齐骥 相佳雯 林栋 付龙文 李博伟* 陈令新

1（中国科学院烟台海岸带研究所，海岸带环境工程技术研究与发展中心，烟台 264003）

2（自然资源部海洋观测技术重点实验室，天津 300112）

3（中国科学院大学，北京 100049）

海洋蕴藏着丰富的水资源、水产、石油和矿产资源，并通过生物地球化学过程及其复杂的相互作用维持着全球环境和多样化的生态系统[1-3]。海洋发展与人类和国家的命运息息相关，建设海洋强国是我国发展的重要战略目标，美国伍兹霍尔海洋研究所也在官方网站展出“Ocean=Life”（海洋=生命）的观点性标题。海洋资源开发、环境保护以及污染后的海洋生态环境修复均需要海洋分析监测技术。发展高效的海洋环境分析与监测技术是认知海洋和经略海洋的重要前提。

现代海洋环境分析监测的对象主要有水文气象参数（透明度、水温、流速/向和波浪）、物理化学参数（酸碱度、溶解气体、生化需氧量、重金属、营养盐和有机污染物）、生物参数（叶绿素、浮游及底栖生物）和放射性参数（3H、14C、90Sr 和129I）等[4]。为了获取各类参数，海洋环境分析监测技术朝向立体化监测方向发展。根据分析监测终端所在位置的差异，海洋环境分析监测技术分为天基、空基、岸基、海面及水下和海床基等类型，具体包括卫星/机载遥感、近岸自动观测平台、海洋监测船、浮标、潜标和海底移动观测平台等[5-7]。分析过程控制和传感原理是构建海洋水体分析监测装备的关键。目前的海洋环境污染物和标志物的分析通常需要采集样品并运输到实验室中完成，难以实现即时快速分析和原位在线监测。将实验室的化学分析方法和自动分析仪器进行整合，构成小型或微型的快速分析和原位监测核心部件或装备，并集成为在线系统，可有效提升海洋分析监测效率。微流控芯片技术可在微米尺度的空间实现流体操控，并展现出小型化、快速和高通量等优势，在海洋分析监测领域备受关注[8]。

2020 年，武汉大学杨奕教授研究组在《Micromachines》期刊发表评述，介绍了基于光流控技术平台的海洋环境原位监测应用[9]。2021 年，东京大学Fukuba 等在《Lab on a Chip》期刊发表评述，介绍了微流控芯片在海洋原位观测中的应用进展[10]。这两篇论文仅介绍了海洋原位监测的应用。本文从前期海洋分析监测的技术需求出发，涵盖了微流控芯片的材料、制备及其分析方法构建，以海洋环境分析（包括即时快速检测）和海洋原位在线监测两类应用为主，涉及的参数和对象包括酸碱度、溶解气体、营养盐、重金属、有机污染物和海洋微生物等，较全面地评述了微流控技术在海洋分析监测中的应用研究进展，并对其未来发展进行了展望。

1 海洋分析监测的技术需求

目前，海洋分析监测方法以实验室方法为主，具有分析监测仪器体积较大、需要专业人员操作、价格昂贵、难以满足快速分析和原位在线监测的需求等不足。基于微流控芯片的分析监测仪器可实现分析监测的集成自动化、小型化和低消耗。在微米尺度的芯片通道中，反应过程与流体流动表现出特殊的优势，例如：由于物质和热量的传播距离相对较小，反应时间缩短；流体出现层流；毛细作用力成为主导[11-13]。此外，微流控芯片的材料和设计需要适应海洋应用的特殊要求，如海水的高盐度、待测物的低浓度、水下压力、水上平台日晒高温、风浪影响和长期无人维护等。

1.1 芯片材料与制作

芯片材料的种类与性能特点是构建微流控芯片的关键要素之一。在海洋分析监测过程中，玻璃、硅、弹性聚合物、塑料和纸等材料均可用于制作微流控装置，其中，具备廉价和一次性使用特点的纸质材料可用于制作即时快速分析芯片，稳定性好、耐腐蚀的玻璃和聚合物材料被广泛应用于原位在线监测芯片模块。此外，芯片的材质也会影响分析方法在芯片上的兼容度。

