微流控芯片技術及其在水質檢測中的應用進展

姜慧蕓，孫 冰，金 艷，馮俊杰，田松柏

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東 青島 266071；2.化學品安全控制國家重點實驗室；3.中國石化石油化工科學研究院)

微流控芯片又稱為微全分析系統或芯片實驗室，其概念由Manz等[1]提出，目的是在一個幾平方厘米大小的芯片上實現整個分析過程或全部目標物的分析，具有分析速度快、樣品用量少、集成化和自動化潛力高的特點。因此，微流控芯片技術天然與便攜化、現場分析相適應，在生物醫藥及環境領域均得到了熱切關注。水質污染問題由于水源分布廣泛、污染物種類繁多、濃度隨水體流動變化迅速等特點，對于檢測儀器的便攜高效集成方面有較高要求，近年來研究者們將微流控芯片技術引入水質檢測中，在此過程中做了很多努力，也取得了很多成果，以下主要介紹微流控芯片技術及其在水質檢測中的應用。

1 微流控芯片技術

1.1 微流控芯片的材質及加工方法

由于微流控芯片起源于微機電系統(MEMS)，因而其最早的材料和加工方式也沿用了MEMS，即采用光刻、蝕刻等在硅片上構造需要的微通道。雖然精度較高，但是過程相對繁瑣，成本高，而且也存在透光性差、電絕緣性差、易碎、表面處理難等缺點。之后人們嘗試用玻璃代替石英進行微流控芯片的研究，因為玻璃的光學性能和絕緣性好，表面改性相對容易，材料價格低廉[2]。玻璃芯片的加工仍然采用光刻和蝕刻的方法[3]。Qi Zhenbang等[4]通過減小芯片面積、增大單硅片上芯片的數目來降低單個芯片的成本。同時有研究將飛秒激光、皮秒脈沖激光技術引入玻璃芯片的制造，提高了芯片的制造速度[5-6]。

考慮到玻璃的易碎、加工難度大等問題，聚二甲基硅氧烷(PDMS)憑借其優良的透光性、生物兼容性、彈性以及價格便宜等優點引發了人們關注[7]。由于PDMS具有彈性，其芯片能與其他芯片之間更緊密地鍵合，而且能重復可逆變形，因此PDMS被廣泛應用于微流控芯片的制造中，且至今仍是微流控芯片最主要的材料。PDMS芯片的加工一般是將液態的PDMS預聚物涂到以SU-8為代表的光刻膠模板上，加熱固化后脫模得到，雖然模板的加工仍采用光刻，但模板可以重復利用多次。Ayoib等[8]將SU-8沉積在玻璃基板上，部分曝光交聯后洗去未硬化部分，以此為模板進行微通道塑造，提供了一種簡便實用的PDMS芯片制造方法。但PDMS芯片也存在著表面改性困難、不易批量加工、長時間使用易老化等缺點。

便于大規模注塑加工的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯、聚苯乙烯等高分子被嘗試用于制造微流控芯片。高分子芯片的加工主要采用雕刻、熱壓、注塑等方法。雕刻法是使用精雕機等直接進行雕刻，得到帶有特定通道的微流控芯片，不需要模具，成本低，一般不用于大批量加工；熱壓法則是先加熱聚合物使其軟化，利用模具在聚合物基底上壓制出所需的通道，冷卻脫模后得到芯片，加工過程中芯片變形較大；注塑法是機械加工等方式得到模具，將材料加熱液化后注入模具，冷卻脫模得到芯片，此方法能夠實現快速、大批量加工，但模具成本較高，且需要注塑機。高分子材料價格低廉，透光性能好，加工和改性較容易，但與大多數有機溶劑不相容。另外，由于高分子材料硬度較低，加工易變形，目前高分子芯片的加工精度還較低，且批量加工的模具成本較高。

