據麥姆斯咨詢報道，重金屬（如鉻、鉛、汞、砷和鎘等）由于其在各種生態系統中的毒性及持久性，備受環境科學界的關注。這些重金屬可在植物和動物體內生物積累，使整個食物鏈面臨重大的健康風險。

因此，有效檢測水、土壤和空氣中重金屬的方法對于環境監測和污染控制至關重要。本文討論了微流控作為提高重金屬檢測與分析的可靠技術，所起到的重要作用。

微流控技術的基礎原理

微流控是指在芯片上蝕刻的微通道內形成一個能夠執行復雜分析任務的微型實驗室，在亞毫米尺度上操縱和控制流體。

微流控裝置的多個優勢使其成為重金屬精確分析和環境監測的理想選擇。微流控裝置明顯比傳統的實驗室裝置更小、更輕便，便于攜帶和進行現場分析。它們還可以實現自動化樣品制備、操控和檢測，以減少人力投入。

此外，微流控裝置將樣品預處理、分離和檢測等多個分析步驟集成到單顆芯片上，形成了一個完整的微流控分析系統。

微流控技術在重金屬分析中的應用

微流控裝置可用于精確、實時分析各種環境樣品（例如水、土壤和工業廢水等）中的重金屬。

例如，對土壤樣品中的重金屬進行分析時，傳統的方法需要將土壤樣品提取到液體介質中才能進行下一步分析。而微流控裝置可以通過集成用于樣品提取、混合和分離的微通道來使這一過程實現自動化。這實現了土壤現場分析，而無需復雜的實驗室裝置。

類似地，微流控裝置可以通過與在線傳感器集成來實時監測廢水流，該在線傳感器可以連續跟蹤監測廢水中的金屬濃度，如果污染水平超過設定限度，可立即進行干預。

微流控芯片也可以用于檢測水樣品中的特定重金屬。例如，在最近的一項研究中，研究人員介紹了一款利用低溫共燒陶瓷（LTCC）技術檢測水中金屬離子的無線微流控傳感器。

該無線微流控傳感器在低溫共燒陶瓷基板上中集成了微通道，具備平面螺旋電感和平行板電容器，能夠有效識別和測量0~100毫摩爾范圍內的多種金屬離子的濃度，包括硝酸鉛（Pb(NO?)?）、硝酸鎘（Cd(NO?)?）等。

該無線微流控傳感器可檢測濃度低至5微摩爾的金屬離子，與傳統的液體微流控傳感器相比，該傳感器具有更高的靈敏度，同時凸顯出基于低溫共燒陶瓷的微流控傳感器在高效便攜式工業廢水中分析重金屬離子的潛力。

便攜式水質檢測微流控裝置

在2018年的一項研究中，研究人員開發了一種使用化學圖案微流控紙基分析裝置（C-μPAD），實現快速、靈敏和多重檢測重金屬的新方法。

C-μPAD裝置通過縮合反應將胺、羧基和硫醇基固定在色譜紙上，并與特定的顯色試劑偶聯，可以準確地檢測鎳、鉻和汞離子。

該方法的檢測限非常低：鎳（Ni(II)）為0.24 ppm，鉻（Cr(VI)）為0.18 ppm，汞（Hg(II)）為0.19 ppm。與此前的方法相比，該方法在均勻性和靈敏度方面有了顯著的改善，特別是在資源有限的情況下，使其成為現場水質監測的實用和便攜式解決方案。

相較于傳統方法的優勢

傳統的實驗室重金屬分析技術（例如電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-AES）或原子吸收光譜分析（ASS））通常要用到笨重的儀器和大量的試劑，并且整個程序非常耗時。與這些方法相比，微流控技術有幾個突出優勢：成本更低、出結果更快、所需試劑量少且便攜。

隨著規模化生產技術的進步，微流控芯片（例如微流控紙基分析裝置（μPAD））制造成本更加低廉。這使它們成為昂貴的實驗室裝置經濟有效的替代品。微流控芯片所需的樣品和試劑量都更小，最大限度地減少了廢物的產生，降低了試劑的采購和處理成本。

微流控芯片中的微通道使其結構緊湊、輕便且易于攜帶，還可進行現場分析，比傳統的實驗室重金屬檢測技術出結果更快、實時性更高。

未來的方向與挑戰

盡管微流控裝置研究取得了重大進展，但仍存在一些挑戰。集成所有必要的組件（例如電氣連接、檢測單元和微流控通道）是一個主要挑戰。

微流控裝置可以與生物傳感器集成，利用特定的生物分子進行重金屬的選擇性檢測，提高靈敏度并提供有關其生物利用度的實時信息。

同樣地，由于重金屬可以不同的化學形式存在，每種形式都具有不同的毒性水平，因此可以將分離和識別金屬種類的技術運用到微流控裝置中。

提高微流控裝置的性能和檢測可重復性，以及對其進行廣泛的工業應用評估，是實現其商業化的重要歷程。除了技術進步之外，開發協作框架對于有效改進這些不足也是至關重要的。