1.1.1 玻璃和硅

玻璃和硅是制作微流控芯片的常见材料，具有稳定性好、耐盐和耐腐蚀性较强等特点，适合于高盐海水样品和有机试剂的持续性流通。玻璃表面不易吸附Hg2+等金属离子，适用于海水中重金属离子的分析监测。此外，玻璃/石英具有优良的透光性，有利于芯片上光学传感信号的传输。玻璃/硅芯片的主要制作方法是光刻和蚀刻，不易制作复杂流路，微加工的成本较高[14]。

1.1.2 弹性聚合物

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是常用于制作芯片的弹性聚合物材料，常用制作方法为紫外光刻法，具有低成本和快速成型的优势。利用PDMS 制作的高密度集成芯片阀门，在高通量海洋样品分析时，可实现复杂并行的流体操作[15]。此外，PDMS 具有较好的生物兼容性，适用于构建海洋藻类和浮游生物分析芯片。但是，PDMS 芯片表面容易吸附疏水性的污染物，因此不利于分析海洋中痕量的脂溶性污染物和赤潮毒素等。

1.1.3 塑料

塑料芯片在海洋分析监测中具备一定的应用优势，利用3D 打印技术可实现快速和廉价的塑料芯片制造。其中，聚甲基丙烯酸甲酯的透光性好、硬度较高，但是不耐强酸和有机溶剂，对于海洋化学需氧量分析等需要强酸消解的分析过程，局限性较大。全氟聚合物具有较好的惰性和防污性，可满足海洋监测长时间连续工作的需要[16]。水凝胶具有高渗透性，分子可在水凝胶中扩散且不需要大量流体流动，适用于构建前处理模块，实现海洋中痕量目标物的富集与分离[17]。

1.1.4 纸基材料

纸基微流控芯片利用流体在纸上的毛细作用力控制流体，具有廉价环保、便于携带和操作简单等特点。纸基材料可用于海洋环境的即时和现场快速分析。滤纸和硝酸纤维素纸是制作纸基芯片的常见材料，通过疏水材料在纸上构建疏水围堰形成通道，利用喷蜡/墨打印和丝网印刷等方法可实现纸芯片的批量制作[18]。

样本数量大和布设监测位点多是海洋分析监测的特点之一。海洋分析监测的微流控芯片的制造需要简单、廉价和可商业化的批量生产技术。随着工业智能化的发展，3D 打印等先进制造技术被用于微流控芯片的加工过程中。材料类别是选用芯片制造方法的主要依据，常用材料和制作方法见表1[19-24]。

表1 微流控芯片制作方法比较Table 1 Comparison of microfluidic chip production methods

1.2 基于芯片的分析方法构建

随着微流控芯片材料与制造技术的不断发展，更多的分析方法与微流控芯片融合成为可能。例如，光学分析法中的比色分析、荧光分析、表面增强拉曼散射分析和化学发光分析；以电化学技术为主的一系列电化学分析方法；以生物抗体材料为传感识别工具的免疫分析方法；以核酸适配体为传感媒介的核酸分析法；利用芯片微通道特点实现的单细胞分析等[25]。其中，基于微流控芯片的比色分析、荧光分析、电化学分析和免疫分析等方法在海洋分析监测领域中的应用较广泛。

1.2.1 比色分析法

比色分析通常是通过检测显色剂与目标物反应产物的颜色（吸光度）来确定目标物浓度。目前，用于比色分析的显色剂有分子和纳米颗粒等，在芯片上的比色反应过程灵活简单、速度快，灵敏度也逐渐提升。在海洋分析监测中，比色分析在即时快速检测和原位在线监测方面都较为适用[26]，通常可用于检测营养盐和重金属离子，此外，常规的海水pH 值分析是用比色法测量，精度为±0.01[27]。比色分析法与免疫反应结合，可用于构建免疫分析芯片，实现海洋新污染物和生物标志物的快速测定。

