監(jiān)測(cè)水中鐵和銅離子的含量對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用都至關(guān)重要，因?yàn)檫@兩種金屬都會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生重大影響。世界衛(wèi)生組織（WHO）建議的飲用水中鐵離子含量上限為0.3 ppm，然而，有些地區(qū)的實(shí)際值可能高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。除了潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，鐵離子含量過(guò)高也會(huì)造成接觸器具的污染及損壞。此外，銅離子的濃度也可以達(dá)到幾個(gè)ppm，尤其是在銅制的冷熱水管道中。世界衛(wèi)生組織規(guī)定的銅離子的最高允許濃度為2 ppm。但是，如果水在管道中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)超過(guò)這一水平。與鐵相似，銅離子濃度過(guò)高也會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響（例如飲用水的苦味和鍋爐系統(tǒng)的腐蝕等），并增加健康風(fēng)險(xiǎn)。
另一方面，鐵離子和銅離子又都是重要的微量營(yíng)養(yǎng)元素，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中監(jiān)測(cè)它們的含量對(duì)于提高產(chǎn)量、避免施肥過(guò)量或不足至關(guān)重要。這在水培應(yīng)用（即無(wú)土栽培系統(tǒng)）中尤為重要，因?yàn)樗嘞到y(tǒng)的生長(zhǎng)速度更快，作物長(zhǎng)期暴露在營(yíng)養(yǎng)液中。營(yíng)養(yǎng)液中鐵離子的濃度通常在1到幾個(gè)ppm的范圍內(nèi)，而銅離子的濃度則大多低于0.1 ppm。不過(guò)，這在很大程度上受作物種類、作物生長(zhǎng)階段、系統(tǒng)的具體情況，甚至系統(tǒng)中取樣點(diǎn)位置的影響，因此需要定期監(jiān)測(cè)。金屬離子通常以螯合物的形式添加，以提高營(yíng)養(yǎng)液的穩(wěn)定性。此外，螯合劑的使用在許多其他應(yīng)用中也很常見(jiàn)，例如洗滌劑、造紙或食品工業(yè)，這也意味著這些化合物會(huì)隨后進(jìn)入自然環(huán)境。然而，由于螯合劑會(huì)干擾金屬與比色試劑之間形成的絡(luò)合物，從而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果誤差，大大增加了用簡(jiǎn)單分光光度法分析金屬離子的難度。
紙基微流控分析器件（μPADs）憑借其便攜性、低成本和易于操作而前景廣闊。如果與比色檢測(cè)相結(jié)合，μPADs使用起來(lái)也更加簡(jiǎn)單直觀。在信號(hào)讀取方面，還可以使用智能手機(jī)或掃描儀等簡(jiǎn)單易用且廣泛普及的設(shè)備。另外，完全無(wú)需儀器的信號(hào)讀取也已得到證實(shí)，不過(guò)，使用它們只能進(jìn)行半定量分析，而且讀取結(jié)果極易受到用戶主觀差異的影響。
盡管，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，μPADs有許多前景看好的演示，但仍未能投入實(shí)際應(yīng)用。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，愛(ài)沙尼亞塔爾圖大學(xué)（University of Tartu）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于多孔顆粒材料的新型毛細(xì)管效應(yīng)驅(qū)動(dòng)微流控技術(shù)。與μPADs類似，該技術(shù)采用被動(dòng)液體輸送，無(wú)需外部泵，同時(shí)保持了分析的簡(jiǎn)便性和低成本。這種基于顆粒的微流控技術(shù)（PBM）的優(yōu)勢(shì)在于，可以選擇使用不同大小、孔隙率以及表面化學(xué)性質(zhì)的顆粒，而不是用紙基材料來(lái)生產(chǎn)整個(gè)芯片或芯片的特定區(qū)域。這樣就能更好地控制材料流動(dòng)特性和分析功能，進(jìn)而開(kāi)發(fā)專門適用于所需分析物或工藝的器件。此外，與紙基材料相比，市售顆粒材料的選擇范圍更廣。最后，由于PBM芯片采用絲網(wǎng)印刷制成，其整個(gè)制造過(guò)程只有一個(gè)步驟，因此既適合快速原型開(kāi)發(fā)，又方便進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。
