微流控芯片在空气污染检测中的应用*

王金佩，王 琳，李泽东，杨力侠，邢书娟

（1.西安外事学院a.医学院；b.生命科学应用研究中心，陕西 西安 710077；2.西安交通大学 仿生工程与生物力学中心，陕西 西安 710049）

工业生产以及交通运输排放的含硫、氮化合物、挥发性有机化合物等造成了室外空气的污染；各种装饰、装修材料挥发产生的甲醛、苯等加重了室内空气的污染，严重危害人们的身体健康。因此，空气污染物的快速检测方法和技术的建立对环境保护和人类健康都具有重要意义。

空气污染物种类繁多、含量低，因此，检测分析手段必须具备灵敏、准确、快速、自动化等特点。目前，空气污染物的检测一般先进行现场采样，然后借助分光光度计和气相色谱以及手持式多合一气体检测仪进行测量，其检测结果准确度高、抗干扰能力强，但其操作繁琐、耗时、价格昂贵而且专业性强。但在污染突发事故现场或者家庭生活中，需要连续监测的室内以及大面积污染的区域，利用大型仪器进行实验室检测的方法使用受限，而易携带、操作简便的检测装置及方法的优势则很明显[1]。随着新兴技术如微流控芯片技术等的发展，为实现空气污染物的快速、高效、实时和现场化分析检测提供了机遇。

1 微流控芯片

微流控芯片（microfIuidics chip），又称芯片实验室，是将实验室中进行的样品预处理、浓缩、反应、分离以及检测等多个操作步骤集中到一块微米尺度的芯片上，利用微流路完成样品分析检测的装置[2]。微流控技术相较于其他检测方法，具有操作简单，检测时间短，试剂消耗少，便携性好，可实现高通量检测等优点，在环境污染物的分析检测中应用前景广阔。微流控芯片常用的材料有单晶硅片、石英、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）以及纸基、聚乳酸、水凝胶等新兴的材料[3,4]。目前，应用比较普遍的检测方法主要是光学检测、电化学检测、质谱检测和气相色谱等[5]。基于微流控芯片的检测研究绝大部分是集中在液相流体中，而对于气体的研究相对较少。

1.1 基于光学检测法的微流控芯片检测技术

光学检测主要有化学检测和荧光检测等，快捷简单且技术较成熟。Takabayashi等[6]建立了基于微流控芯片检测大气中NO2的方法，气体进入芯片中与三乙醇胺（TEA）混合形成离子，再与荧光试剂2,3-二氨基萘（DAN）反应，通过紫外发光二极管激发荧光，利用光电倍增管测定荧光强度，该装置对NO2检测限在10～80μg·L-1之间。Chang等[7]基于微流控芯片检测空气中的SO2，利用荧光试剂N-（9-吖啶基）马来酰亚胺（NAM）检测到的SO2浓度在3～60μg·L-1范围内。Gao等人[8]建立了基于微流控芯片利用碱性鲁米诺溶液作为化学发光试剂来检测Cl2，该方法对Cl2的检出限为0.2μg·L-1，可以用于化工厂室内空气检测。光学检测法简单易操作，但是易受化学试剂的限制，其应用比较局限。

1.2 基于电化学检测的微流控芯片检测技术

电化学检测的特点为检测器结构简单，易于集成化、微型化，选择性好，运行成本低等。电化学检测方法主要有安培法、电位法、电导法和伏安法等，其中安培法检测灵敏度较高，应用较多。Shin等[9]在电泳微芯片上，利用金刚石电化学检测系统检测4-氨基苯酚、1,2-苯二胺、2-氨基萘、2-氯苯胺和邻氨基苯甲酸等，其中2-氨基萘的检出限为1.3μmol·L-1，检测结果灵敏度高且选择性好。

1.3 基于质谱检测的微流控芯片检测技术

质谱（MS）检测主要是根据物质的质荷比对物质进行分离和检测，其灵敏度高，检测限低。质谱仪器体积大而且样品制备需求较高，难以满足快速的现场分析。将质谱检测器与微流控芯片技术相结合，可以缩短样品检测的时间。目前，已开发出微流控芯片与质谱仪耦合的方法，已报道的一款掌上便携式质谱仪（重量1.48kg）[10]，与微流控芯片结合可直接检测空气中的甲苯和甲基膦酸二甲酯，检测限分别为6和22μg·L-1，具有灵敏度高、便携等优点，可用于现场检测。

