徐榕 楊葉欣 林敏 李曉東 馮愛玲

摘?要?硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮 （簡(jiǎn)稱“三氮”） 是水體中的主要污染物，目前我國(guó)的地表水和淺層地下水中普遍存在三氮污染問題。本研究將顯色法與紙基微流控技術(shù)結(jié)合，制備了單通道紙基微流控芯片，在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，分別對(duì)3種含氮化合物進(jìn)行檢測(cè)，亞硝酸鹽、硝酸鹽和氨氮的檢出限分別為0.001 mmol/L、 1 mmol/L和1 mg/L; 在實(shí)際樣本的檢測(cè)中，3種樣本的加標(biāo)回收率均在95.4%～114.9%之內(nèi)。其次，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將分別用于3種含氮化合物檢測(cè)的單通道紙基微流控芯片集成于一體，制備出用于三氮同時(shí)檢測(cè)的多通道紙基微流控芯片，多通道紙基微流控芯片的檢測(cè)結(jié)果與單通道紙基微流控芯片的檢測(cè)結(jié)果具有良好的一致性。本研究提出的基于顯色法的多通道紙基微流控芯片可對(duì)水中的三氮進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，并且，此芯片具有成本低廉、靈敏度高和便于操作等特點(diǎn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，有望在資源匱乏的水源污染地區(qū)推廣。

關(guān)鍵詞?顯色法; 三氮檢測(cè); 紙基微流控

1?引 言

水質(zhì)安全與人類的生命健康息息相關(guān)，污染水的攝入會(huì)引發(fā)各類疾病，甚至導(dǎo)致死亡[1，2]。水體中的硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮 （簡(jiǎn)稱“三氮”） 作為主要的無機(jī)非金屬含氮污染化合物，是水質(zhì)安全檢測(cè)的重要指標(biāo)之一。通過對(duì)水體中三氮含量的檢測(cè)，可有效監(jiān)測(cè)水質(zhì)安全，防止污染水的攝入，并能夠準(zhǔn)確判斷水體污染的特征，采取及時(shí)有效的治理措施。目前，三氮的檢測(cè)方法主要有分光光度法[3]、光譜法[4]和電化學(xué)法[5]。分光光度法是一種較為精確的水質(zhì)檢測(cè)方法，但該方法對(duì)儀器的要求通常較高，并且所用的檢測(cè)試劑苯酚含有劇毒。光譜法檢測(cè)水質(zhì)安全時(shí)常需要復(fù)雜的樣本預(yù)處理過程，以及專業(yè)的操作人員。電化學(xué)法操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快，適用于水質(zhì)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是，當(dāng)水體成分復(fù)雜時(shí)，電極易受到其它離子的干擾，造成檢測(cè)不穩(wěn)定和檢出限高等問題?；瘜W(xué)顯色法通過顯色劑顏色的變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行直觀快速的判斷，具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)等特點(diǎn)[6]。目前，化學(xué)顯色法已廣泛應(yīng)用于水體中含氮污染物的檢測(cè)。如Cho等[7]提出以多孔濾紙為載體的檢測(cè)策略，無需借助專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室儀器，僅通過改進(jìn)的Berthelot反應(yīng)即可對(duì)水樣中的氨氮含量進(jìn)行比色檢測(cè)，檢測(cè)范圍在10～1020 mg/L之間，但該方法僅實(shí)現(xiàn)了水樣中氨氮的檢測(cè)，無法對(duì)三氮進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)。發(fā)展便攜式的多目標(biāo)物同時(shí)檢測(cè)的裝置可有效解決現(xiàn)存水質(zhì)中三氮檢測(cè)方案的缺陷，有利于偏遠(yuǎn)地區(qū)和野外的水質(zhì)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

紙基微流控分析器件 （Microfluidic paper-based analytical devices，μPADs） 是一種以紙為基體材料的微流控裝置，因其成本低廉、質(zhì)量輕巧、修飾簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，成為近年檢測(cè)分析的研究熱點(diǎn)和有力手段[8，9]。通過結(jié)合不同的疏水試劑和圖案化工具，紙基微流控分析器件可通過構(gòu)建多樣化的通道實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)物檢測(cè)[10]。Jayawardane等[11]以紙基微流控芯片為檢測(cè)平臺(tái)，利用顯色劑與目標(biāo)物之間的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硝酸鹽和亞硝酸鹽的同時(shí)檢測(cè)。但是，該檢測(cè)平臺(tái)僅可對(duì)兩種含氮化合物進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，并且使用的紙基芯片需借助噴蠟打印機(jī)制備親疏水通道，操作過程繁瑣。目前，利用紙基微流控芯片對(duì)水體中三氮進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。