1.2.2 荧光分析法

根据待测目标物本身的特性，荧光分析法可分为直接荧光法和间接荧光法。海洋中的叶绿素、藻类蛋白、部分藻毒素和抗生素污染，利用其分子本身或衍生分子的荧光性质，可实现对该类目标物的直接荧光检测[28]。此外，对于无荧光发射或荧光发射较弱的目标物，可利用分子、纳米荧光材料制备荧光探针，通过目标物与荧光探针的作用，实现间接检测[29]。荧光分析法灵敏度高，但在海洋分析中容易受到复杂的海洋荧光成分的干扰，需要样品前处理技术的配合。微流控芯片具有多功能集成的优势，有助于将荧光分析法应用于海洋分析监测。

1.2.3 电化学分析法

电化学分析法是环境分析中应用最为广泛的一种方法，具有灵敏度高、响应快速、设备廉价且小型便携的特点。海洋中大多数电活性物质，包括金属离子、各类营养盐和二氧化碳等，都可采用电化学方法检测。电化学分析法既可用于即时快速检测，也可实现原位在线监测[30-31]。丝网印刷电极可构建于纸基微流控芯片上，通过电极修饰，结合小型电位仪，成功实现了海洋新污染物的现场快速分析[32]。除常规玻璃电极外，离子敏感场效应晶体管等半导体电极器件也被用于构建原位监测装置[33]，在海洋原位监测中发挥了重要的作用。然而，电极表面的清洁与防污染、防附着，以及海洋深度引起的温度和压力变化，都是电化学分析在海洋环境监测应用中面临的难题。

1.2.4 免疫分析法

免疫分析是利用抗原抗体的特异性结合作用构建的分析方法，结合比色法和荧光法，可实现痕量目标物的灵敏性靶向检测[34]。针对海洋中的浮游生物及其代谢物、微生物和病毒的检测，基于微流控芯片构建免疫分析法具有较好的应用前景。试剂在芯片上的顺序流动可控制，便于免疫分析的多步洗涤和反应过程的自动化。在纸基微流控芯片上构建免疫分析，也可实现低成本的现场即时分析。然而，生物抗体容易变质、原位在线仪器中装载的免疫试剂难以长时间贮存等，限制了免疫分析用于海洋原位在线监测。

2 海洋环境分析应用

目前，基于微流控芯片的海洋环境分析的应用优势主要体现在3 个方面：（1）芯片中微区域内的液体混合效率高，传感效果增强，从而提升对海洋中痕量目标物的检测灵敏度；（2）针对大量的海洋样本，多步分析过程在微流控芯片中集成化、自动化，提升了分析效率；（3）低成本、快速分析芯片（如纸基微流控芯片）的研发，为海洋的现场快速分析提供了新方法。目前，微流控芯片在海洋重金属污染、有机（新）污染物和海洋微生物分析方面的研究备受关注。

2.1 重金属

工业排放导致重金属（如汞、镉、铬、铅、铜、锌、镍、钴和锡等）被排入水体，最终汇入海洋。重金属难降解并可被生物富集，是主要的海洋污染物[35]。海水盐度高、组分复杂、重金属含量较低。相较于地表水和污水重金属分析，海水重金属分析方法需具有高灵敏度和高选择性。