隨著研究者對芯片體積減小、自驅動等方面的探索，紙芯片也逐漸成為一大研究熱點。紙芯片的加工最初也采用的光刻法[9-11]，后來人們又進行了其他方法的嘗試和探索。例如，將紙芯片以浸泡等方式處理成疏水材料，然后在特定位置用等離子體處理成親水通道[12-13]，用噴墨、噴蠟、熔融、印刷等方法將疏水材料分布到紙上，冷卻、加熱、光照等方式使之固化，在紙芯片上構造疏水圖案[14-15]，用剪刀或激光等方式對紙進行裁切[16]等。紙芯片具有價格低廉、便攜性強、易于制作和使用等優良性質，適用于即時檢測，但在液體輸送、非特異性吸附、靈敏度等方面存在不足。

隨著3D打印技術的興起和微流控芯片構型的復雜化要求，有較多研究者進行了3D打印微流控芯片的嘗試。3D打印的材料一般是聚合物、金屬、光敏性材料等，對于聚合物和金屬，一般采用加熱熔融使之變為液體，經噴嘴噴出后冷卻固化形成所需結構[17]。光敏材料則是將材料用光照進行固化，有的是將薄層的光敏材料按設定程序打印在一定位置，在紫外等光的作用下固化成型，然后一層一層漲上去，非打印區域常通過支撐材料支撐，在打印后洗掉[18]；也有的是充滿光敏材料的池子層層下沉，每一層在特定位置進行光照使之固化[19]。近年來還發展了雙光子打印技術，根據雙光子吸收的三階非線性效應，只有激光聚焦能量達到一定值時才會使材料固化，因而控制激光的焦點位置，即可實現特定形狀的芯片打印[20]。與傳統方法相比，3D打印更容易實現三維結構，價格低廉，操作簡便。但由于材料種類和打印技術的限制，這種芯片表面性質不易控制，大多數芯片的精密度還有待進一步提高。

因此，目前的芯片材料在性質、加工、使用、價格等方面各有所長，新材料的出現在部分性能方面有所改進，但也在其他性能方面存在不足，并沒有完全替代前期的材料。水質檢測芯片考慮到消耗量大、抗污染以及輕便易攜帶等方面的要求，高分子和紙質材料目前研究和使用較多，未來芯片材料的發展將仍然會與加工技術的精度和加工成本協同發展。

1.2 微流控芯片檢測的驅動與控制

微流控芯片分析時通常是驅動力與微閥、通道結構及表面力相互配合，控制流體在芯片不同位置的流動或到達，以完成相應的反應。常用的驅動力有電滲驅動、壓力驅動、離心力驅動、毛細驅動等。

電滲驅動是基于電滲原理，在電場作用下，通過對通道表面及液體性質、溫度、電場強度等因素的控制，實現對流體流動方向、流動速度、到達位置等的控制。與電滲驅動相對應的是電泳，不同的是電滲驅動的是分散介質(流體)，而電泳驅動的是液體內部懸浮或溶解的離子，并且不同離子由于帶電量、質量、大小的不同會產生不同的速度，從而能夠通過電泳對不同的離子進行分離[21-23]。

壓力驅動即通過對流體施加壓力使進口壓力大于出口壓力從而使液體在壓力差的驅動下流動，一般有恒壓和恒流兩種模式。壓力驅動一般是通過連接外部設備如恒壓泵、注射泵、蠕動泵等來實現，除了控制源頭的壓力大小和施加壓力的時間，還可以搭配微泵、微閥、真空等方法控制微通道不同位置的壓力。壓力驅動的方式較容易實現，并能進行多通路控制，但附加設備體積大，人們又進行了微閥、微泵的有關研究[24-31]，一方面減少泵的使用，另一方面減小泵的體積。

離心力驅動是利用離心機帶動芯片轉動，通過調節離心力的方向、大小(轉速)及液體位置來控制液體流動。由離心力驅動的芯片稱為“Lab CD”，其概念由Mandou等[32]提出。由于離心力在圓周上相同，此類芯片一般為圓形，多個重復單元在芯片上呈輻射狀分布。研究者們隨后使用這種芯片在血液分析、分子診斷、食品檢測等方面進行了研究[33-36]。離心驅動避免了多個機械泵的使用，在便攜和集成方面有了很大的進步。

