微流控技術(shù)在自然水體檢測中的應(yīng)用研究

(1.北京航空材料研究院,北京100095；2.北京普析通用儀器有限責(zé)任公司,北京 101200)

在環(huán)境構(gòu)成的要素中水環(huán)境是最重要的，但也是受破壞和影響最嚴(yán)重的領(lǐng)域,整個世界面臨的最大的環(huán)境問題也是水環(huán)境不斷加劇污染的問題。我國的水資源污染問題非常嚴(yán)重,水污染給人們生活帶來重大隱患,直接嚴(yán)重影響著人們的身體健康和生命安全。我國的環(huán)境保護中也把防控水污染作為一項最重要任務(wù)[1]。

由于分析對象種類廣、含量低、污染很容易擴散, 水環(huán)境污染的監(jiān)測難度較大。隨著生活水平的提高，人們對環(huán)境質(zhì)量的要求逐漸提高,各種對自然水體進行檢測分析的方法成為有關(guān)領(lǐng)域的熱點[2]。自然水體的分析手段必須具備準(zhǔn)確、靈敏、高速、自動化等特點。目前水環(huán)境分析幾乎動用了現(xiàn)代分析化學(xué)中所有的檢測技術(shù)來解決面臨的問題。在研制完善一些大型精密監(jiān)測系統(tǒng)的同時，小型、便攜、簡易快速、自動連續(xù)檢測技術(shù)的研發(fā)也具有了重要的戰(zhàn)略地位。由于自然水體的流動因素，在一些突發(fā)污染事故或野外連續(xù)觀測的現(xiàn)場，污染物濃度的變化幅度大速度快，常見的大型固定儀器在使用中受到諸多限制，而便攜式儀器和快速、自動連續(xù)測定技術(shù)則會得心應(yīng)手。在目前的很多領(lǐng)域，微流控芯片技術(shù)有著不可替代的重要作用。

微流控技術(shù)在幾平方厘米的芯片上將樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離富集和分析檢測等過程縮微到一起。隨著各種分析和監(jiān)測手段的發(fā)展，微流控芯片自1990年提出[3]發(fā)展至今，已在醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)、軍事等諸多領(lǐng)域[4-6]取得了巨大的進步。微流控芯片的發(fā)展在今后可能會取代目前分析實驗室中的很多設(shè)備，在生產(chǎn)現(xiàn)場、監(jiān)測等領(lǐng)域成為主流的污染監(jiān)測和生態(tài)分析工具，可以預(yù)計便攜式“個人實驗室”將來會變成現(xiàn)實。

自然水體污染是多種多樣的，有重金屬[7,8]、各種有機物[9,10]及微生物[11]等，一些沉積[12]和遷移轉(zhuǎn)化[13]則可能產(chǎn)生更久遠的影響。微流控在檢測自然水體中的有機物時顯示出很好的適用性，例如在地表或地下水中殺蟲劑的檢測[14]以及農(nóng)藥的檢測[15]等都可在10min內(nèi)完成。在重金屬的測試中[16]，微流控也顯示了高效靈敏的特點。無論是固體中的[17]還是液體中的痕量元素[18]都能有很好的解決方案。

1 微流控芯片在自然水體檢測中的應(yīng)用

目前，微流控芯片在微型化、自動化、集成化和便攜化等方面正逐步釋放出巨大的潛力，在環(huán)境監(jiān)測及污染物分析技術(shù)的研發(fā)中也取得一系列重要進展。微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染分析中的研究主要集中于重金屬、營養(yǎng)元素、有機污染物和微生物等領(lǐng)域。

