姜慧芸，孙 冰，金 艳，冯俊杰，田松柏

(1.中国石化青岛安全工程研究院，山东 青岛 266071；2.化学品安全控制国家重点实验室；3.中国石化石油化工科学研究院)

微流控芯片又称为微全分析系统或芯片实验室，其概念由Manz等[1]提出，目的是在一个几平方厘米大小的芯片上实现整个分析过程或全部目标物的分析，具有分析速度快、样品用量少、集成化和自动化潜力高的特点。因此，微流控芯片技术天然与便携化、现场分析相适应，在生物医药及环境领域均得到了热切关注。水质污染问题由于水源分布广泛、污染物种类繁多、浓度随水体流动变化迅速等特点，对于检测仪器的便携高效集成方面有较高要求，近年来研究者们将微流控芯片技术引入水质检测中，在此过程中做了很多努力，也取得了很多成果，以下主要介绍微流控芯片技术及其在水质检测中的应用。

1 微流控芯片技术

1.1 微流控芯片的材质及加工方法

由于微流控芯片起源于微机电系统(MEMS)，因而其最早的材料和加工方式也沿用了MEMS，即采用光刻、蚀刻等在硅片上构造需要的微通道。虽然精度较高，但是过程相对繁琐，成本高，而且也存在透光性差、电绝缘性差、易碎、表面处理难等缺点。之后人们尝试用玻璃代替石英进行微流控芯片的研究，因为玻璃的光学性能和绝缘性好，表面改性相对容易，材料价格低廉[2]。玻璃芯片的加工仍然采用光刻和蚀刻的方法[3]。Qi Zhenbang等[4]通过减小芯片面积、增大单硅片上芯片的数目来降低单个芯片的成本。同时有研究将飞秒激光、皮秒脉冲激光技术引入玻璃芯片的制造，提高了芯片的制造速度[5-6]。

考虑到玻璃的易碎、加工难度大等问题，聚二甲基硅氧烷(PDMS)凭借其优良的透光性、生物兼容性、弹性以及价格便宜等优点引发了人们关注[7]。由于PDMS具有弹性，其芯片能与其他芯片之间更紧密地键合，而且能重复可逆变形，因此PDMS被广泛应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芯片的加工一般是将液态的PDMS预聚物涂到以SU-8为代表的光刻胶模板上，加热固化后脱模得到，虽然模板的加工仍采用光刻，但模板可以重复利用多次。Ayoib等[8]将SU-8沉积在玻璃基板上，部分曝光交联后洗去未硬化部分，以此为模板进行微通道塑造，提供了一种简便实用的PDMS芯片制造方法。但PDMS芯片也存在着表面改性困难、不易批量加工、长时间使用易老化等缺点。

便于大规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尝试用于制造微流控芯片。高分子芯片的加工主要采用雕刻、热压、注塑等方法。雕刻法是使用精雕机等直接进行雕刻，得到带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；热压法则是先加热聚合物使其软化，利用模具在聚合物基底上压制出所需的通道，冷却脱模后得到芯片，加工过程中芯片变形较大；注塑法是机械加工等方式得到模具，将材料加热液化后注入模具，冷却脱模得到芯片，此方法能够实现快速、大批量加工，但模具成本较高，且需要注塑机。高分子材料价格低廉，透光性能好，加工和改性较容易，但与大多数有机溶剂不相容。另外，由于高分子材料硬度较低，加工易变形，目前高分子芯片的加工精度还较低，且批量加工的模具成本较高。

随着研究者对芯片体积减小、自驱动等方面的探索，纸芯片也逐渐成为一大研究热点。纸芯片的加工最初也采用的光刻法[9-11]，后来人们又进行了其他方法的尝试和探索。例如，将纸芯片以浸泡等方式处理成疏水材料，然后在特定位置用等离子体处理成亲水通道[12-13]，用喷墨、喷蜡、熔融、印刷等方法将疏水材料分布到纸上，冷却、加热、光照等方式使之固化，在纸芯片上构造疏水图案[14-15]，用剪刀或激光等方式对纸进行裁切[16]等。纸芯片具有价格低廉、便携性强、易于制作和使用等优良性质，适用于即时检测，但在液体输送、非特异性吸附、灵敏度等方面存在不足。

