微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染中的應(yīng)用

水環(huán)境是環(huán)境構(gòu)成要素之一，也是受人類破壞和影響最嚴(yán)重的領(lǐng)域，水環(huán)境污染已成為當(dāng)今世界主要環(huán)境問題之一，水環(huán)境科學(xué)研究特別是水環(huán)境污染分析備受矚目。水環(huán)境污染分析對(duì)象種類廣、含量低，因此分析手段必須具備靈敏、準(zhǔn)確、高速、自動(dòng)化等特點(diǎn)，為解決所面臨的種種現(xiàn)實(shí)問題，水環(huán)境污染分析動(dòng)用了現(xiàn)代分析化學(xué)中幾乎所有的檢測(cè)技術(shù)和手段，如使用等離子發(fā)射光譜、原子熒光光譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、高效液相色譜等。在繼續(xù)發(fā)展大型、精密監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同時(shí)，小型便攜式、自動(dòng)連續(xù)、簡(jiǎn)易快速的監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究同樣迫在眉睫。在這一領(lǐng)域的研究過程中，微流控芯片技術(shù)起到了極其重要的作用。

微流控芯片，又稱為芯片實(shí)驗(yàn)室或生物芯片，是一種以在微米尺度的空間中對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的技術(shù)，具有將化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)室的基本功能微縮到一個(gè)幾平方厘米大小芯片上的能力，其目標(biāo)是通過分析化學(xué)、微機(jī)電加工、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、材料學(xué)及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的交叉，實(shí)現(xiàn)從樣品處理到檢測(cè)的微型化、自動(dòng)化、集成化及便攜化。

微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染中的應(yīng)用

微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染分析中的研究尚處于起步階段，因此多集中于優(yōu)先污染物的相關(guān)報(bào)道，主要包括重金屬、營(yíng)養(yǎng)元素、有機(jī)污染物和微生物等。

1、用于水體中重金屬檢測(cè)的微流控芯片系統(tǒng)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，越來越多的重金屬如汞、鉻、鉛、銅、鎳、釩等被排放入水體，不僅會(huì)對(duì)水生動(dòng)植物產(chǎn)生毒害作用，還能通過富集作用進(jìn)入生物鏈，對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。對(duì)上述重金屬的檢測(cè)，雖然可以使用高精度的原子吸收光譜和原子熒光光譜等方法。但是在應(yīng)對(duì)突發(fā)性污染物泄露事件，或者對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的情況下，仍需要快速、高效的檢測(cè)工具。使用光刻法搭配濕法刻蝕技術(shù)，成功研制了一種微流控芯片，該芯片利用魯米諾發(fā)光性質(zhì)，成功地對(duì)硝酸鈷進(jìn)行了測(cè)定。與此同時(shí)，通過簡(jiǎn)單的改造之后，該微全分析系統(tǒng)還能成為檢測(cè)過氧化氫或者二氧化氮的裝置，并可以與信號(hào)傳遞裝置結(jié)合起來，成為一種自帶無線信號(hào)發(fā)射功能的設(shè)備。

基于紙的微流控器件近幾年的發(fā)展也很迅速，相對(duì)于具有類似功能的微流控設(shè)備，它具有操作簡(jiǎn)單，不需要外援設(shè)備，可多元檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)出了一種可以用來檢測(cè)多種重金屬的紙芯片，顯示了良好的靈敏度。

2、用于水體中營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定芯片系統(tǒng)

用于營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定的微流控芯片系統(tǒng)多數(shù)是基于分光光度的檢測(cè)原理，運(yùn)用現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)將各種光電元件加以集成，例如，一種用于水體中磷酸鹽檢測(cè)的微流控芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)的發(fā)射裝置，可以在目標(biāo)區(qū)域的不同位置分別布置對(duì)該區(qū)域的磷酸鹽污染狀況進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)限量最低為0.3mg/L。

賈宏新等提出了一種三層雜交結(jié)構(gòu)微流控芯片，在玻璃片上加工微反應(yīng)通道，用PDMS加工氣體滲透膜和具有接受通道的PDMS底片，實(shí)現(xiàn)了溶液中銨根正離子反應(yīng)、生成的氨氣擴(kuò)散分離、吸納、溴百里酚藍(lán)顯色和光度檢測(cè)在微流控芯片上的集成化。

3、用于水體中有機(jī)污染物分析芯片

水體中除含有無機(jī)污染物外，更大量的是有機(jī)污染物，它們以有毒性和使水中溶解氧減少的方式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康，因此有機(jī)污染物的數(shù)量是評(píng)價(jià)水體污染狀況的極為重要的指標(biāo)。這一類污染物由于其含量較低，通常需要進(jìn)行前期的預(yù)處理，微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以將前期的預(yù)處理以及后期的檢測(cè)進(jìn)行集成，并且具有較高的萃取/富集效率等。

4、用于水體中微生物檢測(cè)芯片系統(tǒng)

水體中的微生物按其粒徑，屬于顆粒有機(jī)碳范圍，其種類群可以反映水體生態(tài)特征和一些重要的污染狀況，是水體生態(tài)調(diào)查中的常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。在其測(cè)定過程中，流式細(xì)胞術(shù)是最為準(zhǔn)確、快速的方法。但其設(shè)備昂貴、體積龐大、需要專人操作，不適合現(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)要求，基于鞘流式流體控制的微流控芯片的出現(xiàn)在一定程度上克服了這些局限，并可能實(shí)現(xiàn)儀器的集成化、小型化、自動(dòng)化和便攜化。