1.1 自然水體中重金屬的檢測

工農(nóng)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致越來越多的重金屬被排放入水體，常見的金屬有鉛、鎘、鉻、汞、銅、鋅、鎳、鋇、釩等。這些重金屬元素能通過富集作用進入生物鏈，嚴(yán)重威脅整個生態(tài)環(huán)境的安全。我們可以使用高精度的原子吸收光譜和原子熒光光譜等方法檢測這些重金屬，但是需要對一個區(qū)域進行連續(xù)監(jiān)測或應(yīng)對突發(fā)性污染物泄露事件時，大型設(shè)備往往顯得較為被動，而一些快速、高效的檢測工具則會為我們爭取到主動權(quán)。此時微流控芯片就是一種很好的檢測工具。微流控可以使用造價低廉的光電探測器，在很低的成本下保證了檢測的高靈敏度。測試中將試劑固定在微芯片之上，容易實現(xiàn)操作的自動化。在硝酸鈷的測定中，檢測最低限度可以達到3×10-11mol/L。在六價鉻的測定中，檢測限最低為0.05 μg/mL，線性關(guān)系在0.1～20 mg/L的范圍內(nèi)保持良好。

圖1為使用微流控技術(shù)對含有多種金屬離子的溶液進行毛細管電泳測試的結(jié)果。11種金屬離子在12分鐘時間里得到很好的分離富集和測定。

圖1 多種金屬離子毛細管電泳圖

1.2 自然水體中營養(yǎng)鹽的測定

水體中營養(yǎng)鹽的檢測可利用微流控芯片技術(shù)中的毛細管電泳方法?；诿毠茈娪炯夹g(shù)的微流控芯片，可在2分鐘完成對亞硝酸鹽離子和硝酸鹽離子檢測，最低檢測限能達到0.08μmol/L 。對磷酸鹽的檢出限也可以達到0.03μmol/L。理論上任何基于流動注射分析技術(shù)-分光光度法的營養(yǎng)鹽測定均可在微流控芯片中實現(xiàn)。目前最大的技術(shù)瓶頸是微流控芯片通道的微米尺度帶來的吸收光程短和光通量弱的問題，期待微流控芯片上長光程檢測技術(shù)的實現(xiàn)會突破這一限制。

1.3 自然水體中有機污染物的分析

水體中含有的有機污染物可能遠超過無機污染物，它們以毒性和使水中溶解氧減少的方式對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康。評價水體污染狀況時，有機污染物的數(shù)量是極為重要的指標(biāo)。通常需要進行前期的預(yù)處理以應(yīng)對有機污染物的低含量，而微流控芯片的優(yōu)點體現(xiàn)在可以將前期的預(yù)處理以及后期的檢測進行集成，并且具有較高的萃取/富集效率?；诠庾V分析技術(shù)的微流控芯片，對多環(huán)芳烴進行檢測時，其檢測線性范圍可以達到 0. 1μg/L～400 mg/L。使用電化學(xué)檢測芯片，可以檢測水中的硝基苯類化合物，在樣本沒有經(jīng)過復(fù)雜預(yù)處理的情況下，在飲用水中的最低檢測限能達到3.0μmol/L。使用毛細管凝膠電泳技術(shù)的微流控芯片，搭配激光誘導(dǎo)熒光檢測法可用來檢測水體中的溶解有機碳，可以檢測出濃度為1 mg/L的DOC。

1.4 自然水體中微生物的檢測

自然水體中微生物的種群豐度是水體生態(tài)調(diào)查中的常規(guī)監(jiān)測指標(biāo),可以反映水體生態(tài)特征和一些重要的污染狀況。流式細胞術(shù)是進行水中微生物測定的最為快速準(zhǔn)確的方法，但其設(shè)備體積龐大、價格昂貴、需要熟練的專業(yè)人員操作，難以適應(yīng)現(xiàn)場及連續(xù)監(jiān)測要求。微流控芯片的出現(xiàn)在一定程度上克服了這些局限，使儀器的集成化、小型化、自動化和便攜化成為了現(xiàn)實?；谇柿魇搅黧w控制的微流控芯片測定原理與流式細胞儀相似，首先對細胞進行熒光標(biāo)記(可發(fā)出自體熒光的無需標(biāo)記)，細胞進樣的實現(xiàn)是采用壓力、電動力或空氣夾流等形成鞘流的方式，激光誘導(dǎo)熒光檢測區(qū)在細胞流經(jīng)時會對熒光信號及強弱進行計數(shù)，借助多種控制方式(如電、光鑷和泵閥等)可進一步完成細胞分選。

