一種環境分析化學實驗教學設計：微流控法測定水中硫化物

李 明，全紅花，封 克

(揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

一種環境分析化學實驗教學設計：微流控法測定水中硫化物

李 明，全紅花，封 克

(揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

微流控環境分析實驗教學是環境分析化學教學的重要組成部分，但目前采用的實驗方法仍較為傳統。為使學生更好地了解微流控環境分析的特點和優勢，同時將最新的環境分析方面的國際研究成果融入到教學實驗課程之中，我們基于微流控分析理論的教學內容，設計了一種測定水中硫化物的微流控法分析實驗。

微流控系統；環境分析；硫化物

環境分析理論與方法是環境科學專業學生需掌握的最重要知識板塊之一。目前大多數學校在為環境科學專業學生開設環境分析課程及實驗時仍采用的是較為傳統的教材，對國際上新發展起來的先進分析方法介紹不多。因此，在環境分析的知識板塊中，有必要加強對新的分析方法的介紹和實驗操作技能的訓練。

近年來，微流控分析技術已成為生物、化學、流體物理學等多學科的基本研究手段，并有力地促進了這些學科的發展[1]。微流控是一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結構的技術。該技術中所涉及的微流控系統是通過分析化學、微機電加工、材料科學等學科技術的交叉應用，實現從試樣處理到檢測的整體微型化、自動化、集成化與便攜化。該系統具有試劑消耗量少、比表面積大、傳熱傳質速度快、反應/分析時間短、便于攜帶等特點，除可應用于一般的分析對象外，還可用于一些特殊的分析，如有毒化學品、爆炸品的分析等。2003年微流控技術被評為影響人類未來15件最重要的發明之一，微流控技術得到了飛速的發展，其中的微流控芯片技術作為當前分析科學的重要發展前沿，在生物、化學、醫藥等領域都發揮著巨大的作用。我國在微流控分析方面的研究雖然起步較國外晚了四到五年，但在多個相關的學科領域都具有足夠的積累與優勢。因此，在高校環境類和化學類專業學生的環境監測和分析化學課程中應要適當增加微流控分析的內容[2]，不僅可以讓學生盡早接觸到國際前沿的微流控分析理論與技術，開拓了國際視野，同時也使學生提前掌握了一種應用前景廣闊的實用技能，從而激發學習興趣。鑒于以上考慮，筆者此前曾專文就環境科學類專業學生開設微流控分析課程的必要性、可行性，前提條件等進行了闡述，并對如何以現有環境分析化學實驗中的實驗項目為切入點，結合已學習過的儀器分析，環境監測內容，逐步將微流控分析理論與技術內容導入到環境分析課程板塊中給出了一些具體的設想[3]。由于缺乏有關微流控分析及實驗的教科書，而教學實驗既要突出微流控環境分析的特點與優勢，又要易于在普通實驗室開展，因此我們結合教師的科研成果，利用大學生開展科技創新和本科生開展畢業論文的機會，對微流控分析實驗中所涉及到的微流控芯片制備技術，微流控電泳分析有毒重金屬和有機污染物理論和關鍵技術、測定條件等進行了前期探索，確定了技術規程和實驗步驟，為將該技術順利引入到實驗教學中提供了保證。

鑒于微流控系統在重金屬、有機污染物和微生物分析等方面的應用已有報道，而對水體中硫化物的分析應用很少，因此我們針對水體中的硫化物專門設計了一個微流控硫化物分析實驗。本實驗所需儀器設備簡單，僅需一枚復層構型的微芯片、1kV直流電源系統及紅色激光及光電倍增管組成的激光誘導熒光檢測系統，所需試劑均是常規化學試劑，因此投入少、較易搭建，完全可以在普通實驗室開展。本實驗已在筆者執教的環境分析課程中開展，收到了良好的效果，現提供出來，給擬開展有關工作的同行作為參考，并希望得到改進意見。