本研究設(shè)計(jì)了一種基于顯色反應(yīng)的紙基微流控芯片，用于對(duì)水體中三氮的同時(shí)檢測(cè)。首先利用單一通道的紙基微流控芯片分別驗(yàn)證每種含氮化合物的檢測(cè)方案，并對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化; 其次，通過將3種單通道紙基微流控芯片的加樣區(qū)進(jìn)行集成，制備出多通道紙基微流控芯片，用于三氮同時(shí)檢測(cè)。在本研究中，硝酸鹽和亞硝酸鹽的檢測(cè)利用Griess試劑的偶氮反應(yīng)，通過在相應(yīng)的檢測(cè)區(qū)產(chǎn)生洋紅色的顏色變化判斷檢測(cè)結(jié)果; 通過Berthlot顯色試劑與底物相互作用生成藍(lán)綠色絡(luò)合物反映氨氮的檢測(cè)結(jié)果。結(jié)合顯色反應(yīng)與紙基微流控芯片的優(yōu)勢(shì)，本研究可對(duì)實(shí)際水樣中的亞硝酸鹽、硝酸鹽和氨氮進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，檢出限分別為0.001 mmol/L、1 mmol/L和1 mg/L，滿足國(guó)標(biāo)[12]對(duì)于飲用水中三氮檢測(cè)的要求。

2?實(shí)驗(yàn)部分

2.1?儀器與試劑

VLS2.30激光切割機(jī)（美國(guó)Universal公司）; DPX-9082B電熱恒溫培養(yǎng)箱（上海南榮實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）; DZ-1BC II真空干燥箱（上海飛越實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司） ; PVC背膠板（上海捷寧生物科技有限公司）; 高速定量濾紙（上海捷寧生物科技有限公司）; 打孔器和濾網(wǎng)篩（0.15 mm孔徑）。

磺胺（純度>99.5%）、檸檬酸（純度>99.5%）、H2SO4（分析純）、鋅粉（分析純）、LiOH（分析純）、NaNO2（純度99.9%）、NaNO3（純度99.9%）、NH4Cl（純度99.5%）、蔗糖（分析純）、無水乙醇（分析純）、無水乙醚（分析純）均購(gòu)于天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑公司; N-1萘基乙二胺鹽酸鹽（純度>98%）、水楊酸鈉（分析純）、硝普鈉（純度99.98%）、二氯異氰尿酸鈉（純度98%）、甲基纖維素（純度BR）均購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司; 實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水（18.2 MΩ·cm，IQ 7003Milli-Q 純水儀（美國(guó) Millipore 公司） 制備）。

2.2?實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1?單通道紙基微流控芯片的構(gòu)建?紙基微流控芯片主要由PVC背膠板、加樣區(qū)、流道和檢測(cè)區(qū)組成，加樣區(qū)、流道和檢測(cè)區(qū)均由高速定量濾紙構(gòu)建。其中，亞硝酸鹽通道和硝酸鹽通道的構(gòu)建方法： 使用CoreDraw軟件繪制出加樣區(qū)、流道和檢測(cè)區(qū)的輪廓，再使用激光切割機(jī)對(duì)每一部分進(jìn)行切割，以PVC背膠板為支撐基底將加樣區(qū)、流道和檢測(cè)區(qū)進(jìn)行組裝，得到單一通道的紙基微流控芯片。氨氮通道的構(gòu)建方法： 首先使用濾網(wǎng)篩將所用試劑均勻分布在濾紙上，再使用乙醇潤(rùn)濕，室溫放置30 min后，將其剪裁成直徑為5 mm的顯色區(qū)，同樣以PVC背膠板為基底，依次將加樣區(qū)、流道和檢測(cè)區(qū)進(jìn)行組裝，其中檢測(cè)區(qū)和流道之間有2 mm的重疊。

