户依赖性，使得非专业人员也能在家庭环境中获得可靠结果。

实际样本验证：双模式互为验证，准确率高达97.5%

在40个真实样本测试中，双模式PWDT-μPAD表现出色：灵敏度100%，特异性95%，准确率97.5%。两种模式结果高度一致，仅一个样本存在差异，展现了良好的互补性与可靠性。

低成本、易制备、自动化：未来POCT的典范

整个PWDT-μPAD芯片制备时间仅需5分钟，单次检测成本低于1美元，无需外部电源或专业操作，真正实现了“样本入-结果出”的自动化检测流程。其材料简单（纸、胶带、记号笔）、加工便捷，具备极强的推广潜力。

结论与展望

本研究提出的PWDT-μPAD平台，通过创新的润湿剥离定时机制、模块化设计与AI图像识别技术，成功实现了对农药残留与转基因蛋白的高效、低成本、自动化检测。该技术不仅适用于食品安全领域，未来还可拓展至抗生素、病毒、流感等多种目标的快速检测，为全球范围内的现场检测与家庭自测提供了强有力的工具。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.118083