一种环境分析化学实验教学设计：微流控法测定水中硫化物

李 明，全红花，封 克

(扬州大学 环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

一种环境分析化学实验教学设计：微流控法测定水中硫化物

李 明，全红花，封 克

(扬州大学 环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

微流控环境分析实验教学是环境分析化学教学的重要组成部分，但目前采用的实验方法仍较为传统。为使学生更好地了解微流控环境分析的特点和优势，同时将最新的环境分析方面的国际研究成果融入到教学实验课程之中，我们基于微流控分析理论的教学内容，设计了一种测定水中硫化物的微流控法分析实验。

微流控系统；环境分析；硫化物

环境分析理论与方法是环境科学专业学生需掌握的最重要知识板块之一。目前大多数学校在为环境科学专业学生开设环境分析课程及实验时仍采用的是较为传统的教材，对国际上新发展起来的先进分析方法介绍不多。因此，在环境分析的知识板块中，有必要加强对新的分析方法的介绍和实验操作技能的训练。

近年来，微流控分析技术已成为生物、化学、流体物理学等多学科的基本研究手段，并有力地促进了这些学科的发展[1]。微流控是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术。该技术中所涉及的微流控系统是通过分析化学、微机电加工、材料科学等学科技术的交叉应用，实现从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化。该系统具有试剂消耗量少、比表面积大、传热传质速度快、反应/分析时间短、便于携带等特点，除可应用于一般的分析对象外，还可用于一些特殊的分析，如有毒化学品、爆炸品的分析等。2003年微流控技术被评为影响人类未来15件最重要的发明之一，微流控技术得到了飞速的发展，其中的微流控芯片技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在生物、化学、医药等领域都发挥着巨大的作用。我国在微流控分析方面的研究虽然起步较国外晚了四到五年，但在多个相关的学科领域都具有足够的积累与优势。因此，在高校环境类和化学类专业学生的环境监测和分析化学课程中应要适当增加微流控分析的内容[2]，不仅可以让学生尽早接触到国际前沿的微流控分析理论与技术，开拓了国际视野，同时也使学生提前掌握了一种应用前景广阔的实用技能，从而激发学习兴趣。鉴于以上考虑，笔者此前曾专文就环境科学类专业学生开设微流控分析课程的必要性、可行性，前提条件等进行了阐述，并对如何以现有环境分析化学实验中的实验项目为切入点，结合已学习过的仪器分析，环境监测内容，逐步将微流控分析理论与技术内容导入到环境分析课程板块中给出了一些具体的设想[3]。由于缺乏有关微流控分析及实验的教科书，而教学实验既要突出微流控环境分析的特点与优势，又要易于在普通实验室开展，因此我们结合教师的科研成果，利用大学生开展科技创新和本科生开展毕业论文的机会，对微流控分析实验中所涉及到的微流控芯片制备技术，微流控电泳分析有毒重金属和有机污染物理论和关键技术、测定条件等进行了前期探索，确定了技术规程和实验步骤，为将该技术顺利引入到实验教学中提供了保证。

鉴于微流控系统在重金属、有机污染物和微生物分析等方面的应用已有报道，而对水体中硫化物的分析应用很少，因此我们针对水体中的硫化物专门设计了一个微流控硫化物分析实验。本实验所需仪器设备简单，仅需一枚复层构型的微芯片、1kV直流电源系统及红色激光及光电倍增管组成的激光诱导荧光检测系统，所需试剂均是常规化学试剂，因此投入少、较易搭建，完全可以在普通实验室开展。本实验已在笔者执教的环境分析课程中开展，收到了良好的效果，现提供出来，给拟开展有关工作的同行作为参考，并希望得到改进意见。