随着3D打印技术的兴起和微流控芯片构型的复杂化要求，有较多研究者进行了3D打印微流控芯片的尝试。3D打印的材料一般是聚合物、金属、光敏性材料等，对于聚合物和金属，一般采用加热熔融使之变为液体，经喷嘴喷出后冷却固化形成所需结构[17]。光敏材料则是将材料用光照进行固化，有的是将薄层的光敏材料按设定程序打印在一定位置，在紫外等光的作用下固化成型，然后一层一层涨上去，非打印区域常通过支撑材料支撑，在打印后洗掉[18]；也有的是充满光敏材料的池子层层下沉，每一层在特定位置进行光照使之固化[19]。近年来还发展了双光子打印技术，根据双光子吸收的三阶非线性效应，只有激光聚焦能量达到一定值时才会使材料固化，因而控制激光的焦点位置，即可实现特定形状的芯片打印[20]。与传统方法相比，3D打印更容易实现三维结构，价格低廉，操作简便。但由于材料种类和打印技术的限制，这种芯片表面性质不易控制，大多数芯片的精密度还有待进一步提高。

因此，目前的芯片材料在性质、加工、使用、价格等方面各有所长，新材料的出现在部分性能方面有所改进，但也在其他性能方面存在不足，并没有完全替代前期的材料。水质检测芯片考虑到消耗量大、抗污染以及轻便易携带等方面的要求，高分子和纸质材料目前研究和使用较多，未来芯片材料的发展将仍然会与加工技术的精度和加工成本协同发展。

1.2 微流控芯片检测的驱动与控制

微流控芯片分析时通常是驱动力与微阀、通道结构及表面力相互配合，控制流体在芯片不同位置的流动或到达，以完成相应的反应。常用的驱动力有电渗驱动、压力驱动、离心力驱动、毛细驱动等。

电渗驱动是基于电渗原理，在电场作用下，通过对通道表面及液体性质、温度、电场强度等因素的控制，实现对流体流动方向、流动速度、到达位置等的控制。与电渗驱动相对应的是电泳，不同的是电渗驱动的是分散介质(流体)，而电泳驱动的是液体内部悬浮或溶解的离子，并且不同离子由于带电量、质量、大小的不同会产生不同的速度，从而能够通过电泳对不同的离子进行分离[21-23]。

压力驱动即通过对流体施加压力使进口压力大于出口压力从而使液体在压力差的驱动下流动，一般有恒压和恒流两种模式。压力驱动一般是通过连接外部设备如恒压泵、注射泵、蠕动泵等来实现，除了控制源头的压力大小和施加压力的时间，还可以搭配微泵、微阀、真空等方法控制微通道不同位置的压力。压力驱动的方式较容易实现，并能进行多通路控制，但附加设备体积大，人们又进行了微阀、微泵的有关研究[24-31]，一方面减少泵的使用，另一方面减小泵的体积。

离心力驱动是利用离心机带动芯片转动，通过调节离心力的方向、大小(转速)及液体位置来控制液体流动。由离心力驱动的芯片称为“Lab CD”，其概念由Mandou等[32]提出。由于离心力在圆周上相同，此类芯片一般为圆形，多个重复单元在芯片上呈辐射状分布。研究者们随后使用这种芯片在血液分析、分子诊断、食品检测等方面进行了研究[33-36]。离心驱动避免了多个机械泵的使用，在便携和集成方面有了很大的进步。