通過芯片中的毛細管電泳技術(shù)和芯片外的PCR預(yù)處理技術(shù)，細胞捕獲的效率可以明顯提高。免疫分析和分子雜交也是基于流式細胞術(shù)原理的微流控芯片以外的常用技術(shù)。還有一種固定了免疫磁珠的微流控芯片可以從稀釋的樣本中檢測并分離出大腸桿菌。

2 自然水體中離子測試

2.1 儀器及試劑

毛細管電泳芯片。

0.1mol/LTris(三羥甲基氨基甲烷)溶液; 0.1mol/LCit溶液; 0.1mol/L EDTA(乙二胺四乙酸)溶液; 0.1mol/L TEPA(四乙烯五胺)溶液; 0.1mol/L 乙酸溶液；0.1mol/L NaOH溶液；試劑均為分析純。

2.2 試驗條件

溫度：25℃；分離電壓：20kV。

清洗液：0.1mol/LNaOH溶液；0.1mol/L 乙酸溶液；純凈水；

陽離子背景電解質(zhì)： 10mmol/LTris溶液+0.2mmol/LCit溶液+2mmol/LHAc溶液,pH=4.0(使用0.1mol/L乙酸溶液調(diào)節(jié))。

陰離子背景電解質(zhì)： 10mmol/LTris溶液+10mmol/L H3BO3溶液+2mL/L TEPA溶液+0.2mmol/L EDTA溶液,pH=4.0(使用0.1mol/L乙酸溶液調(diào)節(jié))。

毛細管使用前以0.1mol/L NaOH溶液、純凈水、緩沖液分別依次沖洗3min。

3 結(jié)果與討論

3.1 自然水體中陽離子測定

采用電動進樣方式進樣,測量使用非接觸式電導(dǎo)檢測法。對飲用水的測試結(jié)果如圖2所示。

對于圖2測定的4種金屬離子，測試結(jié)果分別為：K+：12.5μg/mL；Na+：20.4μg/mL；Mg2+：2.5μg/mL；Ca2+：5.3μg/mL。測試結(jié)果給出的檢出限分別為：K+：0.5μg/mL；Na+：0.8μg/mL；Mg2+：0.05μg/mL；Ca2+：0.1μg/mL。

圖2 陽離子電泳圖

采用電動進樣時，淌度大的離子比淌度小的離子進入檢測裝置的量要大，會造成進樣不均勻。且淌度大而且與電滲流方向相反的離子可能無法進入檢測裝置而發(fā)生離子丟失現(xiàn)象。試驗中需要注意這些問題。但電動進樣的堆積效應(yīng)可以使檢測靈敏度提高，對痕量元素測量有利。

3.2 自然水體中陰離子測定

電滲流(EOF)的方向與陰離子的電遷移方向相反，且EOF速率大于陰離子的電泳速率，陰離子在毛細管電泳中較難檢出。解決這個問題比較有效的辦法是在緩沖溶液中加入四乙烯五胺, 其碳鏈兩端的氨基可與毛細管壁的硅經(jīng)基通過靜電作用相結(jié)合，掩蓋了一部分硅經(jīng)基，改變了管壁的電量，有效地抑制電滲流，陰離子可被靈敏檢出。

電泳運行液的優(yōu)化結(jié)果：810mmol/L Tris(三羥甲基氨基甲烷)+10mmol/L H3BO3+0.2mmol/L EDTA(乙二胺四乙酸)+ 0.2% 四乙烯五胺。

對飲用水中的陰離子測定結(jié)果見圖3。

圖3 陰離子電泳圖

4 結(jié)語

微流控具有高效靈敏的特點，可以實現(xiàn)小型便攜式、自動連續(xù)、簡易快速等目標(biāo)，非常適合自然水體的測量監(jiān)控。

微流控電泳技術(shù)可以對溶液中的離子進行富集分離，對自然水體中的正負(fù)離子都有理想的檢測靈敏度。在優(yōu)化的測試條件下，基本可在十分鐘以內(nèi)時間里有效解決常見正負(fù)離子的檢測。