硫化物分析實驗方法介紹

1 硫化物分析進展

水中硫化物存在于懸浮物中的可溶性硫化物、可溶酸性金屬硫化物以及未電離的有機和無機類硫化物等形式。硫化氫微溶于水，受熱時，易從水中散逸至空氣，產生臭味且毒性很大。水體中硫化物的存在會消耗氧氣，降低水中的溶解氧，并致水生生物死亡。因此硫化物是是水體污染的一項重要指標，在環境水質監測和廢水監測中常被列為主要監測項目，也是我國實施排放總量控制的指標之一。傳統的硫化物測定傳統方法有汞量法、碘量滴定法、亞甲藍比色法，儀器分析法，如電化學分析法、色譜分析法和光譜分析法等。汞量法是應用無機絡合劑作滴定劑進行分析的經典方法，但由于汞量法中用作滴定劑的汞鹽有劇毒，該方法現已很少使用[4]。碘量滴定法是環境監測中常用的一種氧化還原滴定法[5]，適用于測定濃度大于1mg/L的硫化物。碘量法操作繁瑣且,費時，又因為環境水樣成分復雜，懸浮物、色度、濁度等干擾因素較多,測定的結果有時存在較大誤差。硫離子選擇電極法簡便，缺點是在該方法測定中硫離子極易被氧化,不易保持穩定的濃度,且電極易受損、老化[6]。Cheng等[7]發表了一種可用于硫化物檢測的離子色譜法，采用銀電極作為檢測器，檢測限可達3.1×10-8mol/L，但色譜儀器價格較昂貴。光譜分析法操作簡單，靈敏度高、成本較低，適合應用于環境分析監測。目前，硫化物常用的光譜法為亞甲藍分光光度法[8,9]及熒光法[10]。這些方法的硫化物測定簡單、快速、重現性好，但是通常都需要如圖1的繁瑣的硫化物樣品制備(過濾-酸化-吹氣分離)過程。

圖1 硫化物分析樣品過濾-酸化-吹氣分離制備過程

本實驗設計通過微流控平臺將硫化物轉化為H2S氣體，在特定條件下與顯色劑反應后，通過在線及離線測定熒光強度來分析硫化物的量，具有結構簡單，分析快速、準確、防干擾的優點。

2 樣品制備及分析檢測原理

3 實驗裝置

(1)微流控芯片設計及制備。自行設計了一種包括聚二甲基硅氧烷[poly(dimethylsiloxane)，PDMS]結構簡單、效率高、成本低廉的微流控芯片。微流控芯片設計如圖1所示。

微流控芯片制備過程如下。首先，用CorelDRAW畫圖軟件設計以上圖案,并打印得到掩膜膠片，再利用Su-8光刻工藝在硅片表面刻蝕得到微流控模具。然后, 微流控芯片PDMS預聚物和引發劑按質量比 10:1 的比例混合，真空脫氣，將混合物澆鑄在模具上，70 ℃固化2 h，剝離模具得到微流控芯片基片。不同厚度的PDMS薄膜是用叔丁醇一定比例稀釋過的PDMS混合物在旋涂機上進行旋涂，烘干而得。為防止硫化氫氣體在透膜過程中的損失，微流控通道可用氣密性材料(如聚四氟乙烯)涂層。最后，通過等離子機表面處理進行層層粘接得出圖2復層結構的硫化物分析芯片。

(2)微流控平臺組建。微流控平臺由三部分組成：流動注射進樣系統、用于氣體擴散分離的微流控芯片和芯片電泳-激光誘導熒光分析系統(圖3)。在微流控平臺上進行樣品酸化、透膜轉移、熒光顯色反應、熒光檢測等步驟，分析環境水樣中硫化物的含量。

4 試劑及樣品準備

硫化鈉，N,N-二甲基-對二苯胺，三氯化鐵，重鉻酸鉀，鹽酸，待測環境水樣。

5 實驗步驟

(1)離線熒光光度法測定環境樣品中的硫化物。在微反應通道入口和接收通分別連接微量蠕動泵，實現反應液和接收液的自動進樣。硫化物標準溶液或待測環境水樣品與鹽酸(稀釋)在微反應通道中生成H2S氣體。產生的H2S氣體透過PDMS膜擴散到堿接收通道。堿接收液加入到預先加入N,N-二甲基-對二苯胺和重鉻酸鉀(或三氯化鐵)混合物，混勻，進行熒光顯色反應。使用重鉻酸鉀氧化劑時，顯色反應迅速，混合后即可測定熒光強度。而使用三氯化鐵時，所需反應時間為5 min。反應產物通過熒光檢測系統檢測在激發波長660 nm、發射波長683 nm處的亞甲藍熒光強度。通過建立標準曲線，測定環境樣品中的硫化物。此方法的線性范圍為5.0×10-5～ 5.0×10-8mol/L(R=0.9971)，檢測線為2×10-8mol/L。

