研究背景
科技的发展与技术的革新，正在以革命性的方式重塑我们在科学和工业领域的检测与分析手段。现代测量系统以其自动化处理、超灵敏响应以及多重测定功能的强大能力引领时代进步，诸如高通量基因分型和单分子计数等技术的崛起便是这一趋势的真实写照。然而，这些高精尖的检测技术的使用往往局限于配备专业人员和昂贵设备的实验室环境，难以触及社会的各个层面。在跨社会背景的多样化活动前提下，对于简便、快速的现场测试服务和解决方案的需求愈发迫切。因此，提供快速且经济的即时检测技术，将测试服务从实验室拓展到一线生产或家庭单位变得至关重要。这不仅能满足广大用户的需求，更能推动科学和工业领域的持续发展，让检测技术真正惠及到每个人。
近日，华南理工大学轻工科学与工程学院、制浆造纸工程国家重点实验室田君飞教授课题组提出了一种新型二维码化纸基微流控分析设备（QR-μPAD），该设计方案将二维码识别与多通道纸基微流控分析相结合，并基于智能手机将其集成为简单、多路复用的快速检测平台。
图文解读
这种新颖的二维码化μPAD由三层组成：纸微流体、透明薄膜和印刷二维码（图1）。以比色信号作为二维码定位点，实现智能手机快速捕获图像、自动定量分析和解码。在完成比色测定的同时，QR码提供丰富信息和预设功能可适用于多种场景。该QR-μPAD已被应用于饮料中pH、抗坏血酸和5-羟甲基糠醛的测定，这一创新将推动“智能μPAD”的实际应用发展。
图1. QR-μPAD的设计和制造示意图。
检测原纸经功能化修饰后（图2），三种分析物的比色信号显色均匀性得到显著提高，这更有利于对分析物的定量分析和二维码的识别。
图2. 有无修饰的检测原纸对（a）pH（2-10）、（b）AA（浓度为0-1000 ppm）和（c）HMF（浓度为0-1000 ppm）的比色反应。
如图3所示，通过添加不同pH值的缓冲溶液，在检测区域观察到颜色变化的连续性。pH的定量测定与ΔE值线性相关，且准确度高。对于抗坏血酸（AA）和5-羟甲基糠醛（HMF）的定量分析，随着浓度的增加，ΔRGB值也增加，检测限分别为5.56 ppm和6.73 ppm。这些结果对于大多数饮料的AA和HMF含量定量测量及果汁安全监测方面具有重要意义。
图3.（a）QR编码pH测定的图像。（b）ΔE与pH值的函数关系。（c）QR编码的AA和HMF测定的图像。（d）ΔRGB与AA浓度的函数关系。插图：浓度范围从0到250 ppm的多项式拟合。（e）ΔRGB与HMF浓度的函数关系。插图：浓度范围从0到250 ppm的多项式拟合。
在获取AA、HMF和pH测定的校准曲线后，为QR-μPAD定向开发了SMARTQR-μPAD Android应用程序（图4）。该程序集成了QR码解码、目标查找和比色分析等算法。用户可通过现场扫描或拍摄二维码图片的方式进行图像分析，应用自动定位检测区域并确定分析物，结果以文本形式展示并支持发送报告，方便数据收集和咨询。
图4.（a）“SMARTQR -μPAD”架构示意图。（b） “SMARTQR -µPAD”应用程序的基本工作流程图像。
为适应不同场景中扫描条件的变化，智能纸基微流控的应用程序增加了白色方框和Hu矩不变量作为辅助扫描工具。这些工具帮助用户调整扫描距离和角度，并确保即使二维码被旋转，应用程序也能准确识别并校正图像（图5）。通过这种方式，应用程序可以有效地减少拍摄距离和旋转角度对二维码识别和传感信号分析的干扰。
图5. 角度校正和图像定位。
此外，为了进一步证明颜色校正和定量方法的性能，还分析了在一系列典型环境照明条件下颜色校正前后检测程序的稳定性，并对AA、HMF测定的ΔRGB值和pH测定的ΔE值的变化趋势进行系统性研究。结果证实，在这些不同的照明条件下，校正后的ΔRGB值没有显著差异（图6）。
图6. 在一系列典型照明条件（50、195、505、715和1000 lux）下，对已知AA和HMF浓度（100 ppm）的加标样品检测颜色校正前后的ΔRGB或ΔE值。
研究总结
这项工作详细展示了三层二维码化纸基微流控芯片的设计与制造，并实现饮料的自动多重分析。结合灰度夹层与SMARTQR-μPAD应用程序，成功应用于pH、AA和HMF的同时测定。该技术不仅具备与传统检测相当的精准度，还进一步强化了纸基微流控系统的二维码集成功能。这一策略在多种纸基微流控体系中展现出良好的通用性和扩展性，为下一代智能纸微流体的快速开发提供了有力支持。
论文信息
相关研究成果以“Smartphone-based paper microfluidic detection implementing a versatile quick response code conversion strategy”为题发表于《Sensors and Actuators: B. Chemical》。论文第一作者为华南理工大学博士生娄亚飞，通讯作者为华南理工大学田君飞教授和海南医学院曹榕副研究员。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135393