2.2.2?亞硝酸鹽的單通道紙基微流控檢測(cè)方法?亞硝酸鹽中NO2的檢測(cè)過程： 首先，在組裝完成的單通道微流控芯片的檢測(cè)區(qū)滴加1 μL 2% HCl 溶液，室溫放置10 min; 然后，在檢測(cè)區(qū)內(nèi)滴加0.8 μL Griess試劑，將芯片置于60℃真空干燥箱中干燥15 min; 將10 μL樣品梯度液滴加在單通道紙基微流控芯片的檢測(cè)區(qū)，室溫放置3 min后，將芯片置于內(nèi)置固定光源的暗箱中，使用CCD相機(jī)對(duì)芯片的檢測(cè)區(qū)進(jìn)行顯色結(jié)果的拍攝。其中，Griess試劑的配制方法參照文獻(xiàn)[13]，試劑配比為：檸檬酸鈉330 mmol/L，磺胺 30 mmol/L 和1-2萘乙二胺鹽酸鹽 10 mmol/L，溶劑為超純水。本實(shí)驗(yàn)中梯度液的NO2來源于NaNO2，首先使用超純水配制10 mol/L NaNO2母液，再將其按照10∶1的比例稀釋為10、1、0.1、0.01和0.001 mmol/L的濃度梯度樣本溶液。

對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行檢測(cè)和加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先使用單通道紙基微流控芯片對(duì)隨機(jī)選取的湖水樣進(jìn)行初始濃度的測(cè)量，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)加入實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)水平分別為0.025、0.05和0.1 mmol/L，在單通道芯片的加樣區(qū)滴加每種濃度的梯度加標(biāo)溶液10 μL，室溫放置3 min后，使用CCD相機(jī)對(duì)芯片的檢測(cè)區(qū)進(jìn)行顯色結(jié)果的拍攝，每個(gè)加標(biāo)水平重復(fù)檢測(cè)3次。

顯色結(jié)果使用Image J軟件進(jìn)行分析：將檢測(cè)結(jié)果照片導(dǎo)入到軟件中，使用軟件對(duì)圖片進(jìn)行分通道，處理選取綠色通道（檢測(cè)結(jié)果的顏色變化在綠色通道中最為明顯），選中顯色區(qū)域，進(jìn)行平均灰度值計(jì)算，將目標(biāo)物濃度與檢測(cè)結(jié)果的灰度值相對(duì)應(yīng)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.2.3?硝酸鹽的單通道紙基微流控檢測(cè)方法?金屬鋅可將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，在進(jìn)行硝酸鹽檢測(cè)時(shí)，首先使用鋅粉將其還原為亞硝酸鹽，再采用2.2.2節(jié)的方法進(jìn)行檢測(cè)。鋅粉還原硝酸鹽分為兩步： 第一步需要對(duì)鋅粉進(jìn)行活化，將3 mL 2% （w/V） HCl 與1.2 g 鋅粉混合攪拌1 min，分別使用超純水洗滌3次，無水乙醇洗滌2次，無水乙醚洗滌1次，洗滌完成之后的鋅粉置于37℃烘箱中徹底干燥后，于真空干燥箱進(jìn)行保存; 第二步將活化后的鋅粉用于還原硝酸鹽，在制備完成的單通道紙基微流控芯片的檢測(cè)區(qū)上滴加1 μL 2% （w/V） HCl，室溫放置10 min，然后在檢測(cè)區(qū)內(nèi)滴加0.8 μL Griess試劑，并在60℃真空干燥箱中干燥15 min，稱取0.1 g活化后的鋅粉溶于500 μL蔗糖溶液中 （飽和度為50%） 配制鋅粉蔗糖溶液，混勻后靜置，直至鋅粉完全沉淀，再使用移液槍吸取鋅粉蔗糖溶液的沉淀物在單通道芯片的流道上劃線2次 （1 μL/次），室溫放置15 min后，將樣本梯度濃度液和梯度加標(biāo)溶液滴加在檢測(cè)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)樣本的NO3來自于NaNO3，稱取101.1 mg NaNO3溶于10 mL超純水中，然后將其稀釋為1000、500、100、50、10和5 mmol/L的濃度梯度樣本溶液，在單通道芯片的加樣區(qū)滴加每種梯度加標(biāo)溶液10 μL，每個(gè)加標(biāo)溶液重復(fù)檢測(cè)3次，室溫放置3 min后，使用CCD相機(jī)對(duì)芯片的檢測(cè)區(qū)進(jìn)行顯色結(jié)果的拍攝。