硫化物分析实验方法介绍

1 硫化物分析进展

水中硫化物存在于悬浮物中的可溶性硫化物、可溶酸性金属硫化物以及未电离的有机和无机类硫化物等形式。硫化氢微溶于水，受热时，易从水中散逸至空气，产生臭味且毒性很大。水体中硫化物的存在会消耗氧气，降低水中的溶解氧，并致水生生物死亡。因此硫化物是是水体污染的一项重要指标，在环境水质监测和废水监测中常被列为主要监测项目，也是我国实施排放总量控制的指标之一。传统的硫化物测定传统方法有汞量法、碘量滴定法、亚甲蓝比色法，仪器分析法，如电化学分析法、色谱分析法和光谱分析法等。汞量法是应用无机络合剂作滴定剂进行分析的经典方法，但由于汞量法中用作滴定剂的汞盐有剧毒，该方法现已很少使用[4]。碘量滴定法是环境监测中常用的一种氧化还原滴定法[5]，适用于测定浓度大于1mg/L的硫化物。碘量法操作繁琐且,费时，又因为环境水样成分复杂，悬浮物、色度、浊度等干扰因素较多,测定的结果有时存在较大误差。硫离子选择电极法简便，缺点是在该方法测定中硫离子极易被氧化,不易保持稳定的浓度,且电极易受损、老化[6]。Cheng等[7]发表了一种可用于硫化物检测的离子色谱法，采用银电极作为检测器，检测限可达3.1×10-8mol/L，但色谱仪器价格较昂贵。光谱分析法操作简单，灵敏度高、成本较低，适合应用于环境分析监测。目前，硫化物常用的光谱法为亚甲蓝分光光度法[8,9]及荧光法[10]。这些方法的硫化物测定简单、快速、重现性好，但是通常都需要如图1的繁琐的硫化物样品制备(过滤-酸化-吹气分离)过程。

图1 硫化物分析样品过滤-酸化-吹气分离制备过程

本实验设计通过微流控平台将硫化物转化为H2S气体，在特定条件下与显色剂反应后，通过在线及离线测定荧光强度来分析硫化物的量，具有结构简单，分析快速、准确、防干扰的优点。

2 样品制备及分析检测原理

3 实验装置

(1)微流控芯片设计及制备。自行设计了一种包括聚二甲基硅氧烷[poly(dimethylsiloxane)，PDMS]结构简单、效率高、成本低廉的微流控芯片。微流控芯片设计如图1所示。

微流控芯片制备过程如下。首先，用CorelDRAW画图软件设计以上图案,并打印得到掩膜胶片，再利用Su-8光刻工艺在硅片表面刻蚀得到微流控模具。然后, 微流控芯片PDMS预聚物和引发剂按质量比 10:1 的比例混合，真空脱气，将混合物浇铸在模具上，70 ℃固化2 h，剥离模具得到微流控芯片基片。不同厚度的PDMS薄膜是用叔丁醇一定比例稀释过的PDMS混合物在旋涂机上进行旋涂，烘干而得。为防止硫化氢气体在透膜过程中的损失，微流控通道可用气密性材料(如聚四氟乙烯)涂层。最后，通过等离子机表面处理进行层层粘接得出图2复层结构的硫化物分析芯片。

(2)微流控平台组建。微流控平台由三部分组成：流动注射进样系统、用于气体扩散分离的微流控芯片和芯片电泳-激光诱导荧光分析系统(图3)。在微流控平台上进行样品酸化、透膜转移、荧光显色反应、荧光检测等步骤，分析环境水样中硫化物的含量。

4 试剂及样品准备

硫化钠，N,N-二甲基-对二苯胺，三氯化铁，重铬酸钾，盐酸，待测环境水样。

5 实验步骤

(1)离线荧光光度法测定环境样品中的硫化物。在微反应通道入口和接收通分别连接微量蠕动泵，实现反应液和接收液的自动进样。硫化物标准溶液或待测环境水样品与盐酸(稀释)在微反应通道中生成H2S气体。产生的H2S气体透过PDMS膜扩散到碱接收通道。碱接收液加入到预先加入N,N-二甲基-对二苯胺和重铬酸钾(或三氯化铁)混合物，混匀，进行荧光显色反应。使用重铬酸钾氧化剂时，显色反应迅速，混合后即可测定荧光强度。而使用三氯化铁时，所需反应时间为5 min。反应产物通过荧光检测系统检测在激发波长660 nm、发射波长683 nm处的亚甲蓝荧光强度。通过建立标准曲线，测定环境样品中的硫化物。此方法的线性范围为5.0×10-5～ 5.0×10-8mol/L(R=0.9971)，检测线为2×10-8mol/L。