毛细驱动通过微通道对液体的毛细作用力驱使液体前进，是纸芯片最主要的驱动方式。毛细作用力的产生主要是因为浸润液体在细通道内受到的表面张力引起的。纸芯片的构造通常是亲疏水区域的划分，即在亲水的纸上刻画疏水屏障，或者先将其整体处理成疏水，然后通过等离子体等方式将特定位置进行亲水处理[37-39]。Potter等[40]对不同墨水(蜡)进行了研究，指出墨水颜色不同，纸芯片的疏水性能也会有所差别。由于构建疏水屏障不易，Zhang Liming等[41]还研究了无疏水屏障的“无障碍式纸芯片”，即在不建立疏水边界的情况下，在低体积和中厚纸基板上以生成沉淀的反应进行检测。

目前采用最多的驱动力仍然是电渗驱动和压力驱动，但随着微流控技术在集成性、便携性的发展需要，结合在芯片材料成本及加工成本方面的考虑，离心力驱动、毛细驱动及一些新的驱动方式如重力[42-43]、光[44-45]、热[46-47]等引起研究者的广泛关注。

1.3 基于微流控芯片的检测方法

由于微流控芯片技术进样量少、检测池小、分离分析速度快，因而对检测器的灵敏性、准确性、响应速度及体积提出了要求。目前与微流控芯片结合使用的检测方法有光学检测、电化学检测和质谱检测等。

1.3.1 光学检测光学检测即利用物质或溶液的光学性质进行检测，包括激光诱导荧光检测、电化学发光检测、比色分析等。

激光诱导荧光检测是对直接对具有荧光效应的物质进行检测或将物质进行荧光衍生后进行检测。Peng Guilong等[48]以磁性多壁碳纳米管提取和富集水样中痕量Cr(Ⅱ)，采用在线荧光衍生化和激光诱导荧光(LIF)光谱检测的流动注射微流控芯片进行Cr(Ⅲ)分析。Liu等[49]在纸芯片上植入乙酰乙酰苯胺，通过其与甲醛生成的络合物荧光效应对甲醛浓度进行检测，研发了一种快速测定甲醛的方法。荧光检测的检出限低，灵敏度高，选择性好，但是对于没有荧光的物质，衍生会大大增加整体时间，且导致分析步骤复杂化。

电化学发光检测法是基于检测物在化学反应过程中发光，并根据强度大小进行定量。Su Yan等[50]基于碳墨丝网印刷微流控技术、近源杂交技术和电化学技术研制了一种新型DNA生物传感器。增强了多壁碳纳米管的发光效果，具有高的灵敏度、好的特异性和可接受的通用性。

比色法是一种古老的方法，通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量，又分为色度法和分光光度计法，前者通常是通过目视将待测溶液与标准溶液比对定量，后者则是基于朗伯比尔定律定量。相比于目视比色法，分光光度法的准确性具有较大的提高。由于色度法易受到主观、分辨率等因素限制，逐渐被分光光度法所取代。近年来，随着照相技术的不断进步和软件功能的发展，尤其是内置于智能手机中摄像头的方便性，基于拍照比色分析的方法又逐渐回归到人们的视野[51-53]。Kudo等[54]研发了微流控纸芯片，利用颜色强度和距离法实现了人体体液中乳铁蛋白的检测。Deng Muhan等[55]研发了一种喷漆法制备纸芯片的技术，并通过比色分析实现了铁的定量分析。Wongwilai等[56]以纸芯片为分析平台，通过对反应性磷酸盐进行比色测定，对移动电话、网络摄像头、平板扫描仪和手持扫描仪作为图像捕获装置对定量的结果影响进行了评价。

1.3.2 电化学检测电化学检测(ECD)是以电极作为传感器，将溶液中的目标待测物的化学信号转变为电信号的一种分析检测方法，是微流控芯片检测的常用方法。目前根据电化学检测原理的区别可分为安培检测、电位检测、电导检测等。