在對(duì)實(shí)際樣本進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先使用單通道微流控芯片對(duì)隨機(jī)選取的湖水樣本中的硝酸鹽進(jìn)行初始濃度的測(cè)定，然后進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，實(shí)際樣本的梯度加標(biāo)溶液的檢測(cè)和檢測(cè)結(jié)果分析同2.2.2節(jié)。

2.2.4?氨氮的單通道紙基微流控檢測(cè)方法?氨氮的單通道紙基微流控檢測(cè)分為兩步： （1）加入顯色劑。 稱取甲基纖維素38.2 mg、蔗糖60 mg、水楊酸鈉38.2 mg、二氯異氰尿酸鈉15.2 mg、LiOH 7.6 mg和硝普鈉20 mg于瑪瑙研缽中混合，研磨均勻，使用孔徑為0.15 mm的濾網(wǎng)篩將粉末均勻分散在乙醇潤(rùn)濕的高速定量濾紙上，在濾紙表面均勻噴灑乙醇，直至粉末完全濕潤(rùn)，室溫放置30 min后，將其剪裁成5 mm的檢測(cè)區(qū); （2）將加樣區(qū)、流道和檢測(cè)區(qū)組裝后用于樣本檢測(cè)，組裝時(shí)檢測(cè)區(qū)與流道之間有2 mm重疊。

用于氨氮檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)樣品由NH4Cl配制，將NH4Cl試劑置于105℃烘箱中干燥2 h后，配制成氨氮濃度為1 mg/mL的母液，再稀釋為50、20、10、5和1 mg/L的梯度濃度樣本溶液，在單通道芯片的加樣區(qū)滴加每種濃度的加標(biāo)溶液20 μL，重復(fù)檢測(cè)3次，室溫放置15 min后，使用CCD相機(jī)對(duì)芯片的檢測(cè)區(qū)進(jìn)行顯色結(jié)果的拍攝。

在對(duì)實(shí)際樣本進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，用單通道芯片對(duì)隨機(jī)選取的湖水樣本進(jìn)行初始濃度測(cè)量，然后取3份樣品，分別加入干燥處理后的NH4Cl，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)添加實(shí)驗(yàn)，實(shí)際樣本梯度加標(biāo)溶液的檢測(cè)和檢測(cè)結(jié)果分析同2.2.2節(jié)。

2.2.5?多通道紙基微流控芯片的構(gòu)建及三氮同時(shí)檢測(cè)?多通道紙基微流控芯片的構(gòu)建是通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將3個(gè)單通道紙基微流控芯片進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)三氮同時(shí)檢測(cè)。多通道紙基微流控芯片主要由1個(gè)PVC基底、3條流道、3個(gè)檢測(cè)區(qū)和1個(gè)加樣區(qū)構(gòu)成，首先使用激光切割機(jī)將PVC背膠板切割成直徑為4 cm的圓形基底，再在圓形基底上切割出裝配通道，然后將高速定量濾紙分別切割成加樣區(qū)、流道和檢測(cè)區(qū)，分別使用單通道紙基微流控芯片中檢測(cè)區(qū)的處理方法，對(duì)多通道紙基微流控芯片的3個(gè)檢測(cè)區(qū)進(jìn)行處理。處理完成之后，將圓形基底上裝配通道的膠面撕下，依次將流道、檢測(cè)區(qū)和加樣區(qū)進(jìn)行粘貼，其中，檢測(cè)區(qū)和加樣區(qū)分別與流道有2 mm的重疊，粘貼完成之后即可形成多通道紙基微流控芯片。

將多通道紙基微流控芯片用于三氮同時(shí)檢測(cè)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)液為包含亞硝酸鹽、硝酸鹽和NH4Cl的梯度混合液，其中梯度混合液中亞硝酸鹽、硝酸鹽和氨氮的濃度梯度分別與單通道紙基微流控芯片中的樣本梯度濃度液相同。在使用多通道紙基微流控芯片檢測(cè)梯度混合液時(shí)，取每種濃度的梯度混合液40 μL滴加在加樣區(qū)，室溫放置3 min后，使用CCD相機(jī)對(duì)亞硝酸鹽和硝酸鹽的檢測(cè)區(qū)進(jìn)行拍照; 15 min后，對(duì)氨氮的檢測(cè)區(qū)進(jìn)行拍照，顯色照片的處理方法同2.2.2節(jié)。

