采用微流控技术实现重金属分析,助力环境监测与污染控制

据麦姆斯咨询报道，重金属（如铬、铅、汞、砷和镉等）由于其在各种生态系统中的毒性及持久性，备受环境科学界的关注。这些重金属可在植物和动物体内生物积累，使整个食物链面临重大的健康风险。

 

因此，有效检测水、土壤和空气中重金属的方法对于环境监测和污染控制至关重要。本文讨论了微流控作为提高重金属检测与分析的可靠技术，所起到的重要作用。

微流控技术的基础原理

微流控是指在芯片上蚀刻的微通道内形成一个能够执行复杂分析任务的微型实验室，在亚毫米尺度上操纵和控制流体。

微流控装置的多个优势使其成为重金属精确分析和环境监测的理想选择。微流控装置明显比传统的实验室装置更小、更轻便，便于携带和进行现场分析。它们还可以实现自动化样品制备、操控和检测，以减少人力投入。

此外，微流控装置将样品预处理、分离和检测等多个分析步骤集成到单颗芯片上，形成了一个完整的微流控分析系统。

微流控技术在重金属分析中的应用

微流控装置可用于精确、实时分析各种环境样品（例如水、土壤和工业废水等）中的重金属。

例如，对土壤样品中的重金属进行分析时，传统的方法需要将土壤样品提取到液体介质中才能进行下一步分析。而微流控装置可以通过集成用于样品提取、混合和分离的微通道来使这一过程实现自动化。这实现了土壤现场分析，而无需复杂的实验室装置。

类似地，微流控装置可以通过与在线传感器集成来实时监测废水流，该在线传感器可以连续跟踪监测废水中的金属浓度，如果污染水平超过设定限度，可立即进行干预。

微流控芯片也可以用于检测水样品中的特定重金属。例如，在最近的一项研究中，研究人员介绍了一款利用低温共烧陶瓷（LTCC）技术检测水中金属离子的无线微流控传感器。

该无线微流控传感器在低温共烧陶瓷基板上中集成了微通道，具备平面螺旋电感和平行板电容器，能够有效识别和测量0~100毫摩尔范围内的多种金属离子的浓度，包括硝酸铅（Pb(NO₃)₂）、硝酸镉（Cd(NO₃)₂）等。

该无线微流控传感器可检测浓度低至5微摩尔的金属离子，与传统的液体微流控传感器相比，该传感器具有更高的灵敏度，同时凸显出基于低温共烧陶瓷的微流控传感器在高效便携式工业废水中分析重金属离子的潜力。

便携式水质检测微流控装置

在2018年的一项研究中，研究人员开发了一种使用化学图案微流控纸基分析装置（C-µPAD），实现快速、灵敏和多重检测重金属的新方法。

C-µPAD装置通过缩合反应将胺、羧基和硫醇基固定在色谱纸上，并与特定的显色试剂偶联，可以准确地检测镍、铬和汞离子。

该方法的检测限非常低：镍（Ni(II)）为0.24 ppm，铬（Cr(VI)）为0.18 ppm，汞（Hg(II)）为0.19 ppm。与此前的方法相比，该方法在均匀性和灵敏度方面有了显著的改善，特别是在资源有限的情况下，使其成为现场水质监测的实用和便携式解决方案。

相较于传统方法的优势

传统的实验室重金属分析技术（例如电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）或原子吸收光谱分析（ASS））通常要用到笨重的仪器和大量的试剂，并且整个程序非常耗时。与这些方法相比，微流控技术有几个突出优势：成本更低、出结果更快、所需试剂量少且便携。

随着规模化生产技术的进步，微流控芯片（例如微流控纸基分析装置（µPAD））制造成本更加低廉。这使它们成为昂贵的实验室装置经济有效的替代品。微流控芯片所需的样品和试剂量都更小，最大限度地减少了废物的产生，降低了试剂的采购和处理成本。

微流控芯片中的微通道使其结构紧凑、轻便且易于携带，还可进行现场分析，比传统的实验室重金属检测技术出结果更快、实时性更高。

未来的方向与挑战

尽管微流控装置研究取得了重大进展，但仍存在一些挑战。集成所有必要的组件（例如电气连接、检测单元和微流控通道）是一个主要挑战。

微流控装置可以与生物传感器集成，利用特定的生物分子进行重金属的选择性检测，提高灵敏度并提供有关其生物利用度的实时信息。

同样地，由于重金属可以不同的化学形式存在，每种形式都具有不同的毒性水平，因此可以将分离和识别金属种类的技术运用到微流控装置中。

提高微流控装置的性能和检测可重复性，以及对其进行广泛的工业应用评估，是实现其商业化的重要历程。除了技术进步之外，开发协作框架对于有效改进这些不足也是至关重要的。