Alves-Segundo 等[36]使用发光二极管和光电二极管，结合低温共烧陶瓷，研制了一种基于吸光度分析的连续流动微流控芯片装置。该装置使用二苯基甲酰胺作为显色剂对Cr（Ⅵ）进行测定，线性范围0.1～20 mg/L，检出限低至50 μg/L。本研究组提出了一种基于离子印迹荧光传感的三维折叠纸基微流控芯片（图1A），可同时检测海水中Cu2+和Hg2+[37]。通过在玻璃纤维纸表面逐步接枝CdTe 量子点和离子印迹聚合物，制备离子印迹荧光传感纸芯片。通过检测目标离子猝灭纸芯片荧光的程度，实现了Cu2+和Hg2+的快速定量分析。该芯片检测Cu2+的线性范围为0.11～58.0 g/L，检出限为0.035 g/L，检测Hg2+的线性范围为0.26～34.0 g/L，检出限为0.056 g/L。该方法避免了样品前处理过程，适用于海洋重金属离子的现场快速检测。Fukuba 等[38]开发了一种基于PDMS-玻璃混合的微流控装置，用于海水中Mn2+的定量检测。该微流控装置中集成了螯合树脂柱，可去除基质中的Fe2+等干扰离子。通过流体控制，构建鲁米诺-过氧化氢化学发光反应，实现高灵敏度的Mn2+定量分析。在Fe2+含量为μmol/L 级的海水中，该芯片装置可准确定量检测nmol/L 的Mn2+，有效提升了海洋重金属分析效率。此外，微流控芯片也被用于评估海洋重金属的毒性。Zheng 等[39]设计了一种微流控芯片，以海洋浮游植物移动作为传感器信号，采用高通量方式评估重金属等污染物的毒性。在该芯片中，带有扩散室的多梯度发生器能够进行规模性的剂量反应生物测定。两个可移动的海洋浮游植物细胞被设置在芯片上，并由8 种浓度的Hg2+、Pb2+、Cu2+和苯酚单独刺激，以及Cu2+和苯酚联合刺激，成功观察到了剂量依赖性的生物运动抑制。该系统预测毒性安全性能指标仅需2 h，是一种快速、简单和高通量的海洋污染毒性评估测试方法。

图1 （A）检测Cu2+和Hg2+的纸基微流控芯片[37]：（a～d）纸基微流控芯片组成部件的实物图，（e）纸基微流控芯片的组装方式，（f）紫外线灯下Cu2+和Hg2+离子检测位点的荧光效果;（B）化学需氧量（COD）分析系统结构图[42];（C）有机污染物分析多通道毛细管电泳仪[44]：（a）仪器实物图，（b）仪器光学系统的三维结构图;（D）介电泳分离芯片系统[55]：（a）系统的原理图，（b）螺旋结构的细节，（c）介电泳分离芯片的细节Fig.1 (A) Paper-based microfluidic chips for determination of Cu2+ and Hg2+ ions[37]: (a–d) components of paper-based microfluidic chip,(e)assembly methods of the paper-based microfluidic chip,(f)fluorescent effect of sensing sites for detection of Cu2+ and Hg2+ under the ultraviolet lamp;(B) Structure diagram of chemical oxygen demand (COD) analysis system[42];(C) Multichannel capillary electrophoresis system for detection of organic pollutants[44]:(a)picture of the instrument,(b)3D rendition of the optical system;(D)Dielectrophoretic separation system on chip[55]: (a) schematic diagram of dielectrophoretic separation system,(b) details of the spiral structure,(c) details of dielectrophoretic separation chip

2.2 有机污染物

海洋中的有机污染物大多具有毒性，并且可造成水中溶解氧减少，危害海洋生态健康。海洋有机污染物分析的难点是污染物种类多且浓度极低（通常在ng/L 级别），有毒有机污染物包括石油烃、多氯联苯、多环芳烃、有机氯农药、有机磷农药和有机锡等，在近岸海水、沉积物和海洋生物体内普遍检出[40]。海水化学需氧量（COD）是表征海水中有机物污染程度的综合指标，是衡量海洋水体质量的基本要素之一。相对常规水体，海水COD 含量低、盐度高且成分复杂，导致大多数分析方法不适用于海水。现阶段我国海水COD 的仲裁测定方法是基于《海洋监测规范》（GB 17378.4-2007）中规定的碱性高锰酸盐氧化滴定的分析方法[41]，但是该方法分析过程繁杂，反应时间长，时效差。曹煊等[42]采用臭氧发光机理实现了海水COD 的分析，同时借助微流控芯片技术，设计了高集成度的海水COD 分析系统（图1B），该系统的测量范围为0.1～1.0 mg/L，检出限为0.08 mg/L，结构简单、测试时间短，可满足海水COD 现场分析的需求。Li 等[43]开发了涡旋T 结构微流控检测芯片，基于臭氧化学发光原理设计了高集成度的COD检测系统，并开展了海水COD 定量检测试验研究。测试结果表明，该芯片可产生定量可控的臭氧基气泡用于COD 检测，测量范围为5～45 mg/L。该芯片检测快速且受环境干扰较小。

