基于手持Wi-Fi扫描的比色水凝胶/纸片微盘阵列定量分析平台开发及其在即时检测中的应用

《Analyst》：Quantitative analysis of colorimetric hydrogel/paper mini-disk arrays using a handheld Wi-Fi scanner

本研究旨在解决传统比色定量分析依赖大型仪器、而基于智能手机的即时检测（PON）工具易受环境光和视角畸变影响的问题。为此，研究人员开发了一种集成了水凝胶涂层滤纸微盘阵列反应载体、手持Wi-Fi扫描仪成像与定制化应用程序的PON定量比色分析平台，并以花青素（anthocyanin）的pH差异比色法和甲基对硫磷（parathion methyl）的Ellman's assay为模型进行了验证。结果表明，该平台性能与常规紫外可见分光光度法相当，为资源有限环境下的现场、定量比色分析提供了一种可靠、通用、低成本且便捷的工具。

　　

在环境监测、食品安全和临床诊断等领域，对目标物进行快速、准确的现场定量检测，即即时检测（Point-of-Need, PON），具有迫切需求。比色分析法因其操作简便、响应快速，是实现PON的理想技术路径。然而，传统的实验室定量金标准——紫外可见分光光度计（UV-vis spectrophotometer）体积庞大、价格昂贵，难以走出实验室。近年来，智能手机凭借其高性能摄像头和计算能力，成为PON分析的热门工具，但其成像质量严重依赖环境光照条件，且存在视角畸变（perspective distortion）问题，影响了颜色信息分析的准确性和可重复性。此外，如何设计一种既能承载反应、又便于现场使用和高通量检测的反应载体，也是实现可靠PON分析的关键。为此，研究团队在《Analyst》上发表论文，报道了一种创新的集成化PON定量比色分析平台。

该研究主要采用了三项关键技术方法：1. 水凝胶/滤纸微盘阵列的制备：将琼脂糖水凝胶涂覆在滤纸上，干燥后切割成微型圆盘，并组装在疏水胶带上，形成可定制的阵列式反应基底。2. 手持Wi-Fi扫描成像：使用便携式iScan Wi-Fi扫描仪在特制的“成像盒”中对反应后的微盘阵列进行扫描，获取高分辨率、光照均匀的数字图像。3. 定制化应用程序（App）颜色分析：开发了一款名为ChromaDetect的网页应用，可上传扫描图像，在指定区域（圆形或矩形）内基于RGB或CMYK色彩空间分析颜色强度，并建立校准曲线进行定量计算。研究使用了市售葡萄汁和葡萄酒作为实际样本。

2.1. 用于比色分析的水凝胶-纸片微盘阵列的制备

研究人员改进了此前的方法，使用纯琼脂糖溶液涂覆滤纸，制备了“空白”的水凝胶涂层滤纸。这种基底可根据需要负载任何比色试剂，应用更广。通过机器切割成直径5毫米的微盘并排列在疏水胶带上，即可轻松组装成检测阵列。微盘可承载高达30微升的水溶液液滴。成像时，将阵列置于成像盒中，使用手持Wi-Fi扫描仪以固定速度扫描，获取图像后通过Wi-Fi传输至智能设备，用定制App进行分析。

2.2. 用于花青素定量的Wi-Fi扫描pH差异比色分析

研究首先以花青素（以氰化物-3-O-葡萄糖苷，Cy3G为标准品）的pH差异比色法验证平台性能。该法基于花青素在pH 1.0时呈红色，在pH 4.5时近乎无色的特性。将不同浓度的Cy3G溶液分别滴加到预先负载了pH 1.0溶液和pH 4.5缓冲液的微盘上，立即扫描。通过分析RGB色彩空间中归一化红色强度差值（ΔR/∑RGB）与Cy3G浓度的关系建立校准曲线。在0-30 mg L^-1范围内呈现良好线性（R²= 0.9879），检测限（LOD）为0.82 ± 0.11 mg L^-1，与紫外可见分光光度法结果（0.75 ± 0.06 mg L^-1）相当。对实际葡萄汁和葡萄酒样品的检测结果，两种方法也高度一致（R²= 0.9786）。

2.3. 用于甲基对硫磷定量的Wi-Fi扫描Ellman's分析

其次，研究以有机磷农药甲基对硫磷（parathion methyl）为靶标，验证平台对酶抑制型“信号关闭”比色分析的适用性。其原理是甲基对硫磷抑制乙酰胆碱酯酶（ATChE）的活性，从而减少酶催化底物乙酰硫代胆碱（ATCh）水解产生的硫代胆碱（TCh）与Ellman's试剂（DTNB）反应生成的黄色产物（TNB）。将经过不同浓度甲基对硫磷预孵育的ATChE溶液，加入到预先负载了ATCh和DTNB混合物的微盘上，反应25分钟后扫描。通过分析CMYK色彩空间中的归一化黄色强度（Y/∑CMYK）与抑制剂浓度的关系建立校准曲线。在0-6 μg mL^-1范围内呈线性关系，Wi-Fi扫描法与紫外可见分光光度法测得的LOD分别为0.34 ± 0.12 μg mL^-1和0.25 ± 0.10 μg mL^-1，性能相近。对加标饮用水样的检测也显示出90-109%的良好回收率。

2.4. 与其他便携式分析系统的比较及未来展望

与智能手机成像易受环境光干扰和透视畸变影响不同，扫描仪具有内置均匀光源和固定焦距，成像条件高度一致，颜色信息更准确。相较于作者此前将花青素预负载于水凝胶纸片的工作，本研究制备的“空白”微盘阵列通用性更强，制备更简便，通过商用胶带组装即可实现高通量检测（如4×15阵列），且保质期超过6个月。定制App（ChromaDetect）基于网页运行，兼容多种设备，比专用计算机软件（如Photoshop, ImageJ）更方便。研究也指出，未来可探索将平台扩展到基于纳米颗粒的比色分析或比色免疫分析，优化水凝胶材料（如海藻酸钠、壳聚糖、明胶等），并使用更先进的便携式扫描仪来进一步提升性能。

结论与讨论

本研究成功开发了一种便携式PON平台，它由一次性水凝胶/滤纸微盘阵列、手持Wi-Fi扫描仪和定制化颜色分析App三部分组成。通过对花青素pH差异比色法和甲基对硫磷Ellman's assay两种代表性模型的系统验证，证明其定量结果（响应范围、检测限、实际样品检测）与常规分光光度法测量结果具有可比性。该平台解决了现有PON工具在成像一致性和准确性方面的瓶颈，并通过通用化、阵列化的反应载体设计，实现了低成本、高通量的现场定量分析。其可靠性、可扩展性和易用性，使其在资源有限环境或偏远地区的现场化学分析、即时医疗诊断、环境监测和食品安全控制等领域展现出巨大的应用潜力和广阔的商业化前景。