中石化安工院首創：水體多參數快速定量檢測設備

　　中國石化青島安全工程研究院孫冰團隊報道了基于微流控技術研發的水體多參數快速檢測系統。通過直徑六厘米的微流控芯片搭配手持式數據讀出設備或智能手機，可以一次定量檢測多達五個參數，測試時間只有傳統方法所需時間的1/6。相關研究成果近期作為封面文章發表在ACS Sensors 期刊上。

　　水體中多種污染物的現場同步快速定量檢測一直是環保行業的難題，尤其是對于需要經過復雜化學反應才能獲得的參數，往往需要繁冗的操作步驟，無法滿足現場快速檢測的需求。微流控技術的發展為這一問題提供了良好的解決方案。微流控芯片具有體積小、功能高度集成、傳熱傳質徹底、試劑消耗量低等優點，是復雜程序自動化的理想平臺。人們已經開發出基于微流控概念的無機陰離子、重金屬、有機化合物等單一水體污染物傳感器，但將其集成在同一芯片上并結合智能手機進行快速定量檢測仍然是一項挑戰。

　　近日，中國石化青島安全工程研究院孫冰團隊報道了基于微流控技術的水體多參數快速檢測芯片。其直徑僅六厘米，可以一次定量檢測多達五個參數(COD、氨氮、磷酸鹽、鉻、鎳)，且測試時間只有傳統方法所需時間的1/6。文中還討論了使用智能手機收集色度信號的可行性，并提供了一種數據分析方法，為在短時間內獲得準確的水質信息提供了一種方便實用的方式。

　　大多數情況下，液體試劑能夠進行更好的混合和流動控制，但并不是現場應用的最佳選擇，這是因為多數液體試劑的保質期遠低于固體試劑，且需要額外的儲存和驅動設備。固體試劑穩定性好，但將其在芯片上使用時，如何在液體樣品中進行快速徹底地溶解和混合就成為了必須要解決的問題。研究人員提出“流動-反應”機制，以流體流動引起的局部湍流促進固體試劑的溶解、混合和反應(圖1a)，并系統考察了試劑預置位置、預置量、流體速度、溫度等因素對反應效果的影響(圖1b~e)，解決了固體在芯片上的預置問題。

　　圖1. “流動-反應”過程示意圖(a)及試劑預置位置(b)、預置量(c)、流體速度(d)、溫度(e)的影響

　　在驗證“流動-反應”機制的可行性后，作者使用設計的芯片分別對水中的五種目標物進行了光學信號定量測試。結果顯示，通過芯片反應形成的溶液的吸光度與濃度均具有較好的線性關系。五種目標物的定量范圍分別是鎳2~10 mg/L，鉻0.04~2 mg/L, COD 1~250 mg/L, 氨氮0.2~10 mg/L, 磷酸鹽0.1~10 mg/L。作者還采用多參數芯片對河水和工業廢水樣品中的5個參數進行了定量分析，與傳統方法比較誤差均在15%以內(圖2)。

　　圖2. 采用兩種方法對河水(a)和工業廢水(b)進行檢測的結果對比

　　文中研究了芯片反應后溶液的色度與目標物濃度之間的關系，并展示了利用智能手機拍照識別目標物濃度的可能性(圖3)。此外，該課題組目前已經成功開發出與芯片配套使用的手持式信號檢出設備(圖4)，集芯片控制、數據收集、數據分析和數據傳輸功能為一體，設備尺寸僅221×115×76 mm，重量為1.2 kg，進一步提高了多參數水質檢測系統的便攜性。

　　圖3. 利用智能手機定量檢測的流程示意圖及不同參數的定量結果

　　圖4. 手持式信號檢出設備