基于纤维素的微针用于鱼类样本中重金属检测的研究

针对现有微针（MNs）制造复杂、成本高及生物相容性不足等问题，研究人员开发了纤维素基 MNs。以 Whatman 纸纤维混合 1% 聚乙烯醇（PVA）经 PDMS 模具成型，可检测鱼类中 Cu2+、Cr6+、Ni2+，线性范围分别为 0.6-8、0.2-4、0.3-6 mg/L，为食品安全分析提供新方案。

　　

在食品工业与环境监测领域，重金属污染的快速精准检测一直是关键难题。传统检测方法如原子吸收光谱（AAS）虽准确，但需复杂样本前处理，且设备昂贵、便携性差。基于微针（Microneedles, MNs）的检测技术虽具备高表面积、局部穿透等优势，却面临制造工艺复杂、材料成本高（如金属、硅基材料）及生物相容性不足等瓶颈。例如，传统 MNs 常用的环烯烃聚合物不可降解，壳聚糖（chitosan）则存在机械强度低、吸湿性强等缺陷，限制了其在食品现场快速检测中的应用。

为突破上述困境，来自伊朗大不里士等研究机构的学者开展了创新研究。他们开发出一种基于纤维素纸纤维的 MNs 检测技术，相关成果发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》。该研究通过简便工艺制备出低成本、高兼容性的微针传感器，为鱼类等复杂食品基质中的重金属检测提供了高效解决方案。

关键技术方法

研究主要采用以下技术：

1. PDMS 模具制备：通过计算机数控（CNC）铣床加工金属母模，再以聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制出带有 225 个锥形微针阵列的模具。
2. 纤维素微针成型：将 Whatman 滤纸纤维制成纸浆，混合 1% 聚乙烯醇（PVA）增强结构强度，倒入 PDMS 模具中干燥成型，制得平均高度约 750 μm、直径约 500 μm 的锥形微针。
3. 比色检测与智能手机分析：利用羟胺、新亚铜灵等试剂与重金属离子的显色反应，通过智能手机拍摄微针检测区域的红 - 绿 - 蓝（RGB）值，结合 ImageJ 软件实现定量分析。

研究结果

3.1 FE-SEM 表征

场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）显示，纤维素微针呈多孔锥形结构，高度约 750 μm，直径约 500 μm，可有效穿透鱼类样本表面。其多孔特性通过毛细管作用实现液体吸收，无需样本前处理，且能过滤杂质，减少干扰。

3.2 鱼类样本基线分析

火焰原子吸收光谱（FAAS）测定鱼类样本中 Cu²⁺、Cr⁶⁺、Ni²⁺的基线浓度分别为 1.4、0.8、0.2 mg/L，验证样本本底浓度不影响微针检测准确性。

3.3 重金属比色检测

• Cu²⁺检测：在乙酸缓冲液中，羟胺将 Cu²⁺还原为 Cu⁺，与新亚铜灵形成橙色络合物。微针检测线性范围为 0.6-8 mg/L，最低定量限（LLOQ）为 0.6 mg/L，相对标准偏差（RSD）0.153。
• Cr⁶⁺检测：Cr⁶⁺在硫酸介质中氧化二苯卡巴肼（DPC）生成粉红色产物。线性范围 0.2-4 mg/L，LLOQ 0.2 mg/L，RSD 0.083。
• Ni²⁺检测：镍离子与丁二酮肟（DMG）形成红色络合物，线性范围 0.3-6 mg/L，LLOQ 0.3 mg/L，R²值 0.96。

3.4 选择性验证

在 Ca²⁺、Fe³⁺等干扰离子存在下，微针对目标重金属仍表现出特异性显色反应，且鱼类样本中的脂质、蛋白质等成分不影响检测，证明其高选择性。

结论与意义

该研究开发的纤维素基 MNs 结合了微针的穿透优势与纤维素材料的低成本、生物相容性特点，无需复杂样本处理即可直接检测鱼类中的 Cu²⁺、Cr⁶⁺、Ni²⁺，检测限优于多数传统纸基传感器。其便携式设计与智能手机分析功能，为食品供应链中的现场快速检测提供了革命性工具，有望推动低成本、高效能检测技术在食品安全、环境监测及可穿戴设备领域的广泛应用。未来研究可进一步优化纤维素孔隙结构，拓展检测目标分子范围，并探索卷对卷（roll-to-roll）等大规模生产工艺，以降低成本并提升实用性。