3?結(jié)果與討論

3.1?檢測(cè)原理

用于水中三氮檢測(cè)的紙基微流控芯片包含3個(gè)檢測(cè)區(qū)、3條流道和1個(gè)加樣區(qū)，3個(gè)檢測(cè)區(qū)分別用于硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮的檢測(cè)。亞硝酸鹽的檢測(cè)是通過NO2與對(duì)氨基苯磺酸重氮化后，再與1，2萘乙基鹽酸鹽耦合，在檢測(cè)區(qū)形成紫紅色染料，通過檢測(cè)區(qū)顏色強(qiáng)度的變化判斷亞硝酸鹽的含量，此方法參照國(guó)標(biāo)亞硝酸鹽檢測(cè)法[15]; 在使用微流控芯片檢測(cè)硝酸鹽時(shí)，首先用鋅粉將其還原成亞硝酸鹽，再用上述方法檢測(cè); 氨氮檢測(cè)是在苯酚存在下，利用NH+4與HClO形成藍(lán)綠色絡(luò)合物進(jìn)行顯色[14]。檢測(cè)區(qū)的顏色深度與目標(biāo)物的濃度呈正相關(guān)，檢測(cè)區(qū)顏色越深，目標(biāo)物濃度越高。通過Image J軟件分析檢測(cè)區(qū)域圖片的灰度值，與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)3種目標(biāo)物的定量檢測(cè)。

3.2?亞硝酸鹽單通道檢測(cè)結(jié)果與反應(yīng)條件優(yōu)化

亞硝酸鹽濃度的檢測(cè)范圍和線性標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1A和1B所示，檢測(cè)范圍為0.001～10 mmol/L，在0.001～1 mmol/L之間呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為y=90.89x+72.4 （R2=0.98），檢出限為0.001 mmol/L。與Zheng等[16]使用水溶性銅納米簇檢測(cè)亞硝酸鹽的方法相比，本方法避免了復(fù)雜的納米材料制備過程，僅通過化學(xué)試劑相互作用產(chǎn)生的顏色變化便可觀察顯色結(jié)果。

在亞硝酸鹽檢測(cè)中，顯色劑在濕潤(rùn)條件下可能會(huì)與空氣中的某些物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果。對(duì)顯色劑開始產(chǎn)生氧化的時(shí)間進(jìn)行判斷，進(jìn)而推斷檢測(cè)時(shí)目標(biāo)物的最佳反應(yīng)時(shí)間。 以不含顯色劑的空白檢測(cè)區(qū)作為參照，分別在空白檢測(cè)區(qū)和含有顯色劑的檢測(cè)區(qū)滴加等體積的水，以20 s的時(shí)間間隔，使用CCD相機(jī)記錄檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果如圖1C所示，在0～3 min內(nèi)，空白顯色區(qū)和含有顯色劑的檢測(cè)區(qū)灰度值相近，此時(shí)未發(fā)生氧化; 在3～6 min內(nèi)，檢測(cè)區(qū)被完全浸透，與空白顯色區(qū)相比，含有顯色劑的檢測(cè)區(qū)灰度值較高，表明顯色劑開始氧化; 6 min后，樣本液體逐漸蒸發(fā)，含有顯色劑的顯色區(qū)灰度值明顯高于參照組。因此，檢測(cè)亞硝酸鹽時(shí)反應(yīng)時(shí)間控制在3 min，此時(shí)顯色劑未發(fā)生氧化，顯色效果達(dá)到最優(yōu)。

3.3?硝酸鹽單通道檢測(cè)結(jié)果與反應(yīng)條件優(yōu)化

硝酸鹽濃度的檢測(cè)范圍和線性標(biāo)準(zhǔn)曲線分別如圖2A和2B所示，檢測(cè)范圍為1～300 mmol/L，線性檢測(cè)范圍為1～210 mmol/L，線性方程為y=0.5377x + 69.04 （R2=0.99），檢出限為1 mmol/L。