安培检测(AD)是选择具有电活性的分析物在恒电位工作电极上发生氧化还原反应，同时产生相应的电流信号，且电流信号的大小与需要检测样品物质的浓度呈成正比关系，从而实现分析样品物定量检测的一种分析方法[57-59]。安培检测法是对在电极上具有活性物质的检测，因而这种方法灵敏度较高但选择性较差，且易受噪音影响，在一定程度上制约了其使用的广泛性。

电导检测(CD)是基于带电组分在溶液中呈现的电导率的差异而进行检测的方法，待测物无须电化学活性的基团，只要组分是离子型的都可以被检测到，所以CD是一种较好的通用型检测器。电导检测法是一种通用型检测方式，待测物无须具有生色基团、荧光基团或电化学活性基团。按照工作电极与待测液接触与否，电导检测法主要分为接触式与非接触式两种。Quero等[60]基于毛细管电泳分离和电容耦合非接触电导率检测法对钾离子、钠离子和锂离子进行了分离检测，检出限接近1 μmolL。Duarte等[61]将基于电容耦合非接触电导率检测的集成电极的3D打印微流控装置用于大肠杆菌细胞的无标签计数。

1.3.3 质谱检测质谱检测是基于样品具有不同的质荷比(mz)而定性和定量检测目标分析物。质谱具有较高的灵敏度，目前主要用于对蛋白质和多肽的分离检测。Xue Qifeng等[62]在1997年第一次报道了芯片与质谱的电喷雾接口。Jin Diqiong等[63]将设计的毛细管探头与微液滴阵列芯片及电喷雾电离质谱串联，用于乙酰胆碱酯酶的药物筛选，通过自动控制在90 min内完成了256个样品的顺序检测。Zhao Yaju等[64]开发了一种能够同时进行样品提取、免疫亲和富集、磁分离和在线洗脱的高度集成多功能微流控芯片，与质谱耦合用于在线分析牛奶样品中的7种不同的喹诺酮。

2 微流控芯片技术在水质检测中的应用

2.1 水中有机物检测

有机物是水的主要污染物，水体中的有机物污染一方面来自于人类生活及生产活动的排放，如农药、化肥、生活污水、工业废水等，另一方面来自于水体自身生物群体的释放，如水体富营养化。

衡量有机物的一个重要指标是化学需氧量(COD)，指水中的还原性物质在强氧化剂的作用下，发生氧化还原反应时消耗氧的量。传统COD的测定方法主要是在高温条件下以强氧化性物质(重铬酸钾、高锰酸钾)对水体进行氧化处理，通过滴定或吸光度衡量产物浓度，计算体系消耗的氧含量。由于存在耗时久、需要高温以及铬的使用带来二次污染等问题，人们一直在不断进行新方法探索。近年来，随着催化技术的发展，TiO2被用于COD检测过程的催化，并得到了较好的效果[65-66]。Mu Qinghui和Heng Weixin等[67-68]分别采用无模板法和水热法制备了一维、二维二氧化钛纳米纤维(TNFs)大阵列，并将其作为工作电极置于由PDMS和PMMA制成的微流控装置中，利用光电催化快速、无污染地测定COD。

除综合性指标COD外，其他一些对环境影响较大的单分子有机物也被重点关注。Foan等[69]以纳米多孔有机硅酸盐作为微流控芯片中的固相萃取剂，用于提取天然水体中的有机污染物，实现了20 min内对多环芳烃的检测。Lee等[70]制备了一种表面吸附金纳米粒子的纸质微流控芯片，并用表面增强拉曼光谱对废水中对氨基苯甲酸、邻苯二酚两种物质进行了检测，结果表明，对两种物质的检出限分别可以达到1×10-9molL和1×10-5molL。

