新鮮牛奶是人們飲食習慣的重要組成部分，在提供全面均衡的飲食中起著至關重要的作用[1]。由于需求不斷增加，乳制品行業快速發展，這也使得牛奶更容易受到摻假行為的影響。摻假行為可能導致產品價格更低但營養價值降低，同時剝奪消費者所需的必需營養素。摻假方式多種多樣，包括混合、用有吸引力的包裝掩蓋有害物質、銷售變質食品、標注虛假標簽以及添加有毒物質[2, 3]。摻水是為了增加牛奶的體積、延長保質期并保持標準粘度，從而獲取額外利潤。為了延長保質期，通常會使用過氧化氫、碳酸鹽/碳酸氫鹽、甲醛、洗滌劑、苛性鈉等化學物質；而為了維持粘度，則會使用淀粉或某些復原奶粉[4]。在牛奶中報告的各種摻假物質中，摻水是最常見且出于經濟動機的行為，因為其操作簡單，但在沒有適當分析工具的情況下難以檢測。這在印度等發展中國家是質量違規最常見的行為之一[5]。摻水不僅會稀釋牛奶的營養價值，如果使用受污染的水，還可能引入有害微生物、化學物質或毒素，使牛奶不再安全飲用。這些行為對消費者健康構成嚴重威脅，因此牛奶摻假是一個重要的公共衛生問題。盡管政府采取了嚴格措施來保護消費者免受摻假行為的影響，但摻假事件仍然頻發，使得檢測變得困難。在印度，食品安全標準局（FSSAI）是負責食品和安全監管的政府機構[6]。該機構致力于控制牛奶摻假和污染問題；然而，公民也需要了解牛奶摻假的相關知識，因為這直接關系到他們的健康。必須確保牛奶的安全性才能放心飲用。檢測牛奶中是否摻水最常見的方法是乳比重計測試，通過乳比重計測量牛奶的比重（正常范圍：1.026–1.032）。比重低于此范圍可能表明牛奶被稀釋了。另一種方法是將一滴牛奶滴在玻璃板上，根據其擴散行為粗略估計非脂固形物（SNF）含量。另一種傳統的檢測方法是冰點測試（cryoscopy），純牛奶的冰點約為-0.55°C，摻水后會使冰點接近0°C。烘箱干燥法可以通過重量分析確定總固形物含量。此外，折射率測量技術（通常在去除脂肪后進行）也被用于檢測摻水[7, 8]。上述傳統方法雖然廣泛使用，但存在一些局限性，如需要實驗室設施、專業操作技能，或容易受到成分掩蓋的影響，因此亟需快速、低成本、可現場部署的替代方案。還有多種先進的分析方法，如液相色譜、氣相色譜、超聲波傳感、光譜技術（拉曼光譜、介電光譜、質譜）和掃描技術也被報道[7]。Liang團隊使用介電光譜結合機器學習算法實現了牛奶中摻水的無損檢測。盡管該技術能夠準確預測摻水程度，但對寬帶介電或近紅外光譜儀器的依賴限制了其便攜性和成本效益。即使他們后來開發了工作在900–1800納米范圍內的便攜式近紅外光譜儀，仍需要昂貴的光學組件和復雜的數據分析流程，不適合家庭廣泛使用[9, 10]。牛奶的非均勻性和膠體性質限制了光譜技術的應用，因為脂肪顆粒和酪蛋白膠束會導致顯著的光散射和光譜變化，除非進行廣泛的樣品標準化和化學預處理，否則會影響光譜分析的可重復性和預測準確性[11]。Dave等人報道了一種基于AVR微控制器、光學傳感器、LCD和鍵盤的光學傳感系統，用于檢測牛奶中的摻水。雖然這種方法在靈敏度方面優于傳統光譜技術，但對電子硬件和用戶操作儀器的依賴限制了其在家庭或農村地區的常規應用[12]。Lanjewar等人描述了一種基于機器學習的方法來識別牛奶中的摻水，顯示出有希望的預測準確性[13]。Mamgain等人的另一種機器學習分析方法通過高精度的蒸發沉積模式進行分析；然而，對成像系統和計算模型的依賴使其不適合資源有限的現場使用[14]。Guo等人使用微波介電光譜技術評估牛奶中的水分含量，實現了無損和定量評估[15]。