(2)在线激光诱导荧光法测定环境样品中的硫化物。通过电渗流门进样法将碱接收液进样到复层结构集成芯片中的电泳分析通道中，利用电泳分离-荧光检测法测定亚甲蓝荧光强度。通过制得标准曲线，测定环境样品中的硫化物含量。在线测定的线性范围为5.0×10-5～ 5.0×10-7mol/L(R=0.9992)，检测线为2.0×10-7mol/L。

硫化物测定碘量滴定法适用于常量分析(硫化物浓度大于1 mg/L)，而作为测定微量硫化物的主要方法的亚甲蓝法由于样品中的带色物和悬浮物对测定有干扰，通常采用离线酸化- 吹气- 吸收法(乙酸锌-乙酸钠溶液吸收的预处理方法)。但是，当吹气分离操作技术应用不当会严重影响回收率(60%左右[4])。本方法中硫化物样品的酸化、产气、透膜收集均在微流控通道内进行，因此可获得较高的回收率(对河水样添加5×10-7mol/L硫化物时，离线荧光法的回收率大多为92%以上)。此外，为解决微流控通道窄、检测灵敏度低的问题，本系统采用激光诱导荧光检测法来提高灵敏度，使之能够成功应用到水中硫化物测定。

6 思考题

(1)PDMS膜厚度对实验结果有何影响？

(2)盐酸及碱接收液浓度对实验结果有何影响？

(3)PDMS通道无孔表面处理对实验结果有何影响？

试验教学的实践证明，该实验设计简单、成本低、结果可靠、实验耗材投资少，并能激发学生的学习兴趣，对其加深理解和巩固理论教学内容有积极作用，完全适合作为本课程教学实验内容。

[1] 赵亮，黄岩谊. 微流控技术与芯片实验室[J].大学化学，2011，26(3)：1-8.

[2] 蔡龙飞，徐春秀.将微流控分析引入高校分析化学的实验教学 [J].大学化学，2012，27(2)：17-19.

[3] 李明，全红花，封克. 环境科学专业开设微流控分析技术课程的必要性与可行性[J].中国科技信息，2012(17)：136-137.

[4] 刘力. 水和废水中硫化物测定方法的探讨[D].天津：天津大学, 2007.

[5] 陶晓红, 唐莉, 李军. 碘量法测定硫化物实验研究[J]. 油气田环境保护, 2006, 16(2)：37-38.

[6] 薛士博. 浅析地表水中硫化物测定方法的选择[J]. 科技创新导报, 2010(31)：80.

[7] Cheng J,Jandik P, Avdalovic N. Pulsed amperometric detection of sulfide, cyanide, iodide, thiosulfate, bromide and thiocyanate with microfabricted disposable silver working electrodes in ion chromatography [J]. Anal. Chim. Acta, 2005.

[8] 王亚丽, 郭方遒, 黄兰芳,等. 亚甲蓝法直接快速测定环境样品中微量硫化物[J]. 黄金, 2003(4)： 44-47.

[9] 唐建华. 基于荧光光谱的血浆中亚甲蓝含量测定和二氧化硅强荧光纳米粒子的制备及应用[D]. 苏州：苏州大学, 2012.

责任编辑：刘 琳

A Design for Experiment Teaching of Environmental Analytical Chemistry:Determination of Sulfide in Water by Microfluidic Method

LI Ming, QUAN Honghua, FENG Ke

(College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Microfluidic environmental analysis experiment teaching is an important part in the teaching of environmental analytical chemistry, but the current experimental methods are still very traditional. In order to enable students to better understand the characteristics and advantages of microfluidic environmental analysis, and integrate the latest international research results into the teaching experiment course, we design a microfluidic method for the measurement of sulfide in water based on the teaching contents of microfluidics theory.

microfluidic system； environmental analysis； sulfide

2016-10-11

国家自然科学基金(21277116)

李明(1966-)，男(朝鲜族)，博士，教授，主要从事环境污染物分析与微全分析系统研究。

G642.3

A

1009-3907(2017)02-0118-03