在硝酸鹽檢測(cè)方案中，鋅粉對(duì)硝酸鹽的還原情況是影響檢測(cè)結(jié)果的主要因素。對(duì)紙基微流控芯片中活化后鋅粉的加入量進(jìn)行了考察，分別在單通道紙基微流控芯片的流道上滴加1、2、3次鋅粉溶液，每次滴加的量為1 μL，芯片的顯色結(jié)果如圖2C所示，滴加兩次鋅粉時(shí)，顯色強(qiáng)度達(dá)到最佳; 繼續(xù)增加鋅粉的量后，可能會(huì)導(dǎo)致樣品損失，使達(dá)到檢測(cè)區(qū)的樣本量減少，影響顯色結(jié)果。本研究選擇鋅粉加入量為2 μL，每次滴加1 μL于流道上。

3.4?氨氮單通道檢測(cè)結(jié)果與反應(yīng)條件優(yōu)化

氨氮濃度的檢測(cè)范圍和線性標(biāo)準(zhǔn)曲線分別如圖3A和3B所示，檢測(cè)范圍為1～50 mg/L，在1～20 mg/L 之間呈良好的線性關(guān)系，線性標(biāo)準(zhǔn)方程 y=15.3x+ 68.72 （R2=0.96），檢出限為1 mg/L。在氨氮檢測(cè)中，催化劑硝普鈉的含量對(duì)顯色強(qiáng)度有直接影響。在其它試劑保持不變的情況下，考察了硝普鈉的含量為8、12、16、20和24 mg的影響，檢測(cè)結(jié)果如圖3C所示，當(dāng)硝普鈉的含量為20 mg時(shí)，顯色強(qiáng)度達(dá)到最佳。

3.5?多通道紙基微流控芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

紙基微流控芯片可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在同一檢測(cè)平臺(tái)上多種目標(biāo)物的同時(shí)檢測(cè)。本研究在構(gòu)建了檢測(cè)亞硝酸鹽、硝酸鹽及氨氮的單通道紙基芯片的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將3種單通道紙基微流控芯片集成，制成用于同時(shí)檢測(cè)三氮化合物的多通道紙基微流控芯片，多通道紙基微流控芯片的初始流道寬度及檢測(cè)區(qū)面積和單通道紙基微流控芯片一致。但是，由于亞硝酸鹽和硝酸鹽的檢測(cè)體系所需樣本體積小于氨氮檢測(cè)所需的樣本體積，故對(duì)氨氮流道的尺寸進(jìn)行調(diào)整，亞硝酸鹽和硝酸鹽流道寬度保持不變 （3 mm） 。在對(duì)氨氮流道進(jìn)行尺寸調(diào)整時(shí)，以超純水為樣本，驗(yàn)證不同的流道直徑可容納的樣本量。分別稱量加樣前后檢測(cè)區(qū)的重量，最終確定當(dāng)氨氮流道的寬為4 mm時(shí)，檢測(cè)區(qū)可容納約210 mg超純水，滿足氨氮檢測(cè)所需的樣本量，紙基微流控芯片各組分的尺寸如圖4A所示，最終的多通道紙基微流控芯片結(jié)構(gòu)如圖4C 所示。

3.6?實(shí)際水樣分析

使用制備的紙基微流控芯片對(duì)隨機(jī)選取的實(shí)際湖水樣品進(jìn)行檢測(cè)，亞硝酸鹽、硝酸鹽和氨氮的檢出值分別為0.008 mmol/L、14.79 mmol/L和1.50 mg/L。實(shí)際樣本中三氮的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）表明，三氮的加標(biāo)回收率均在95.4%～114.0%之間。與Lin等[17]將分光光度法和流動(dòng)注入分析結(jié)合的方式相比，本方法成本低廉，無需借助大型儀器便可對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行讀取。

4?結(jié) 論

設(shè)計(jì)和制備了基于顯色反應(yīng)的紙基微流控芯片，用于同時(shí)檢測(cè)水中三氮的含量，亞硝酸鹽、硝酸鹽和氨氮的檢出限分別為0.001 mmol/L、1 mmol/L和1 mg/L，實(shí)際樣本3種含氮化合物的加標(biāo)回收率在95.4%～114.9%之間。相比于現(xiàn)有的三氮化合物檢測(cè)方法，本研究提出的紙基微流控芯片法有效簡(jiǎn)化了操作步驟，降低了成本，操作簡(jiǎn)單，無需借助大型儀器和專業(yè)的操作人員，有望用于資源匱乏的地區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

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