毛細驅動通過微通道對液體的毛細作用力驅使液體前進，是紙芯片最主要的驅動方式。毛細作用力的產生主要是因為浸潤液體在細通道內受到的表面張力引起的。紙芯片的構造通常是親疏水區域的劃分，即在親水的紙上刻畫疏水屏障，或者先將其整體處理成疏水，然后通過等離子體等方式將特定位置進行親水處理[37-39]。Potter等[40]對不同墨水(蠟)進行了研究，指出墨水顏色不同，紙芯片的疏水性能也會有所差別。由于構建疏水屏障不易，Zhang Liming等[41]還研究了無疏水屏障的“無障礙式紙芯片”，即在不建立疏水邊界的情況下，在低體積和中厚紙基板上以生成沉淀的反應進行檢測。

目前采用最多的驅動力仍然是電滲驅動和壓力驅動，但隨著微流控技術在集成性、便攜性的發展需要，結合在芯片材料成本及加工成本方面的考慮，離心力驅動、毛細驅動及一些新的驅動方式如重力[42-43]、光[44-45]、熱[46-47]等引起研究者的廣泛關注。

1.3 基于微流控芯片的檢測方法

由于微流控芯片技術進樣量少、檢測池小、分離分析速度快，因而對檢測器的靈敏性、準確性、響應速度及體積提出了要求。目前與微流控芯片結合使用的檢測方法有光學檢測、電化學檢測和質譜檢測等。

1.3.1 光學檢測光學檢測即利用物質或溶液的光學性質進行檢測，包括激光誘導熒光檢測、電化學發光檢測、比色分析等。

激光誘導熒光檢測是對直接對具有熒光效應的物質進行檢測或將物質進行熒光衍生后進行檢測。Peng Guilong等[48]以磁性多壁碳納米管提取和富集水樣中痕量Cr(Ⅱ)，采用在線熒光衍生化和激光誘導熒光(LIF)光譜檢測的流動注射微流控芯片進行Cr(Ⅲ)分析。Liu等[49]在紙芯片上植入乙酰乙酰苯胺，通過其與甲醛生成的絡合物熒光效應對甲醛濃度進行檢測，研發了一種快速測定甲醛的方法。熒光檢測的檢出限低，靈敏度高，選擇性好，但是對于沒有熒光的物質，衍生會大大增加整體時間，且導致分析步驟復雜化。

電化學發光檢測法是基于檢測物在化學反應過程中發光，并根據強度大小進行定量。Su Yan等[50]基于碳墨絲網印刷微流控技術、近源雜交技術和電化學技術研制了一種新型DNA生物傳感器。增強了多壁碳納米管的發光效果，具有高的靈敏度、好的特異性和可接受的通用性。

比色法是一種古老的方法，通過比較或測量有色物質溶液顏色深度來確定待測組分含量，又分為色度法和分光光度計法，前者通常是通過目視將待測溶液與標準溶液比對定量，后者則是基于朗伯比爾定律定量。相比于目視比色法，分光光度法的準確性具有較大的提高。由于色度法易受到主觀、分辨率等因素限制，逐漸被分光光度法所取代。近年來，隨著照相技術的不斷進步和軟件功能的發展，尤其是內置于智能手機中攝像頭的方便性，基于拍照比色分析的方法又逐漸回歸到人們的視野[51-53]。Kudo等[54]研發了微流控紙芯片，利用顏色強度和距離法實現了人體體液中乳鐵蛋白的檢測。Deng Muhan等[55]研發了一種噴漆法制備紙芯片的技術，并通過比色分析實現了鐵的定量分析。Wongwilai等[56]以紙芯片為分析平臺，通過對反應性磷酸鹽進行比色測定，對移動電話、網絡攝像頭、平板掃描儀和手持掃描儀作為圖像捕獲裝置對定量的結果影響進行了評價。

1.3.2 電化學檢測電化學檢測(ECD)是以電極作為傳感器，將溶液中的目標待測物的化學信號轉變為電信號的一種分析檢測方法，是微流控芯片檢測的常用方法。目前根據電化學檢測原理的區別可分為安培檢測、電位檢測、電導檢測等。