Benhabib 等[44]研发了基于光谱分析的微流控芯片系统（图1C），对多环芳烃进行了检测，其检测范围为0.1 μg/L～400 mg/L。Nie 等[45]制造了一种基于介孔材料修饰碳盘电极的微流控芯片，可检测海水中的硝基苯类化合物。这些芯片系统有望发展成为海洋有机污染物分析仪器的核心部件，为新污染物专业检测仪器的研发提供了新思路。

氨基酸和蛋白质等多存在于表层海水中，并且性质不稳定。海洋中的溶解蛋白中贮存了碳和氮，可影响全球碳和氮的循环。此外，溶解蛋白质作为离散单元存在于环境中，是一种难降解的海洋有机物[46-47]。Garcia-Otero 等[48]用二维等电聚焦分级分离结合微流控芯片电泳，对表层和深层海水中的溶解蛋白质进行了评估，在表层和深层海水中分别检测到了分子量在15～63 kDa 和21～24 kDa 的溶解蛋白质。该方法样品消耗量低、处理步骤简单，提升了分析灵敏度。

2.3 海洋微生物

2.3.1 海洋藻类

世界上有20～80 万种微藻[49-50]。原生藻类可作为多种环境监测应用的指标。识别藻类传统的方法是通过光学显微镜和分子生物学技术，从海洋中收集样本，在实验室进行成像分析和基因分型。这种方法虽然可靠，但费时费力，快速有效地识别和分离藻类是海洋微藻资源调查利用面临的挑战。

Yuan 等[51]提出了一种简单、高效的方法，利用培养基的粘弹性在微流控通道中分离小球藻和枯草芽孢杆菌。该研究首次采用粘弹性微流控技术实现了微藻与细菌的连续无鞘分离。Wu 等[52]提出了一个基于微流体聚焦技术的微流控平台，为处理拟菱形藻提供了一种简单有效的方法。微流控芯片结合流式细胞术，有望实现低成本和便捷化海洋藻类分析。Hashemi 等[53]构建了一种二维流动聚焦功能的微流式细胞仪。样品流通过微通道顶部和底部的导流槽时，可在水平和垂直方向上实现流体动力学聚焦，使对称的鞘流环绕载有微藻的样品流。该微流控系统成功区分了4 种微藻，可检测和表征较宽尺寸范围（1～50 μm）内的浮游生物。王俊生研究组[54]将微流控芯片、阻抗脉冲传感和光诱导叶绿素荧光检测集成为一个系统，可测量海洋藻类的数量、大小、形状和体积，并测定了藻类叶绿素的荧光强度。此外，该研究组利用惯性力和介电泳力设计了一种微流控两级分离芯片（图1D），可实现扁藻、梭菌和小球藻3 种常见微藻细胞的快速准确分离，分离效率超过90%[55]。

2.3.2 海洋致病菌

海水组分复杂，海水中的致病菌含量低且易随海流变化。致病菌常规鉴定方法是分离培养、镜检观察、生化鉴定、嗜盐性实验等，不仅耗时长、操作复杂且灵敏度有限[56]。海洋致病菌分析方法需要具有良好的选择性和较高的灵敏度。