1.4 基于气相色谱检测的微流控芯片检测技术

气相色谱（GC）是一种用于半挥发性和挥发性化合物的分离和测定的技术，可以在极短时间内分析几十种气体混合物。传统气相色谱仪体积较大，无法用于现场检测，因此，微型化的气相色谱仪是发展趋势。将色谱仪的大部分结构集成到微流控芯片上是开发微流控芯片气体检测的关键。杨丽等[11]设计的微型气相色谱柱可快速高效检测恶臭气体，尤其是丙酮气体。李俊成等[12]研发的微型气相色谱柱对苯和甲苯最低检测限分别为0.523和0.617mg·L-1。Wang等[13]利用微流控气相色谱系统成功检测分离了分别含有5和17种挥发性有机化合物的样品。Biswas等[14]设计的微气相色谱可用于10种化学物质的复杂混合物的分离和检测，检测时间短（4min），检出限低。

利用光学检测方法检测气体时，结果直观，且速度快，但易受试剂的限制。电化学检测结果灵敏度高，可进行定量检测，但在低浓度的气体检测方面应用较少。气体的检测主要依靠质谱和气相色谱，检测结果的准确度、灵敏度都较高，但仪器集成化低，不利于现场气体检测。因此，开发设计成本低廉、操作简单、容易携带、检测时间短、结果准确可靠的集成式微流控装置是未来气体检测装置的发展趋势。

2 微流控芯片在空气检测中的应用

室内空气污染主要是NH3、甲醛、苯和甲苯等有害气体的缓慢挥发造成。微流控技术的发展，促使室内空气检测装置的微型化和易操作性，为人们的健康生活提供便利的检测手段。集成化的微流控芯片检测气体的流程见图1[15]，先导入气体混合样品，然后在芯片上进行预处理、浓缩以及一些反应步骤，然后通过微通道进行分离，最后进入集成化的检测器进行分析检测。

图1 微流控芯片检测气体的工作示意图[15]Fig.1 Schematic diagram of microfluidic chip detecting gas[15]

2.1 在含氮气体检测中的应用

含氮气体尤其是氨气（NH3），刺激性较强，对人体有害。通过预处理和浓缩可以增加气体的浓度，提高检测准确性。Timmer等[16]在微流控芯片上通过聚丙烯膜富集NH3，该系统对低于0.75mg·L-1的NH3浓度敏感，检测结果更准确。Hiki等[17]设计了一种三明治结构的微流控芯片系统，大小是宽45cm，深30cm，高30cm，非常便携，该系统对NH3的检测下限为84ng·L-1，非常适合现场快速检测。目前，基于微流控芯片的含氮气体的检测在灵敏度方面有所成就，但在定量检测上还有待改进。

2.2 在甲醛检测中的应用

甲醛是最常见的空气污染物之一，会导致胸闷、恶心、过敏等症状，长期暴露在甲醛环境中可诱发癌症等。Pang等[18]开发一种基于微流控芯片、衍生化技术以及气相质谱（GC-MS）的方法来检测甲醛气体，最低检测限为4μg·L-1，还可以检测其他羰基化合物包括乙醛、丙酮和丙醛等，适用于室内装修污染检测。Xu等[19]建立了一种基于微流控芯片和紫外分光光度计在线检测甲醛的方法。这种检测方法具有低化学消耗、价格低廉等优点。张潇等[20]利用微流控芯片和光谱检测器的集成装置测定室内甲醛，检测结果可靠，且消耗试剂少。Guo等人[21]开发了一种基于智能手机的微流控芯片检测系统，对空气中的甲醛检测最低限为0.01mg·L-1，特别适用于新装修房屋中甲醛的检测。之后Serra等[22]改进了微流控装置，在芯片中将甲醛衍生化，再利用液芯波导比色法进行定量，检出限为1.8μg·L-1。Yang等[23]基于表面增强拉曼光谱（SERS）微流控芯片，利用三角形阵列以及复合纳米粒子探针来提高气体检测的灵敏度，对甲醛的检测限为1μg·L-1。在室内空气污染中，目前，人们对甲醛污染关注度比较高，对甲醛的检测研究相对较多，检测时间和灵敏度都有很大的改善。随着各种检测技术与微流控芯片的结合，室内甲醛气体的检测不断朝着操作简单、灵敏度高、检测限低以及可家庭化的现场检测方向发展，为之后的现场检测提供便利。