安培檢測(AD)是選擇具有電活性的分析物在恒電位工作電極上發生氧化還原反應，同時產生相應的電流信號，且電流信號的大小與需要檢測樣品物質的濃度呈成正比關系，從而實現分析樣品物定量檢測的一種分析方法[57-59]。安培檢測法是對在電極上具有活性物質的檢測，因而這種方法靈敏度較高但選擇性較差，且易受噪音影響，在一定程度上制約了其使用的廣泛性。

電導檢測(CD)是基于帶電組分在溶液中呈現的電導率的差異而進行檢測的方法，待測物無須電化學活性的基團，只要組分是離子型的都可以被檢測到，所以CD是一種較好的通用型檢測器。電導檢測法是一種通用型檢測方式，待測物無須具有生色基團、熒光基團或電化學活性基團。按照工作電極與待測液接觸與否，電導檢測法主要分為接觸式與非接觸式兩種。Quero等[60]基于毛細管電泳分離和電容耦合非接觸電導率檢測法對鉀離子、鈉離子和鋰離子進行了分離檢測，檢出限接近1 μmolL。Duarte等[61]將基于電容耦合非接觸電導率檢測的集成電極的3D打印微流控裝置用于大腸桿菌細胞的無標簽計數。

1.3.3 質譜檢測質譜檢測是基于樣品具有不同的質荷比(mz)而定性和定量檢測目標分析物。質譜具有較高的靈敏度，目前主要用于對蛋白質和多肽的分離檢測。Xue Qifeng等[62]在1997年第一次報道了芯片與質譜的電噴霧接口。Jin Diqiong等[63]將設計的毛細管探頭與微液滴陣列芯片及電噴霧電離質譜串聯，用于乙酰膽堿酯酶的藥物篩選，通過自動控制在90 min內完成了256個樣品的順序檢測。Zhao Yaju等[64]開發了一種能夠同時進行樣品提取、免疫親和富集、磁分離和在線洗脫的高度集成多功能微流控芯片，與質譜耦合用于在線分析牛奶樣品中的7種不同的喹諾酮。

2 微流控芯片技術在水質檢測中的應用

2.1 水中有機物檢測

有機物是水的主要污染物，水體中的有機物污染一方面來自于人類生活及生產活動的排放，如農藥、化肥、生活污水、工業廢水等，另一方面來自于水體自身生物群體的釋放，如水體富營養化。

衡量有機物的一個重要指標是化學需氧量(COD)，指水中的還原性物質在強氧化劑的作用下，發生氧化還原反應時消耗氧的量。傳統COD的測定方法主要是在高溫條件下以強氧化性物質(重鉻酸鉀、高錳酸鉀)對水體進行氧化處理，通過滴定或吸光度衡量產物濃度，計算體系消耗的氧含量。由于存在耗時久、需要高溫以及鉻的使用帶來二次污染等問題，人們一直在不斷進行新方法探索。近年來，隨著催化技術的發展，TiO2被用于COD檢測過程的催化，并得到了較好的效果[65-66]。Mu Qinghui和Heng Weixin等[67-68]分別采用無模板法和水熱法制備了一維、二維二氧化鈦納米纖維(TNFs)大陣列，并將其作為工作電極置于由PDMS和PMMA制成的微流控裝置中，利用光電催化快速、無污染地測定COD。

除綜合性指標COD外，其他一些對環境影響較大的單分子有機物也被重點關注。Foan等[69]以納米多孔有機硅酸鹽作為微流控芯片中的固相萃取劑，用于提取天然水體中的有機污染物，實現了20 min內對多環芳烴的檢測。Lee等[70]制備了一種表面吸附金納米粒子的紙質微流控芯片，并用表面增強拉曼光譜對廢水中對氨基苯甲酸、鄰苯二酚兩種物質進行了檢測，結果表明，對兩種物質的檢出限分別可以達到1×10-9molL和1×10-5molL。