Xu 等[57]研发了一种生殖细胞捕获芯片，用于研究增殖性大肠杆菌的生殖机制。该芯片集成了藻类生长、生殖细胞释放、捕获和选择性培养的功能，便于长期活细胞成像，并实现了生长培养基的快速交换，无需人工干预。Zeng 等[58]报道了基于嵌入光纤的微流控芯片，利用激光诱导荧光法对海洋污水中大肠杆菌进行单细胞检测。Jin 等[59]采用微流控芯片集成环介导等温扩增技术对空肠弯曲菌、单核细胞增生性李斯特菌、肠道沙门氏菌、福氏志贺氏菌、金黄色葡萄球菌、溶藻弧菌、霍乱弧菌、副溶血性弧菌、创伤弧菌和小肠结肠炎耶尔森菌共10 种水生致病菌进行了同时检测。该方法能够同时完成2 个样品的基因分析，并达到了每个反应7.92×10–3～9.54×10–1pg 纯细菌基因组DNA 的定性检测。

3 海洋原位在线监测应用

海洋原位监测通常需要水下装备和持续运行的平台，监测装备在水下环境停留，缺乏人员维护且海洋情况复杂，对于微流控芯片稳定性的要求较高。基于微流控技术的原位在线监测装备的优势是可降低能耗和试剂消耗，提升无人维护条件下监测装备的持久性，并使装备核心部件的体积减小。目前，基于微流控技术的海洋原位在线监测应用较少，主要集中在海洋酸碱度、溶解气体和营养盐等常规化学参数的监测。

3.1 海水酸碱度

海水pH 值是海洋监测常规参数之一。海洋酸化被认为是严重的环境问题，因海洋酸化导致海洋表层混合层的海水pH 值每10 年下降约0.015 个单位[60-61]。因此，监测海洋酸化的原位pH 值监测设备需具有极高的精度和准确度。常规比色分析方法需采用pH 比色指示剂，在海洋监测领域，百里香酚蓝和甲酚紫分别是表层海水和剖面海水pH 检测的标准指示剂[62]。

Pinto 等[27]发展了用于海水酸碱度分析的微流控芯片。PDMS 微流控芯片集成低成本光电子系统，光路长度减少至5 mm，采用基于比色法的pH 检测，单次检测仅需要9.6 μL 甲酚紫，总检测时间约为8 min。该装置在pH 7.5～8.2 范围内的分辨率为0.002 个单位，具有原位、自主、长期和低成本等优势。由于试剂消耗量较低，该方法将有望布设在位于海洋深处的水下基地中。Moradi 等[63]提出了一种基于微流控芯片的荧光传感pH 检测方法（图2A），以荧光染料8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐为荧光探针，通过多模光纤采集荧光信号，并采用光电二极管测量荧光强度进而得到pH 值。Lu 等[64]开发了一种pH 传感芯片，采用聚乙烯醇化学固定甲酚紫制备pH 敏感膜，将膜涂覆到微流控芯片内部腔壁上而形成传感芯片。该pH 检测芯片系统随着离子强度的增加而表现出较高的稳定性，同时还具有可重复性、可逆性和耐久性。该方法可用于海洋恶劣条件下的pH 值在线监测。基于电化学分析方法的微流控芯片也被研发用于海水pH 监测。Yamada 等[65]使用微流控芯片结合离子选择性场效应晶体管构建了pH 监测系统。该系统在120 s 内可检测约2.0 mL 样品溶液。Gao 等[66]设计了一种基于石墨烯场效应晶体管的微流控芯片用于海水pH 值检测。该传感器检测结果波动幅度在3%以内，有望用于海水pH 值实时检测。

图2 （A）微流控pH 传感器[63]：（a）微流控pH 传感器示意图，（b）微流控pH 传感器实物图;（B）溶解氧传感设备[69]：（a）全内反射光学溶解氧传感装置示意图，（b）全内反射光学溶解氧传感装置的侧视图，（c）感应溶解氧时全内反射的荧光发射图；（C）溶解CO2 检测设备示意图[74]：（a）嵌入微流控装置中的微孔传感器阵列示意图，（b）微流控光电传感器及嵌在微流控设备上的离子对掺杂的微珠阵列Fig.2 (A) Microfluidic pH sensor[63]: (a) diagram and (b) image of the microfluidic pH sensor;(B) Dissolved oxygen(DO)sensing equipment[69]:(a)conceptual design of total internal reflection optical DO sensing device,(b) image of the side-view of the total internal reflection optical DO sensing device,(c) image of fluorescence emission from the total internal reflection when sensing DO;(C) Schematic of dissolved CO2 detection equipment[74]: (a) schematic of the sensor array of microwells embedded in a microfluidic device,(b) microfluidic optoelectronic sensor: array of ion pair-doped microbeads embedded on the microfluidic device