這項(xiàng)研究旨在第一次證明PBM能夠用于構(gòu)建一種既實(shí)用又簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，可用于分析實(shí)際水環(huán)境中的樣本。該研究成果已經(jīng)以“Real-World Implementation of Particle-Based Microfluidics: On-Spot Test for Iron and Copper Ions in Water”為題發(fā)表于ACS Omega期刊。具體來(lái)說(shuō)，該研究展示了一種用于定量分析水樣中溶解的總鐵和總銅的簡(jiǎn)單比色測(cè)試方法。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，該測(cè)試能在相關(guān)濃度水平（0.1-5 ppm）下測(cè)量真實(shí)樣本中的分析物，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）小于10%，并能在一小時(shí)內(nèi)完成整個(gè)分析過(guò)程。
為了實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，研究人員在PBM中加入了幾點(diǎn)創(chuàng)新。首先，他們使用了固定化比色絡(luò)合試劑，可以從大量樣品中濃縮分析離子，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度。其次，與類似的基于距離的μPADs相比，首次將兩種絡(luò)合物試劑依次放置。這提高了測(cè)試的選擇性，并能更有效地利用整個(gè)樣品。第三，研究人員采用顆粒材料代替紙張，省去了輔助試劑的需要（通常用其使底物和比色試劑的組合與分析相容）。綜合這些方面的創(chuàng)新，研究人員實(shí)現(xiàn)了一種具有高靈敏度和寬工作范圍的獨(dú)特檢測(cè)方法，非常適合實(shí)際應(yīng)用。
絲網(wǎng)印刷PBM芯片由一個(gè)主通道（12 mm寬）和兩個(gè)作為控制通道的窄側(cè)通道（2.5 mm寬）組成。主通道的頂部還連接著四張疊放在一起的紙墊（Whatman CF4紙，尺寸為2.5 mm x 2.4 mm），以使所有樣品都能流過(guò)測(cè)試。樣品添加區(qū)位于芯片底端三個(gè)通道的連接處。
PBM芯片設(shè)計(jì)和組件。（a）設(shè)計(jì)和印刷芯片上的不同區(qū)域。BP區(qū)域用紅色斜線表示，BC區(qū)域用黃色豎線表示。樣品添加區(qū)域用藍(lán)色圓圈表示，對(duì)照溶液區(qū)域用綠色橢圓表示。（b）裝配測(cè)試剖視圖，組件：（1）用于添加樣品的離心管；（2）帶螺紋插件的3D打印蓋；（3）疊放的紙質(zhì)吸附墊；（4）顯微鏡載玻片上的絲網(wǎng)印刷芯片。
采用所開(kāi)發(fā)PBM芯片檢測(cè)（a）鐵和（b）銅的校準(zhǔn)曲線
總結(jié)來(lái)說(shuō)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于多孔顆粒材料的微流控檢測(cè)方法，可用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量水樣中溶解的鐵離子和銅離子含量。測(cè)量這兩種分析物的工作范圍為0.05～5 ppm，銅離子的檢測(cè)限（LoD）為38 ppb，鐵離子為10 ppb。該測(cè)試方法簡(jiǎn)單（包括樣品預(yù)處理階段）、可現(xiàn)場(chǎng)操作，僅需一臺(tái)輕便的便攜式掃描儀進(jìn)行定量。這些功能和優(yōu)勢(shì)使該檢測(cè)方法成為實(shí)際環(huán)境中定量監(jiān)測(cè)金屬含量的理想選擇。此外，研究人員還研究了不同螯合劑的影響，并通過(guò)向樣品中添加鋁離子的新方案，證明了在水培營(yíng)養(yǎng)液中定量鐵離子和銅離子的可能性。
最后，該檢測(cè)方法中使用的所有化學(xué)品和材料都是經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的，使用后，主要測(cè)試組件（玻璃基板、塑料蓋）都可重復(fù)使用，其余組件還可以回收。因此，這項(xiàng)研究可以說(shuō)實(shí)現(xiàn)了業(yè)界長(zhǎng)期努力但仍未實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，即開(kāi)發(fā)一種功能完整、可大規(guī)模量產(chǎn)且適合普通消費(fèi)者使用的微流控分析器件。
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https://doi.org/10.1021/acsomega.4c10152
