微流控芯片技术及其在水质检测中的应用进展

摘 要：基于微流控芯片技术的检测方法由于样品和试剂用量少、分析速度快，以及在多参数集成检测、自 动化、一体化、便携化等方面拥有巨大潜力等特点而被逐步用于水质检测，成为近年来的一大研究热点。通过对 微流控技术在芯片的材质及加工方法、驱动与控制、检测方法等方面发展的介绍，分析了微流控芯片技术在便携 化、集成化和实时化方面所面临的问题。简述了微流控芯片在水中有机物、氮磷类营养盐、重金属、细菌及微生 物等检测中的应用，并对其发展前景进行了展望。

关键词：微流控芯片 化学需氧量 有机物 重金属 微生物

微流控芯片又称为微全分析系统或芯片实验 室，其概念由 Manz 等[1]提出，目的是在一个几平 方厘米大小的芯片上实现整个分析过程或全部目 标物的分析，具有分析速度快、样品用量少、集成 化和自动化潜力高的特点。因此，微流控芯片技 术天然与便携化、现场分析相适应，在生物医药及 环境领域均得到了热切关注。水质污染问题由于 水源分布广泛、污染物种类繁多、浓度随水体流动 变化迅速等特点，对于检测仪器的便携高效集成 方面有较高要求，近年来研究者们将微流控芯片 技术引入水质检测中，在此过程中做了很多努力， 也取得了很多成果，以下主要介绍微流控芯片技 术及其在水质检测中的应用。

1 微流控芯片技术

1.1 微流控芯片的材质及加工方法 由 于 微 流 控 芯 片 起 源 于 微 机 电 系 统 （MEMS），因而其最早的材料和加工方式也沿用 了 MEMS，即采用光刻、蚀刻等在硅片上构造需要 的微通道。虽然精度较高，但是过程相对繁琐，成 本高，而且也存在透光性差、电绝缘性差、易碎、表 面处理难等缺点。之后人们尝试用玻璃代替石英 进行微流控芯片的研究，因为玻璃的光学性能和 绝缘性好，表面改性相对容易，材料价格低廉[2]。

玻璃芯片的加工仍然采用光刻和蚀刻的方法[3]。 Qi Zhenbang 等[4]通过减小芯片面积、增大单硅片上芯片的数目来降低单个芯片的成本。同时有研 究将飞秒激光、皮秒脉冲激光技术引入玻璃芯片 的制造，提高了芯片的制造速度[5-6]。 考虑到玻璃的易碎、加工难度大等问题，聚二 甲基硅氧烷（PDMS）凭借其优良的透光性、生物兼 容性、弹 性 以 及 价 格 便 宜 等 优 点 引 发 了 人 们 关 注[7]。

由于 PDMS 具有弹性，其芯片能与其他芯 片之间更紧密地键合，而且能重复可逆变形，因此 PDMS 被广泛应用于微流控芯片的制造中，且至 今仍是微流控芯片最主要的材料。PDMS 芯片的 加工一般是将液态的 PDMS 预聚物涂到以 SU-8 为代表的光刻胶模板上，加热固化后脱模得到，虽 然模板的加工仍采用光刻，但模板可以重复利用 多次。Ayoib 等[8]将 SU-8 沉积在玻璃基板上，部 分曝光交联后洗去未硬化部分，以此为模板进行