微流控芯片在环境监控上的应用以及问题分析

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环境污染问题日益突出，简单、快速、灵敏、便携的环境监测技术倍受青睐。传统的监测方法需经采样-储运-测定等过程，监测成本高，操作者需具备较高的技能和丰富的经验；现有的传感器监测分析的样品范围相对较小，干扰因素较多，使其远不能满足现代环境监测的需求。20世纪90年代，瑞士Ciba-Geigy分析实验室的Widmer和Manz等提出的微全分析系统（MicroTotalAnalysisSystems，μTAS）为现代环境监测技术的发展提供了一个全新的技术平台。μTAS的目标是把整个实验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在数cm2的微芯片上，实现被分析物的快速、实时、在线和便携式分析检测。

以下是基于微流控芯片的环境监测应用研究的几个例子：

利用毛细管电泳微流控芯片系统来检测饮用水中高氯酸盐含量。该装置能够在较大的线性范围内检测出高氯酸盐的含量，检测的最低浓度为5.6 μg/L。此外，其检测时间缩短至如离子色谱（IC）、电导检测法以及质谱法的1/15～1/30。

金纳米粒子探针可用于如汞、铅和铜等重金属离子的检测。采用微流控芯片与光学检测相结合的装置，可使砷离子的检出限低至10～50 μg/L。基于荧光金纳米离子（AuNPs）的微流控芯片可对农药实时、快速检测。通过测量荧光强度分析出所测物质中农药的含量，如对二硫代氨基甲酸农药福美锌的检出浓度可低至6 μg/L。

而另一种基于电化学检测方法，将微流控装置与样品注射系统（FIA）相结合的平台可实现快速、高灵敏度且有选择性的检测出河水样品中炔雌醇（EE2）的含量。该系统采用直接竞争性免疫检测法，其中EE2多克隆抗体被固定在经3－氨基丙基改性的磁性微球体上，使用该微球体不仅增加了反应的表面积而且降低了扩散距离。

部分基于微流控纸芯片检测的装置设备用于环境污染物的检测，则更能体现其快速、简便的特性，如各类化学污染物和重金属等。根据比色机理，基于微流控纸芯片的聚二乙炔（PDA）比色传感器可用于检测挥发性有机化合物（VOCs）。

在气相条件下，通过测量RGB色值变化，可分辨出多达18种挥发性有机物。基于免疫色谱电化学的试纸条生物传感器（IEB）可以实现对三氯吡啶（TCP）的检出浓度低至0.1 ng/mL，且在浓度范围在0.1~100 ng／mL内保持良好的线性度。

在检测重金属方面，一种基于固相生物活性的微流控纸芯片能够在10min内通过比色检测以下各金属的含量：汞（II）＝0.001 mg/L；银（I）＝0.002 mg/L；铜（II）＝0.020 mg/L；镉（II）＝0.020 mg/L；铅（II）＝0.140 mg/L；铬（VI）＝0.150 mg/L；镍（II）＝0.230 mg/L。

微流控芯片应用于实际环境样品分析时，虽然采样体积小，样品不具备代表性，但可利用其快速分析的特点，进行网络布点采样，从而在时间和空间上获得大量数据，避免不具备代表性采样的问题。迄今为止，微流控分析检测系统应用于实际环境样品的分析十分有限，这主要是由于存在一些尚未解决好或有待解决的理论和技术问题：（1）目前绝大多数微流控芯片还不具备分析复杂试样的能力；（2）μTAS的分离和分析的可靠性问题；（3）微流控芯片装置制备的重现性问题；（4）实时在线分析时，微流控芯片装置与环境之间应有良好接口问题等等。

因此，以下几个方面将会成为未来微全分析系统在环境监测方面的研究热点：

（1）集成包括吸收、净化、浓缩、稀释、衍生等试样预处理单元，使微流控芯片逐步具备处理分析复杂试样的能力；

（2）在微流控芯片装置与环境之间有良好接口，包括具备好的过滤系统，避免样品引入系统中导至生物有机体的生长，具备重现性较好的自动进样系统，以实现原位实时检测；

（3）无线通信与微流控芯片装置的集成化，即低功率无线集成网络传感器，可生成自动网络工作站，提供大量信息，避免环境检测繁琐取样的限制。