據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，重金屬（如鉻、鉛、汞、砷和鎘等）由于其在各種生態(tài)系統(tǒng)中的毒性及持久性，備受環(huán)境科學(xué)界的關(guān)注。這些重金屬可在植物和動(dòng)物體內(nèi)生物積累，使整個(gè)食物鏈面臨重大的健康風(fēng)險(xiǎn)。

因此，有效檢測(cè)水、土壤和空氣中重金屬的方法對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)和污染控制至關(guān)重要。本文討論了微流控作為提高重金屬檢測(cè)與分析的可靠技術(shù)，所起到的重要作用。

微流控技術(shù)的基礎(chǔ)原理

微流控是指在芯片上蝕刻的微通道內(nèi)形成一個(gè)能夠執(zhí)行復(fù)雜分析任務(wù)的微型實(shí)驗(yàn)室，在亞毫米尺度上操縱和控制流體。

微流控裝置的多個(gè)優(yōu)勢(shì)使其成為重金屬精確分析和環(huán)境監(jiān)測(cè)的理想選擇。微流控裝置明顯比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室裝置更小、更輕便，便于攜帶和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析。它們還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化樣品制備、操控和檢測(cè)，以減少人力投入。

此外，微流控裝置將樣品預(yù)處理、分離和檢測(cè)等多個(gè)分析步驟集成到單顆芯片上，形成了一個(gè)完整的微流控分析系統(tǒng)。

微流控技術(shù)在重金屬分析中的應(yīng)用

微流控裝置可用于精確、實(shí)時(shí)分析各種環(huán)境樣品（例如水、土壤和工業(yè)廢水等）中的重金屬。

例如，對(duì)土壤樣品中的重金屬進(jìn)行分析時(shí)，傳統(tǒng)的方法需要將土壤樣品提取到液體介質(zhì)中才能進(jìn)行下一步分析。而微流控裝置可以通過集成用于樣品提取、混合和分離的微通道來使這一過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這實(shí)現(xiàn)了土壤現(xiàn)場(chǎng)分析，而無需復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室裝置。

類似地，微流控裝置可以通過與在線傳感器集成來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廢水流，該在線傳感器可以連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)廢水中的金屬濃度，如果污染水平超過設(shè)定限度，可立即進(jìn)行干預(yù)。

微流控芯片也可以用于檢測(cè)水樣品中的特定重金屬。例如，在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員介紹了一款利用低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)檢測(cè)水中金屬離子的無線微流控傳感器。

該無線微流控傳感器在低溫共燒陶瓷基板上中集成了微通道，具備平面螺旋電感和平行板電容器，能夠有效識(shí)別和測(cè)量0~100毫摩爾范圍內(nèi)的多種金屬離子的濃度，包括硝酸鉛（Pb(NO?)?）、硝酸鎘（Cd(NO?)?）等。

該無線微流控傳感器可檢測(cè)濃度低至5微摩爾的金屬離子，與傳統(tǒng)的液體微流控傳感器相比，該傳感器具有更高的靈敏度，同時(shí)凸顯出基于低溫共燒陶瓷的微流控傳感器在高效便攜式工業(yè)廢水中分析重金屬離子的潛力。

便攜式水質(zhì)檢測(cè)微流控裝置

在2018年的一項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種使用化學(xué)圖案微流控紙基分析裝置（C-μPAD），實(shí)現(xiàn)快速、靈敏和多重檢測(cè)重金屬的新方法。

C-μPAD裝置通過縮合反應(yīng)將胺、羧基和硫醇基固定在色譜紙上，并與特定的顯色試劑偶聯(lián)，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)鎳、鉻和汞離子。

該方法的檢測(cè)限非常低：鎳（Ni(II)）為0.24 ppm，鉻（Cr(VI)）為0.18 ppm，汞（Hg(II)）為0.19 ppm。與此前的方法相比，該方法在均勻性和靈敏度方面有了顯著的改善，特別是在資源有限的情況下，使其成為現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)用和便攜式解決方案。

相較于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室重金屬分析技術(shù)（例如電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）或原子吸收光譜分析（ASS））通常要用到笨重的儀器和大量的試劑，并且整個(gè)程序非常耗時(shí)。與這些方法相比，微流控技術(shù)有幾個(gè)突出優(yōu)勢(shì)：成本更低、出結(jié)果更快、所需試劑量少且便攜。

隨著規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，微流控芯片（例如微流控紙基分析裝置（μPAD））制造成本更加低廉。這使它們成為昂貴的實(shí)驗(yàn)室裝置經(jīng)濟(jì)有效的替代品。微流控芯片所需的樣品和試劑量都更小，最大限度地減少了廢物的產(chǎn)生，降低了試劑的采購和處理成本。

微流控芯片中的微通道使其結(jié)構(gòu)緊湊、輕便且易于攜帶，還可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室重金屬檢測(cè)技術(shù)出結(jié)果更快、實(shí)時(shí)性更高。

未來的方向與挑戰(zhàn)

盡管微流控裝置研究取得了重大進(jìn)展，但仍存在一些挑戰(zhàn)。集成所有必要的組件（例如電氣連接、檢測(cè)單元和微流控通道）是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。

微流控裝置可以與生物傳感器集成，利用特定的生物分子進(jìn)行重金屬的選擇性檢測(cè)，提高靈敏度并提供有關(guān)其生物利用度的實(shí)時(shí)信息。

同樣地，由于重金屬可以不同的化學(xué)形式存在，每種形式都具有不同的毒性水平，因此可以將分離和識(shí)別金屬種類的技術(shù)運(yùn)用到微流控裝置中。

提高微流控裝置的性能和檢測(cè)可重復(fù)性，以及對(duì)其進(jìn)行廣泛的工業(yè)應(yīng)用評(píng)估，是實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化的重要?dú)v程。除了技術(shù)進(jìn)步之外，開發(fā)協(xié)作框架對(duì)于有效改進(jìn)這些不足也是至關(guān)重要的。