2.2 水中氮磷类营养盐检测

2.3 水中重金属检测

重金属如铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、汞(Hg)、铅(Pb)、钒(V)等，能使人体内的酶等蛋白质失去作用，如果超过人体所能耐受的限度，会造成人体急性中毒、亚急性中毒、慢性中毒等，对人体会造成很大的危害。例如，日本发生的水俣病(汞污染)和骨痛病(镉污染)等公害病，都是由重金属污染引起的。重金属不可生物降解，并且可以在生物链中累积，因而重金属污染具有不可逆转性，受到了人们越来越高的重视。

除了前文中提到的Cr[48]、Fe[55]等金属的测定，Peng Guilong等[78]以罗丹明衍生物为荧光化学传感器，通过微流控芯片在线络合，实现了对Hg(Ⅱ)的测定。Quinn等[79]将固相萃取预浓缩与纸芯片相耦合，开发了一种低成本、可现场使用的检测饮用水中痕量铜的方法和固相萃取预浓缩用纸芯片，并对采自柯林斯堡的自来水样本进行了测试，并通过ICP-MS进行了验证，在0.5～20 mgg范围内误差小于30%。Meredith等[80]基于微流控纸芯片和比色法建立了Mn(Ⅱ)、Co(Ⅱ)两种重金属离子的检测方法，在Fe(Ⅱ)，Fe(Ⅲ)，Ni(Ⅱ)存在的情况下实现了对Mn(Ⅱ)、Co(Ⅱ)的定量分析。

2.4 水中细菌微生物检测

水中存在的一些细菌、微生物等物质可能会引起人类及动物疾病，也是水质检测的一个重要因素。对于细菌及微生物的分析，大多数研究是采用免疫测定的方法，即将相应的检测蛋白质置于微流控芯片上，通过特异性吸附后产生的荧光、颜色、电信号等变化对其进行定量分析。

Badu-Tawiah等[81]制备了艾尔纸质，结合比色法用于对疟疾的免疫测定。Altintas等[82]利用纳米材料在微流控芯片上进行增强免疫测定，结合电化学传感器和电脑软件，实现了水中大肠杆菌的自动化定量分析，传感器表面还可以再生后重复利用。Khan等[83]在滤纸上涂覆聚(N-异丙基丙烯酰胺)聚合物和石墨烯纳米薄层，构建了电-热响应微流控芯片，根据细菌与复合涂层相互作用引起的电阻变化，编写MATLAB算法转化为细菌个数，成功对革兰氏阳性、阴性细菌进行了定量测定。Xu Peifeng等[84]基于微环境中气溶胶粒子运动的原理，设计了一种平行聚焦径向加速度的微流控功能芯片，对真菌类微生物进行分离捕捉，实现了6 μm和10 μm的霉菌孢子和草莓灰霉菌孢子的提取净化。

3 展 望

由于微流控芯片分析技术具有消耗试剂少、价格低廉、反应速度快、易于操作等优点，在发展成为便携式装置方面潜力巨大。近年来，研究者们在向着微型化、自动化、集成化的目标不断前进，在微流控芯片的材质、构型、流路控制方面进行了较多尝试，但目前大多数情况仍无法真正实现整个分析过程的芯片化，在分析的准确度方面也有待提高。近年来人们在加强芯片的集成能力方面做了较多的努力，例如，美国麻省理工学院的Owens[85]、加州大学的Vittayarukskul等[86]、浙江大学贺永教授团队的Nie Jing等[87]等先后报道了乐高式的模块化微流控系统，通过不同模块的多种组合实现多种不同的功能，加强了微流控芯片分析系统的集成性。未来微流控芯片技术在分析检测方面的发展将朝着以下几个方面进行：一是适用于微流控芯片系统的预处理系统及微型器件的研发，使得系统的微型化和高度集成化成为可能；二是适用于微流控芯片技术的定量方法、试剂及系统的进一步发展，促进微流控芯片技术等在检测准确度、抗干扰等方面达到要求；三是分析学、材料学、光学、电子机械等多学科跨领域的协同发展，使得微流控芯片技术的各方面功能更加完善。