【分析】微流控纸芯片——在化学恐袭现场即可轻松实现神经毒剂检知- 大数跨境

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2021-08-13

导读：日本北海道大学博士、科学警察研究所研究员山口晃巨，和北海道大学的石田晃彦助教、渡慶次学教授以及科学警察研究所的宫口一室长组成的研究小组成功开发出了一种可以轻松地于现场进行及时神经毒剂检测

化学武器（如神经毒素等）作为反人类文明的战争产物早已被国际条约所禁止，然而由于其制备所需的工业化学品较为容易获得，大规模杀伤性武器的使用“门槛”被大大降低，恐怖分子可通过自制方式获得化学武器。近年来，恐怖分子使用难治性神经毒剂VX和结构不明的难治性神经毒剂诺维乔克（Novichok）等来进行恐怖袭击或者暗杀，对社会构成了极大的威胁。如1995年日本邪教组织“奥姆真理教”在人流密集的东京地铁发动的震惊世界的东京地铁沙林（Sarin）毒气惨案与近年来屡见报端的VX神经毒剂暗杀事件。因此，能否实现快速检测神经毒剂就成为现场事故即时响应、调查恐怖袭击和急救时的关键因素。近日，日本北海道大学博士、科学警察研究所研究员山口晃巨，和北海道大学的石田晃彦助教、渡慶次学教授以及科学警察研究所的宫口一室长组成的研究小组成功开发出了一种可以轻松地于现场进行及时神经毒剂检测，且造价低廉的纸制检测芯片（制作成本最多仅需几十美分（0.6~6元）），有望成为无国界现代反恐的新工具。

神经毒剂现场检测工具在世界范围内得到了广泛的研究和开发，然而大多数检测神经毒剂的设备都是对气体进行检测分析，并使用事先准备好的数据库来判断结果，因此无法检测出挥发性差或结构未知的神经毒剂。此外，神经毒剂由于和某些农药难以区分，大多数检测工具的应用范围十分有限，且需要耗时的繁复操作。这就导致了急救人员（如防暴警察或消防部门人员）无法在现场做出及时准确的判断，从而致使疏散命令不及时和救生治疗延误。该研究小组开发出的廉价轻便纸芯片无需复杂操作，且神经毒剂的检测结果为十分鲜艳的颜色，可以在视觉上与农药等轻易区分开。

图1. 专业人士（急救人员）现场使用模拟图。图片来源：hokudai^[1]

这种纸质分析装置体积小，重量轻，通过在2 cm × 4 cm的纸上用防水墨水打印制成。该装置由添加展开剂区、浸渍神经毒剂检测试剂区、根据反应结果显色区以及连接它们的流路组成（图2）。纸的特定区域被墨水包围并充当流动路径，一系列可引起反应的试剂已浸润于流路中间，从而达到检测神经毒剂的目的。液体样品被滴入进样区，随着将展开剂添加到装置中，检测样品由于毛细现象沿流路流动，与检测试剂进行一系列反应，并流向流路的末端，显色会根据神经毒剂存在与否而不同。

显色区设计有独特的形状，从而可以长时间保持颜色。显色区前有分支，且在显色时合并。由于检测试剂不是固定的，有色试剂会移动，直到它们与通过另一个分支的相反方向的流动相相遇，并分布在汇合处附近（图3）。此时，如果流路末端没有分支，显色液体就会被扫到末端，并随着液体的流动而被压缩，导致显色褪色或变化。在这次的流路设计中，该研究小组旨在通过使用独特的分支结构来解决这个问题。此外，在这项研究中，过去难以区分的神经毒剂和有机磷农药也被区分。且装置的抗干扰性和储存稳定性等方面也得到了验证。

图2. （a）设备的设计及照片。（b）感测神经毒剂原理。约于十分钟内连续反应。图片来源：ACS Appl. Bio Meter.

据北大西洋公约组织规定的允许摄入量标准（60微克/天），该装置可以成功检测出足够低浓度的神经毒剂（0.1微克/mL）。此外，神经毒剂和有机磷农药的可检查浓度有约1000倍的差异（图3）。他们也明确证明了当显色区前部存在分支时，相较于没有分支的设计可保持更稳定（颜色变化少）的检测显色，并且显色保持时间长（图4）。在存在有机溶剂、低温、高温或弱酸弱碱等各种干扰条件下也可得到正确的判断结果（图5）。最后，进行了从门把手或开关表面检测神经毒剂的情景模拟，用浸有展开剂的棉花擦拭残留在不锈钢板和塑料板上的VX，并将展开剂导入纸芯片中进行检测，擦拭取得的VX经过检测仅有5ng。

图3. 验证流路分支是否存在影响。图片来源：ACS Appl. Bio Meter.

图4. 神经性毒剂和有机磷农药分析结果。图片来源：ACS Appl. Bio Meter.

图5. 验证有机溶剂及低温和高温以是否存在影响。图片来源：ACS Appl. Bio Meter.

该纸质检查芯片只需要简单地滴加液体样品和缓冲液，这就极大避免了因操作失误而导致检测结果错误，且可高灵敏度地检测各种性质神经毒剂（包括过去在恐怖袭击现场难以检测的一些神经毒剂）。该检测装置造价低廉，便于携带，且操作步骤简单。装置可用于在恐怖主义现场进行排查检测，确认转移病患和急救人员身上附着神经毒剂除净与否，预计对在现场及时决策是否使用神经毒素解毒剂自动注射器（近期，除医生外的普通人员已经被禁止使用）也会有极大帮助。该设备为检测现场样本中神经毒剂，从而打击恐怖主义提供了实用方法。

这一成果近日在ACS Applied Bio Materials 发表。第一作者为北海道大学博士、科学警察研究所研究员山口晃巨，科学警察研究所的宫口一室长与北海道大学教授渡慶次学为通讯作者。

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