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中石化安工院首创：水体多参数快速定量检测设备

2020.11.09

　　中国石化青岛安全工程研究院孙冰团队报道了基于微流控技术研发的水体多参数快速检测系统。通过直径六厘米的微流控芯片搭配手持式数据读出设备或智能手机，可以一次定量检测多达五个参数，测试时间只有传统方法所需时间的1/6。相关研究成果近期作为封面文章发表在ACS Sensors 期刊上。

　　水体中多种污染物的现场同步快速定量检测一直是环保行业的难题，尤其是对于需要经过复杂化学反应才能获得的参数，往往需要繁冗的操作步骤，无法满足现场快速检测的需求。微流控技术的发展为这一问题提供了良好的解决方案。微流控芯片具有体积小、功能高度集成、传热传质彻底、试剂消耗量低等优点，是复杂程序自动化的理想平台。人们已经开发出基于微流控概念的无机阴离子、重金属、有机化合物等单一水体污染物传感器，但将其集成在同一芯片上并结合智能手机进行快速定量检测仍然是一项挑战。

　　近日，中国石化青岛安全工程研究院孙冰团队报道了基于微流控技术的水体多参数快速检测芯片。其直径仅六厘米，可以一次定量检测多达五个参数(COD、氨氮、磷酸盐、铬、镍)，且测试时间只有传统方法所需时间的1/6。文中还讨论了使用智能手机收集色度信号的可行性，并提供了一种数据分析方法，为在短时间内获得准确的水质信息提供了一种方便实用的方式。

　　大多数情况下，液体试剂能够进行更好的混合和流动控制，但并不是现场应用的最佳选择，这是因为多数液体试剂的保质期远低于固体试剂，且需要额外的储存和驱动设备。固体试剂稳定性好，但将其在芯片上使用时，如何在液体样品中进行快速彻底地溶解和混合就成为了必须要解决的问题。研究人员提出“流动-反应”机制，以流体流动引起的局部湍流促进固体试剂的溶解、混合和反应(图1a)，并系统考察了试剂预置位置、预置量、流体速度、温度等因素对反应效果的影响(图1b~e)，解决了固体在芯片上的预置问题。

　　图1. “流动-反应”过程示意图(a)及试剂预置位置(b)、预置量(c)、流体速度(d)、温度(e)的影响

　　在验证“流动-反应”机制的可行性后，作者使用设计的芯片分别对水中的五种目标物进行了光学信号定量测试。结果显示，通过芯片反应形成的溶液的吸光度与浓度均具有较好的线性关系。五种目标物的定量范围分别是镍2~10 mg/L，铬0.04~2 mg/L, COD 1~250 mg/L, 氨氮0.2~10 mg/L, 磷酸盐0.1~10 mg/L。作者还采用多参数芯片对河水和工业废水样品中的5个参数进行了定量分析，与传统方法比较误差均在15%以内(图2)。

　　图2. 采用两种方法对河水(a)和工业废水(b)进行检测的结果对比

　　文中研究了芯片反应后溶液的色度与目标物浓度之间的关系，并展示了利用智能手机拍照识别目标物浓度的可能性(图3)。此外，该课题组目前已经成功开发出与芯片配套使用的手持式信号检出设备(图4)，集芯片控制、数据收集、数据分析和数据传输功能为一体，设备尺寸仅221×115×76 mm，重量为1.2 kg，进一步提高了多参数水质检测系统的便携性。