用于重金属离子的集成式塑料微流控装置

铅（Pb²⁺）、镉（Cd²⁺）、汞（Hg²⁺）等重金属离子是一类化学稳定性高、生物可降解性低的环境污染物，其在生物体内蓄积会对人体健康产生负面影响，可能导致癌症、肾衰竭、免疫系统疾病和神经退行性疾病，并对环境构成威胁。因此，水体中重金属离子的检测对于生产符合国际公认标准的高质量饮用水至关重要。目前，用于重金属离子检测的方法包括光谱技术（例如原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS））以及其它分析方法，例如高效液相色谱（HPLC）。这些方法的特点是准确性和灵敏度高，但它们需要庞大且昂贵的设备，因此只能在分析实验室中使用，同时，这些方法的样品处理流程耗时，并且需要训练有素的人员。最重要的是，这些技术不适合连续的样本监测。

据麦姆斯咨询报道，为了克服上述挑战，近期，来自希腊纳米科学和纳米技术研究所（Institute of Nanoscience and Nanotechnology）、雅典国家技术大学（National Technical University of Athens）和雅典学院生物医学研究基金会（BiomedicalResearch Foundation of the Academy of Athens）的研究人员开发了一种高度集成的微流控传感装置，该装置包括一个被动混合单元（用于样品预处理）和一个由电化学生物传感器阵列构成的检测单元，用于重金属离子的实时、无标记检测。相关研究成果以“Integrated Plastic Microfluidic Device for Heavy Metal Ion Detection”为题发表在Micromachines期刊上。

图1 集成式微流控传感装置设计示意图

 

图2 用于检测重金属离子的整体实验装置示意图

该微流控装置的制造工艺简单，其混合和检测单元都采用基于干膜光刻胶的光刻工艺进行构建。其中，检测单元是由六对金（Au）叉指电极（IDEs）组成的传感阵列。此外，研究人员在金叉指电极上沉积了铂纳米粒子（PtNPs），并在此基础上进行了脱氧核酶（DNAzymes）的固定化。

图3 集成式微流控传感装置的制造工艺

该集成式微流控传感装置的工作原理依赖于在单链和双链DNA上观察到的电荷传输量的差异，以及纳米颗粒在传感器表面的覆盖比例。通过调整沉积的纳米颗粒的大小和颗粒间距离，可以达到一种半导电状态，在这种状态下，相邻的纳米颗粒之间可以发生电子跳跃，并且这一现象可以通过连接剂的桥接作用进一步增强。当纳米颗粒在传感器表面的覆盖比例超过渗流阈值（percolation threshold）时，由于形成连续的电子路径或对连接剂不敏感的导电网络，该复合材料的电导率会上升几个数量级。与此相反，将纳米颗粒放置得太远则会导致该复合材料呈现绝缘性，从而无法进行电荷的传输。

在该项研究中，研究人员利用沉积的铂纳米颗粒构建了二维导电网络，因此，传感器的电导率主要受到固定化脱氧核酶传输电子的能力的影响。该研究中使用的脱氧核酶是双链嵌合核酸，当有重金属离子存在时，双链中的底物链出现自催化裂解。因此，可以预计，与未裂解的脱氧核酶双链相比，裂解后的脱氧核酶的电导率将显著降低。该研究利用上述现象构建了一种传感器，其能够将铅离子检测和由此产生的脱氧核酶裂解转化为可测量的电阻变化。

随后，作为概念验证，研究人员展示了所制造的原型微流控装置的铅离子检测性能。研究结果表明，正如所预计的那样，当铅离子浓度达到20 μM时，脱氧核酶双链会出现裂解，从而在1 min内使得所有传感器记录的电阻数值增加，整个检测过程持续时间为6 min。此外，该微流控装置的线性范围为10 nM ~ 1 μM，并且在不同浓度的二价金属离子（例如镁离子（Mg²⁺）和铜离子（Cu²⁺））的检测中呈现出良好的铅离子特异性。

图4 利用所提出的脱氧核酶生物传感器阵列实时检测铅离子浓度  

该研究的后续目标是使用该微流控装置同时检测不同的重金属离子，例如铅离子、镉离子、汞离子和铬离子（Cr⁶⁺）。这可以通过制造由不同生物传感器组成的传感器阵列来实现，从而使得每个传感器都对特定的金属离子有选择性。该研究设计的微流控装置即具有这种多路复用性，因为其由六个传感器组成的阵列可以经过适当地修饰以检测不同的重金属离子。此外，研究人员还打算将一些外围设备（例如蠕动泵、电气连接和用于控制的笔记本或平板电脑）集成到一个完全便携式的平台上，用于现场检测重金属离子。目前，研究人员已经在朝着这个方向努力，以试图推广这种“先进的即时监测系统”。该系统可以装在一个小手提箱里，用于废水处理厂、能源行业和食品行业的水体分析。总体而言，该项工作可以为便携式微流控平台的研究铺平道路，从而实现水体安全的无标记、实时现场检测。

审核编辑：刘清