3.2 海水溶解气体

溶解氧是海洋生物维持生命的基础，当海水溶解氧的日平均值小于3 mg/L 或24 h 内的任何观测值小于1 mg/L 时，即为低氧现象[67]。全球低氧海域正以每年5.54%的速率高速增长[68]。准确掌握海水溶解氧的变化，获取高质量、实时和连续的海水溶解氧数据具有重要意义。光学和微流控技术结合的光流控芯片被用于海洋溶氧检测。Mahoney 等[69]提出了一种基于测量钌基氧敏染料中荧光猝灭的多层光流体装置，采用激发光的全内反射提高灵敏度（图2B），可用于检测海水中0～20 ppm（μg/mL）的溶解氧。

2020 年海洋吸收的二氧化碳总量为26～34 亿吨[70-71]。海洋对人为CO2的吸收减少了大气中的温室气体含量，在一定程度上缓和了全球变暖，但更多CO2溶解于海水中将引起海洋酸化，对海水化学环境产生显著影响[72-73]。因此，监测海水CO2浓度，厘清海洋CO2源汇过程，对实现碳中和目标尤为重要。Zilberman 等[74]提出了一种基于新型复合材料的微流控光电交叉反应传感器，用于选择性检测溶解的CO2（图2C）。微流控装置由填充有变色染料掺杂的离子交换聚合物微珠的微孔阵列构成。该装置对不同浓度的溶解CO2有光学响应，并且不受其它酸性气体的干扰。

3.3 海水营养盐

营养盐是与生物生长密切相关的物质，海洋监测涉及的营养盐主要是氮、磷、硅元素的无机盐。海水中的亚硝酸盐浓度通常低且稳定，亚硝酸盐浓度过高或急剧变化是表明海洋环境变化的重要指标。磷酸盐与富营养化密切相关，硅酸盐的分布影响浮游藻类的群落结构。准确监测海洋中的营养盐，对于了解海洋生态状况和预测有害赤潮至关重要[75]。用于营养盐测定的微流控芯片系统多基于分光光度法的检测原理，运用精密加工技术将多种光电元件集成[76]。

Slater 等[77]研制了一种用于磷酸盐持续性长期监测的微流控传感装置，该装置将采样、试剂存储、检测和无线通信集成于一个便携化平台。Clinton-Bailey 等[78]提出了一个可溶性活性磷酸盐原位监测的微流控芯片平台，改善了“磷酸盐蓝”检测，采用聚乙烯吡咯烷酮替代传统的表面活性剂，提高了灵敏度，并减少了温度的影响。Morgan 等[79]开发了一种基于嵌入式微流控吸光池技术的全自动原位磷酸盐分析仪，采用比色吸光光度法，以添加聚乙烯吡咯烷酮的磷钼蓝法测定海水中的磷酸盐浓度。该设备检出限为15.2 nmol/L，定量限为50.8 nmol/L，具有高原位精度。该装置显示了潮汐周期的影响，并证实了传感器在观察纳摩尔变化的养分通量动态方面的可行性。

Beaton 等[80]研制了一种微流控芯片分析装置，用于自然水域中的硝酸盐和亚硝酸盐分析，检出限分别可低至0.025 μmol/L 和0.02 μmol/L。该装置适用于多种自然水域，高降雨期后，使用该装置跟踪了河口流量增加造成的硝酸盐-盐度关系变化；在西非近海的毛里塔尼亚氧气最低区底部水域，该装置成功地在深海环境中使用微流控芯片装置实现了硝酸盐和亚硝酸盐的监测（图3A），表明在较深海区域，其分析性能与传统的自动分析仪器相当[81]。此外，将其集成在水下自主航行器中，展现了微流控芯片系统能够在空间和时间尺度上以更高的分辨率准确捕获数据的能力[82]。2022 年，该研究组报道了基于微流控芯片的比色分析装置，实现了海洋表层到深海（>4800 m）的原位硝酸盐和磷酸盐监测[26]。