(2)在線激光誘導熒光法測定環境樣品中的硫化物。通過電滲流門進樣法將堿接收液進樣到復層結構集成芯片中的電泳分析通道中，利用電泳分離-熒光檢測法測定亞甲藍熒光強度。通過制得標準曲線，測定環境樣品中的硫化物含量。在線測定的線性范圍為5.0×10-5～ 5.0×10-7mol/L(R=0.9992)，檢測線為2.0×10-7mol/L。

硫化物測定碘量滴定法適用于常量分析(硫化物濃度大于1 mg/L)，而作為測定微量硫化物的主要方法的亞甲藍法由于樣品中的帶色物和懸浮物對測定有干擾，通常采用離線酸化- 吹氣- 吸收法(乙酸鋅-乙酸鈉溶液吸收的預處理方法)。但是，當吹氣分離操作技術應用不當會嚴重影響回收率(60%左右[4])。本方法中硫化物樣品的酸化、產氣、透膜收集均在微流控通道內進行，因此可獲得較高的回收率(對河水樣添加5×10-7mol/L硫化物時，離線熒光法的回收率大多為92%以上)。此外，為解決微流控通道窄、檢測靈敏度低的問題，本系統采用激光誘導熒光檢測法來提高靈敏度，使之能夠成功應用到水中硫化物測定。

6 思考題

(1)PDMS膜厚度對實驗結果有何影響？

(2)鹽酸及堿接收液濃度對實驗結果有何影響？

(3)PDMS通道無孔表面處理對實驗結果有何影響？

試驗教學的實踐證明，該實驗設計簡單、成本低、結果可靠、實驗耗材投資少，并能激發學生的學習興趣，對其加深理解和鞏固理論教學內容有積極作用，完全適合作為本課程教學實驗內容。

[1] 趙亮，黃巖誼. 微流控技術與芯片實驗室[J].大學化學，2011，26(3)：1-8.

[2] 蔡龍飛，徐春秀.將微流控分析引入高校分析化學的實驗教學 [J].大學化學，2012，27(2)：17-19.

[3] 李明，全紅花，封克. 環境科學專業開設微流控分析技術課程的必要性與可行性[J].中國科技信息，2012(17)：136-137.

[4] 劉力. 水和廢水中硫化物測定方法的探討[D].天津：天津大學, 2007.

[5] 陶曉紅, 唐莉, 李軍. 碘量法測定硫化物實驗研究[J]. 油氣田環境保護, 2006, 16(2)：37-38.

[6] 薛士博. 淺析地表水中硫化物測定方法的選擇[J]. 科技創新導報, 2010(31)：80.

[7] Cheng J,Jandik P, Avdalovic N. Pulsed amperometric detection of sulfide, cyanide, iodide, thiosulfate, bromide and thiocyanate with microfabricted disposable silver working electrodes in ion chromatography [J]. Anal. Chim. Acta, 2005.

[8] 王亞麗, 郭方遒, 黃蘭芳,等. 亞甲藍法直接快速測定環境樣品中微量硫化物[J]. 黃金, 2003(4)： 44-47.

[9] 唐建華. 基于熒光光譜的血漿中亞甲藍含量測定和二氧化硅強熒光納米粒子的制備及應用[D]. 蘇州：蘇州大學, 2012.

責任編輯：劉 琳

A Design for Experiment Teaching of Environmental Analytical Chemistry:Determination of Sulfide in Water by Microfluidic Method

LI Ming, QUAN Honghua, FENG Ke

(College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Microfluidic environmental analysis experiment teaching is an important part in the teaching of environmental analytical chemistry, but the current experimental methods are still very traditional. In order to enable students to better understand the characteristics and advantages of microfluidic environmental analysis, and integrate the latest international research results into the teaching experiment course, we design a microfluidic method for the measurement of sulfide in water based on the teaching contents of microfluidics theory.

microfluidic system； environmental analysis； sulfide

2016-10-11

國家自然科學基金(21277116)

李明(1966-)，男(朝鮮族)，博士，教授，主要從事環境污染物分析與微全分析系統研究。

G642.3

A

1009-3907(2017)02-0118-03