微流控芯片技术在水环境污染中的应用

MEMS技术 2018-01-07 09:41 次阅读

水环境是环境构成要素之一,也是受人类破坏和影响最严重的领域,水环境污染已成为当今世界主要环境问题之一,水环境科学研究特别是水环境污染分析备受瞩目。水环境污染分析对象种类广、含量低,因此分析手段必须具备灵敏、准确、高速、自动化等特点,为解决所面临的种种现实问题,水环境污染分析动用了现代分析化学中几乎所有的检测技术和手段,如使用等离子发射光谱、原子荧光光谱、气相色谱-质谱联用、高效液相色谱等。在继续发展大型、精密监测系统的同时,小型便携式、自动连续、简易快速的监测技术的研究同样迫在眉睫。在这一领域的研究过程中,微流控芯片技术起到了极其重要的作用。

 

微流控芯片,又称为芯片实验室或生物芯片,是一种以在微米尺度的空间中对流体进行操控为主要特征的技术,具有将化学和生物实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米大小芯片上的能力,其目标是通过分析化学、微机电加工、计算机、电子学、材料学及生物学、医学等学科的交叉,实现从样品处理到检测的微型化、自动化、集成化及便携化。

微流控芯片技术在水环境污染中的应用

微流控芯片技术在水环境污染分析中的研究尚处于起步阶段,因此多集中于优先污染物的相关报道,主要包括重金属、营养元素、有机污染物和微生物等。

1、用于水体中重金属检测的微流控芯片系统

随着工农业的发展,越来越多的重金属如汞、铬、铅、铜、镍、钒等被排放入水体,不仅会对水生动植物产生毒害作用,还能通过富集作用进入生物链,对整个生态环境构成严重威胁。对上述重金属的检测,虽然可以使用高精度的原子吸收光谱和原子荧光光谱等方法。但是在应对突发性污染物泄露事件,或者对一个区域进行连续监测的情况下,仍需要快速、高效的检测工具。使用光刻法搭配湿法刻蚀技术,成功研制了一种微流控芯片,该芯片利用鲁米诺发光性质,成功地对硝酸钴进行了测定。与此同时,通过简单的改造之后,该微全分析系统还能成为检测过氧化氢或者二氧化氮的装置,并可以与信号传递装置结合起来,成为一种自带无线信号发射功能的设备。

基于纸的微流控器件近几年的发展也很迅速,相对于具有类似功能的微流控设备,它具有操作简单,不需要外援设备,可多元检测等优点,开发出了一种可以用来检测多种重金属的纸芯片,显示了良好的灵敏度。

2、用于水体中营养盐测定芯片系统

用于营养盐测定的微流控芯片系统多数是基于分光光度的检测原理,运用现代微细加工技术将各种光电元件加以集成,例如,一种用于水体中磷酸盐检测的微流控芯片系统,该系统配有数据的发射装置,可以在目标区域的不同位置分别布置对该区域的磷酸盐污染状况进行全方位的实时监测,检测限量最低为0.3mg/L。

贾宏新等提出了一种三层杂交结构微流控芯片,在玻璃片上加工微反应通道,用PDMS加工气体渗透膜和具有接受通道的PDMS底片,实现了溶液中铵根正离子反应、生成的氨气扩散分离、吸纳、溴百里酚蓝显色和光度检测在微流控芯片上的集成化。

3、用于水体中有机污染物分析芯片

水体中除含有无机污染物外,更大量的是有机污染物,它们以有毒性和使水中溶解氧减少的方式对生态系统产生影响,危害人体健康,因此有机污染物的数量是评价水体污染状况的极为重要的指标。这一类污染物由于其含量较低,通常需要进行前期的预处理,微流控芯片的优点体现在可以将前期的预处理以及后期的检测进行集成,并且具有较高的萃取/富集效率等。

4、用于水体中微生物检测芯片系统

水体中的微生物按其粒径,属于颗粒有机碳范围,其种类群可以反映水体生态特征和一些重要的污染状况,是水体生态调查中的常规监测指标。在其测定过程中,流式细胞术是最为准确、快速的方法。但其设备昂贵、体积庞大、需要专人操作,不适合现场、连续监测要求,基于鞘流式流体控制的微流控芯片的出现在一定程度上克服了这些局限,并可能实现仪器的集成化、小型化、自动化和便携化。


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原文标题:微流控芯片技术在环境领域的应用

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