图3 （A）微流控芯片传感器与盐温深测量系统（CTD）和底栖生物探测器相连[81];（B）硅酸盐传感器模型及实物装置[83];（C）用于实时PCR 的微流控处理系统[84]：（a）用于微型PCR 热循环仪的环境样品处理器的微流控模块，（b）微流控模块并入ESP 及其特定组件的示意图Fig.3 (A) The lab on a chip (LOC) sensor as attached to the conductive-temperature-depth (CTD) rosette and the benthic lander[81];(B) Silicate sensor model and real product[83];(C) Microfluidic system for real-time polymerase chain reaction(PCR):(a)microfluidic system for an environmental sample processor(ESP)with the miniature PCR thermal cycler[84],(b) schematic of microfluidic system incorporated into the ESP and specific components

Cao 等[83]提出了新一代微流控连续流动硅酸盐传感器，用于海水中可溶性硅酸盐的原位测定（图3B）。其反应机理是硅酸盐与钼酸铵反应生成黄色硅钼酸配合物，再经抗坏血酸还原生成硅钼蓝。该传感器的检出限为45.1 nmol/L，分析周期约为5 min，具有精度高、集成度高、功耗低以及抗干扰能力强等优点，已成功应用于胶州湾海水中硅酸盐的测定。

3.4 海洋微生物

生物大分子的原位分子生物学分析常用于海洋微生物研究。结合微流控技术构建原位水下分子生物分析仪可实现对海洋微生物的原位检测。基于微流控的实时聚合酶链式反应（PCR）监测装置已有报道。微流控模块由全氟丙烯-共四氟乙烯管组成，温度控制部件由硅电阻加热器与带有发光二极管和固态检测器的光学器件组成（图3C）[84]。实时PCR 可通过硅电阻加热器在加热区中心的空气分段液滴中进行。这种微流控装置可对样品中提取的DNA 进行定量PCR 分析，并可重复连续测量，不会产生交叉污染。此外，Wang 等[85]开发了一种基于激光诱导的叶绿素荧光的自动微流控系统，用于实时检测压载水样品中的微藻类。该系统首次将自动高通量检测系统和梯度浓度芯片相结合，用于压载水中微生物的原位分析和处理。

4 结论与展望

本文以微流控芯片的材料和制作为出发点，从海洋环境分析和原位在线监测的角度评述了微流控技术在海洋分析监测中的应用研究进展。由于微流控芯片具有低消耗和小型化等优点，在海洋监测领域具有较好的发展潜力。目前，微流控芯片需要与更多的技术融合，提升其普遍适用性及产业化前景。在海洋监测领域，以微流控芯片为核心传感部件，更好地适应海洋监测原位持久性、海水高盐度复杂性、待测目标的低含量以及应用环境（深远海、极地）的恶劣性等一系列问题，是未来微流控芯片发展的主要方向。随着芯片平台分析方法以及流控设计需要的不断深入，将从原理上提升芯片平台的传感灵敏度、选择性和效率。此外，微流控芯片与智能化海洋平台的结合前景广阔，芯片可作为搭载部件，增强平台的功能性。例如已在全球部署的Argo 浮标，通过在河流、湖泊和海洋等各种水环境中构建时空密度较高的实时测量网络，阐明了全球环境变化动态，将人类活动对海洋的影响可视化[10]。其次，以海洋应用为模型，微流控技术还将应用于探索地外水环境。行星着陆器和探索机器人的有效载荷极为有限，因此机载化学和生化分析仪的小型化至关重要。美国宇航局艾姆斯研究中心开发了一种用于冰冻世界生命的微流控样品处理器，用于自主检测木卫二等冰盖卫星海洋中的生命迹象[10]。总之，微流控技术将在分析监测的核心应用领域发挥越来越重要的作用。