2.2 水中氮磷類營養鹽檢測

2.3 水中重金屬檢測

重金屬如鉻(Cr)、鎳(Ni)、銅(Cu)、汞(Hg)、鉛(Pb)、釩(V)等，能使人體內的酶等蛋白質失去作用，如果超過人體所能耐受的限度，會造成人體急性中毒、亞急性中毒、慢性中毒等，對人體會造成很大的危害。例如，日本發生的水俁病(汞污染)和骨痛病(鎘污染)等公害病，都是由重金屬污染引起的。重金屬不可生物降解，并且可以在生物鏈中累積，因而重金屬污染具有不可逆轉性，受到了人們越來越高的重視。

除了前文中提到的Cr[48]、Fe[55]等金屬的測定，Peng Guilong等[78]以羅丹明衍生物為熒光化學傳感器，通過微流控芯片在線絡合，實現了對Hg(Ⅱ)的測定。Quinn等[79]將固相萃取預濃縮與紙芯片相耦合，開發了一種低成本、可現場使用的檢測飲用水中痕量銅的方法和固相萃取預濃縮用紙芯片，并對采自柯林斯堡的自來水樣本進行了測試，并通過ICP-MS進行了驗證，在0.5～20 mgg范圍內誤差小于30%。Meredith等[80]基于微流控紙芯片和比色法建立了Mn(Ⅱ)、Co(Ⅱ)兩種重金屬離子的檢測方法，在Fe(Ⅱ)，Fe(Ⅲ)，Ni(Ⅱ)存在的情況下實現了對Mn(Ⅱ)、Co(Ⅱ)的定量分析。

2.4 水中細菌微生物檢測

水中存在的一些細菌、微生物等物質可能會引起人類及動物疾病，也是水質檢測的一個重要因素。對于細菌及微生物的分析，大多數研究是采用免疫測定的方法，即將相應的檢測蛋白質置于微流控芯片上，通過特異性吸附后產生的熒光、顏色、電信號等變化對其進行定量分析。

Badu-Tawiah等[81]制備了艾爾紙質，結合比色法用于對瘧疾的免疫測定。Altintas等[82]利用納米材料在微流控芯片上進行增強免疫測定，結合電化學傳感器和電腦軟件，實現了水中大腸桿菌的自動化定量分析，傳感器表面還可以再生后重復利用。Khan等[83]在濾紙上涂覆聚(N-異丙基丙烯酰胺)聚合物和石墨烯納米薄層，構建了電-熱響應微流控芯片，根據細菌與復合涂層相互作用引起的電阻變化，編寫MATLAB算法轉化為細菌個數，成功對革蘭氏陽性、陰性細菌進行了定量測定。Xu Peifeng等[84]基于微環境中氣溶膠粒子運動的原理，設計了一種平行聚焦徑向加速度的微流控功能芯片，對真菌類微生物進行分離捕捉，實現了6 μm和10 μm的霉菌孢子和草莓灰霉菌孢子的提取凈化。

3 展 望

由于微流控芯片分析技術具有消耗試劑少、價格低廉、反應速度快、易于操作等優點，在發展成為便攜式裝置方面潛力巨大。近年來，研究者們在向著微型化、自動化、集成化的目標不斷前進，在微流控芯片的材質、構型、流路控制方面進行了較多嘗試，但目前大多數情況仍無法真正實現整個分析過程的芯片化，在分析的準確度方面也有待提高。近年來人們在加強芯片的集成能力方面做了較多的努力，例如，美國麻省理工學院的Owens[85]、加州大學的Vittayarukskul等[86]、浙江大學賀永教授團隊的Nie Jing等[87]等先后報道了樂高式的模塊化微流控系統，通過不同模塊的多種組合實現多種不同的功能，加強了微流控芯片分析系統的集成性。未來微流控芯片技術在分析檢測方面的發展將朝著以下幾個方面進行：一是適用于微流控芯片系統的預處理系統及微型器件的研發，使得系統的微型化和高度集成化成為可能；二是適用于微流控芯片技術的定量方法、試劑及系統的進一步發展，促進微流控芯片技術等在檢測準確度、抗干擾等方面達到要求；三是分析學、材料學、光學、電子機械等多學科跨領域的協同發展，使得微流控芯片技術的各方面功能更加完善。