微流控芯片技术在环境领域的应用和展望

2020/1/221微流控芯片技术在环境领域的应用和展望2020/1/222微流控技术的定义微流控技术MicrofluidicsSpringer出版社将微（纳）流控技术广义定义为：在微（纳）米尺度下的物质传递、动量传递、热传递，以及在传输中的反应过程的相关技术。FlowMap-MicrofluidicsRoadmapfortheLifeSciences一书中把微流控技术定义为：具备在纳升至亚纳升水平上操控流体，或具备利用流体与微结构之间相互作用所产生的特有效应的装置的加工技术和相关科学。互联网上百科全书Wikipedia中把微流控技术定义为：在微尺度和介观尺度上研究流体行为，以及相关系统的设计与应用的，由物理、化学、微加工与生物技术等学科组成的交叉领域。Microfluidic微流体MicrofluidicChip微流控芯片2020/1/223微流控芯片的发展历史1990年瑞士Giba-Geigy公司的Manz与Widmer提出微全分析系统，并对微全分析系统的微小和全面进行了论述1994年，美国橡树岭国家实验室Ramsey等改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了微流控芯片的实用性能2001年，LabonaChip（芯片实验室）杂志创刊，引领着世界范围微流控芯片研究的发展2004年，美国Business2.0杂志将芯片实验室列为改变未来的七大技术之一2009年，中国科学家在微流控芯片领域发表的论文数已居世界第二2020/1/224微流控芯片技术的特点效率高试剂消耗低高通量集成性能高微流控芯片的高效率既来源于微米级通道中的高传热传质速率，也直接来源于结构尺寸的縮小。很多生物领域和环境领域的样品量非常低，微流控芯片既降低了分析费用和贵重生物试样的消耗，减少了环境的污染，也为微量、痕量物质的高灵敏度检测提供了极大的空间。微流控芯片将独立并的多个行通道集成到一个单元操作系统内，可以并行处理多个样品。微流控芯片部件尺寸微小，为多个部件与功能集成在数平方厘米的芯片上提供了极大的可能性。2020/1/225微流控芯片常用材料晶体硅石英和玻璃2020/1/226高分子聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS聚碳酸酯PC聚甲基丙烯酸甲酯PMMA聚对苯二甲酸乙二醇酯PET2020/1/2272020/1/228微流控芯片技术在水环境污染的应用一用于水体中重金属检测的微流控芯片系统Greenwood和Greenway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的性质，成功地对硝酸钴进行了测定，检测最低限度为3×10-11mol/L。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。Alves-Segundo使用发光二极管和光电二极管，搭配低温共烧陶瓷，制造了一种基于光度检测的连续流动分析微芯片。2020/1/229Hossain和Brennan利用β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)在重金属离子的抑制下会失去活性的性质，配合其他的金属指示剂，开发出了一种可以用来检测多种重金属的纸芯片(如左图)，显示了良好的灵敏度。2020/1/2210二用于水体中营养盐测定芯片系统都柏林城市大学的McGraw等利用钼酸铵与磷酸盐反应产生特征黄色或黄绿色这一特点，研制了一种用于水体中磷酸盐监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［玻璃片/聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜/PDMS底片］，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NH4+反应、生成的氨气扩散分离、吸收、溴百里酚蓝显色和光度检测在微流控芯片上的集成化。2020/1/2211三用于水体中有机污染物分析芯片系统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。2020/1/2212四用于水体中微生物检测芯片系统流式细胞术原理的微流控芯片免疫分析原理的微流控芯片分子杂交原理的微流控芯片2020/1/2213微流控芯片技术的展望微全分析系统微流控芯片分析化学实验室微流控芯片仿真实验室微流控芯片分析化学实验室在其微型、可控的操作单元上对复杂的体系在系统层面上进行分析，使“个人实验室”成为了可能。微流控芯片仿真实验室是以材料实验室和细胞实验室为基础，在一个几平方厘米的芯片上模拟一个活体的行为，研究活体中整体与局部的关系，验证和发现生物学中奇特的流动行为。基础：微流体力学的基础研究2020/1/2214现有技术水平的微流控芯片不仅可以监测并分析水环境中诸多不同类别的污染物，比如重金属、营养盐、有机污染物，以及有害微生物等，还可以对微藻数量、ATP含量等进行定量的分析。上述指标都可以从不同角度反映出水环境的生态状况，为进一步的研究提供第一手的数据。因此，可以预计的是，微流控芯片将在不远的将来取代当前分析实验室中的很多设备，并进入生产现场、监测区域等成为主流的污染监测和生态分析工具，使便携式“个人实验室”成为现实。2020/1/2215