盡管這種方法高效，但需要專用儀器和受控的測量條件。Bassi等人開發了一種使用CMOS相機和半導體激光器的光學斑點成像系統來區分純牛奶和摻水牛奶；然而，對光學組件和受控條件的依賴限制了其在實驗室或工業環境中的應用[16]。Banach等人展示了牛奶的電參數與摻水量之間的強線性相關性，但該方法需要電氣測量設備和校準，限制了其在快速現場檢測中的使用[17]。雖然這些方法提供了可靠的分析性能，但對專用儀器、計算工具和培訓人員的依賴限制了其在資源有限環境中的快速、分散式檢測應用。

已經有許多基于比色、電化學、光學和微流控檢測原理的現場（POC）測試方法被報道，用于檢測各種牛奶摻假物（尿素、淀粉、洗滌劑、合成牛奶、過氧化氫、三聚氰胺、甲醛、洗滌劑、脂肪等）[18, 19, 20, 21, 22]。例如，Harsha等人開發了一種經濟高效的POC試劑盒，用于檢測牛奶中的尿素和葡萄糖[19]。同時，Anushka等人報道了一種基于紙張的微流控裝置，可以檢測多種摻假物，盡管需要相對較大的樣品體積（約6毫升），并且缺乏明顯的視覺輸出[20]。Patari等人進一步展示了一種三維（3D）基于紙張的裝置，用于牛奶摻假檢測，強調了層狀紙張微流控系統在快速質量評估中的潛力；然而，其設計主要是針對多種摻假物，而不是專門針對快速檢測摻水[21]。最近，Prabhu和Clifford（2025年）也報道了一種低成本的基于紙張的平臺，用于多摻假物檢測[22]，而2024年《TrAC Trends in Analytical Chemistry》的一篇綜述總結了μPAD技術在食品摻假分析方面的最新進展[23]。這些研究強調了基于紙張的傳感技術在食品安全應用中的快速發展，重點在于多組分檢測，而不是依賴大量樣品和儀器進行快速的水摻假檢測。盡管取得了這些進展，但專門針對水摻假的研究仍然有限，盡管這是最常見的摻假形式之一且具有經濟動機。因此，仍然迫切需要一種簡單、低成本、可現場部署的POC裝置，能夠在不使用復雜儀器的情況下，通過少量樣品檢測水摻假。總體而言，這些研究突顯了實驗室規模或儀器輔助的牛奶摻假檢測技術與真正適用于現場、樣品量少、用戶友好的診斷工具之間的差距，強調了需要簡單、快速、易于視覺解釋的平臺，特別是對于非技術用戶，尤其是在資源和條件有限的地區。因此，現在迫切需要一種簡單的POC裝置來檢測水摻假，不僅對乳制品行業如此，對發達國家和發展中國家的每個家庭也同樣重要。

在這項研究中，我們報道了一種基于紙張的微流控現場裝置，利用毛細驅動的流動行為和可見的沉積模式來檢測和半定量估計牛奶中的摻水量。我們采用了一種簡單的基于微流控的距離分析方法，使用了一種增值的基于紙張的分析裝置（VA-PAD），其中“VA”表示增值，即通過氯酚紅提高視覺清晰度、基于距離的定量測量以及在簡單紙張微流控平臺內的改進穩定性。顏色指示劑增強了裝置的性能。VA-PAD在多孔纖維素基底上利用毛細驅動的流動原理工作，液體樣品的移動距離與其物理化學性質（如粘度、表面張力和成分）相關。這種基于距離的讀數可以在不需要外部電源、試劑、計算工具或復雜儀器的情況下實現定量或半定量分析，從而實現消費現場的牛奶質量檢測。據我們所知，此前沒有研究報道過這種低樣品量、可視解釋且完全無需儀器的專門用于檢測牛奶中摻水的POC平臺。這種簡單性、經濟性和實用性相結合的特點使該技術區別于現有方法。盡管簡單，但它解決了日常食品消費和安全中的一個重要且普遍存在的問題。