2.3 在烟雾检测中的应用

香烟烟雾和厨房油烟中含有大量的化学物质，如苯并芘和环芳烃等有机化合物，容易致畸、致癌，危害人类健康。目前，基于微流控芯片的烟雾检测报道研究较少，主要集中在气体的收集和浓缩方面。Ohira等[24]将多孔聚四氟乙烯膜附在微流控芯片的微通道上用于H2S和SO2气体分离和浓缩。Hu等[25]设计了一个针对吸入性空气污染分析的微流控气体收集平台，通过液滴阵列收集气体，然后利用质谱法进行检测，分析烟雾中的尼古丁、甲醛和己酸。该自动化、经济型、微型化的平台实现了对香烟烟雾中主要成分的分析，在空气污染物分析中具有广泛的应用前景。目前，微流控芯片在空气污染物尤其是香烟烟雾等检测中的应用还很有限。因此，迫切需要开发一种能够进行烟气收集和检测的微流控分析平台。

2.4 在挥发性有机污染物检测中的应用

挥发性有机化合物（VOCs）主要是烷类、芳烃类、卤代烃类、酯类、烯类、醛类、酮类等有机化合物。VOCs的来源有汽车尾气、垃圾焚烧、装修装饰材料以及化工医药厂的排放等，其中在新装修的房屋中挥发性有机物的种类可达50多种。在室内空气污染中，挥发性有机污染物的种类也较多，其检测也相对繁琐，因此，开发基于微流控芯片的检测装置发展相对缓慢。Yuko等[26]研制了一套便携式自动测量微流控系统，进一步提高检测限，在30min内检测得到甲苯气体检测限为50μg·L-1。Dossi等人[27]建立了一种基于微流控芯片的检测方法，可以同时测定大气中的甲醛、乙醛和2-丙烯醛等小链醛。Zhang等[28]研发了一种基于微流控芯片的恶臭气体检测系统，实现丙酮、甲苯和二甲苯的分离与检测，为实现恶臭气体的自动、连续、智能化检测奠定基础。Warden[29]等人设计了开放微通道的微流控装置进行气体收集，然后利用气相色谱-质谱联用技术检测VOCs，为其在生活中的应用奠定了基础。Janfaza[30]等人设计的3D打印微流控装置，可提高对VOCs的选择和检测。目前，基于微流控芯片的检测装置在复杂气体的分离浓缩方面还有待加强。气体的浓缩和预处理可以提高气体的浓度，加强检测装置的检测能力，提高检测结果的准确性。目前，国内外已有多个产品的研发，但从实验室产品到实际生活的应用，还有很多集成化的问题要解决。

3 展望

对空气中有害气体进行检测时通常需要实地取样，然后拿回实验室进行检测分析，在样品转移过程中可能会有部分待测物挥发，引起实验误差，因此，需研发出一种能够快速实时的移动检测装置。微流控芯片由于操作简单、便于携带、结果快速准确等优点，具有广阔的市场前景，因此，也成为环境中空气检测的研究热点。目前，微流控芯片在气体检测中的研究以及专利申请方面都在逐年增加，但具体的应用还相对较少。由于微型化、集成化和智能化是现代检测发展的一个趋势，因此，应从以下几个方面加强：（1）研发合适的气体采集器，良好的气体采集器能保证气体样品被充分吸收，且能排除干扰组分，有利于灵敏度的提高；（2）研发高度集成的便携化微流控设备，可用于一些现场快速检测事件，比如新装修办公室的空气检测、大型环境污染事件、某区域空气状况监测等；（3）提高微流控芯片气体检测的准确度，微流控设备在准确度以及抵抗外界干扰等方面与传统设备仍有差距，还需加强；（4）研发基于智能手机的微流控芯片及基于纸基微流控芯片的检测方法，这样所需试剂少、快速、高效且便携，适合家庭化，将会成为今后微流控检测技术研究的新趋势。因此，随着微流控芯片技术的发展以及与其他新技术新材料的集成融合，可以预见在气体检测方面，微流控芯片将成为一种主要检测工具，应用到实际生活中。