微型电泳分析仪，配备集成式无过滤微流控样品处理系统，用于监测水中的无机阴离子

《Analytica Chimica Acta》：MINIATURISED ELECTROPHORETIC ANALYSER WITH INTEGRATED FILTER-FREE MICROFLUIDIC SAMPLE TREATMENT FOR MONITORING OF INORGANIC ANIONS IN WATER

微流控系统结合水力旋流器与H过滤器实现水质连续监测，自动去除>3μm颗粒，检测限 chloride 30 ppb、nitrate 121 ppb、sulfate 75 ppb，RSD均<10%，在塔斯马尼亚荒野运行30天，数据可靠无间断。

　　本研究提出了一种创新的微流控连续监测系统，用于在自然水体中实时分析无机营养物质。随着人类活动的增加以及气候变化对水文循环的影响，水体污染监测成为全球关注的焦点。为了保障自然生态系统的健康和人类的安全，必须对环境中污染物的种类和浓度进行持续监测。然而，传统的监测方法往往需要复杂的样品预处理步骤，特别是去除悬浮颗粒物，这在长时间无人值守的监测中显得尤为繁琐和不可靠。因此，开发一种无需人工干预、能够长时间稳定运行的自动样品预处理系统，成为实现环境监测自动化的重要方向。

本研究的创新点在于构建了一个连续的微流控颗粒去除系统，该系统能够直接从自然水体中泵取水样，并通过微流控装置有效去除大于3微米的颗粒物。这一技术突破不仅简化了样品处理流程，还显著提升了监测系统的稳定性和可靠性。微流控技术作为一种先进的微尺度流体操控方法，近年来在环境监测、生物分析和化学检测等领域展现出巨大的应用潜力。通过将微流控技术与电泳分析相结合，研究人员能够实现对多种无机离子的高灵敏度、高选择性的实时检测，而无需复杂的样品预处理步骤。这不仅降低了仪器维护的频率，还提高了数据采集的连续性和准确性。

本研究中的微流控颗粒去除系统由两个关键组件组成：一个是微型3D打印的水力旋风分离器，另一个是微流控H型过滤器。这两个组件串联使用，共同完成对水样中大于3微米颗粒物的去除。水力旋风分离器是一种基于流体力学原理的高效分离装置，能够通过离心力将较大的颗粒物从液体中分离出来。而H型过滤器则利用微通道结构对水样进行进一步的过滤处理，确保去除所有残留的微小颗粒。这种组合方式不仅提高了颗粒去除的效率，还避免了传统机械过滤器在长时间运行中可能出现的堵塞问题，从而保证了系统的长期稳定运行。

该系统的另一个显著特点是其完全集成化的设计。系统内部集成了所有必需的试剂，并能够储存废液，使得其能够在无需人工干预的情况下连续运行长达30天。这种设计极大地减少了现场维护的需求，使得监测系统更加适用于偏远地区的环境监测任务。此外，系统还配备了高性能的电泳检测模块，能够实现对氯离子、硝酸盐和硫酸盐等无机离子的高灵敏度检测。实验结果显示，该系统对氯离子的检测限为30 ppb，硝酸盐为121 ppb，硫酸盐为75 ppb，其重复性误差分别控制在10%、10%和8%以内，表明其在实际应用中的高可靠性。

在实际部署过程中，该系统被成功应用于澳大利亚塔斯马尼亚州的Plenty河，实现了超过一个月的连续监测。每隔45分钟，系统能够提供一次可靠的测量结果，这对于长期环境监测具有重要意义。传统的监测方法往往需要频繁的人工采样和实验室分析，而该系统的自动化运行能力使得数据采集更加高效和经济。此外，由于系统能够直接从自然水体中取样，无需额外的样品运输和存储步骤，从而减少了人为操作的误差和污染风险。

在环境监测领域，传统的传感器和自动仪器虽然在某些情况下表现出色，但它们通常受到样品预处理步骤的限制。例如，许多传感器需要通过膜或过滤器去除颗粒物，而这些过滤器在长时间运行中容易堵塞，导致系统性能下降。此外，这些传感器通常只能检测单一分析物，无法实现对多种无机离子的同步监测，这在复杂的水体环境中显得尤为不足。相比之下，微流控技术的应用使得样品预处理和检测过程更加一体化，不仅提高了检测效率，还增强了系统的多功能性。

近年来，研究人员已经开发出多种便携式电泳检测系统，这些系统在环境监测中发挥了重要作用。例如，Kuban等人开发了一种便携式电泳系统，结合了电容耦合无接触电导检测（C?D）技术，能够检测水样中的多种无机离子，检测限从0.2到1 μM不等。Gaudry等人则设计了一种双毛细管顺序注射-电泳分离方法，能够在不进行样品预处理的情况下实现对多种离子的同时检测。这些研究虽然在一定程度上推动了环境监测技术的发展，但它们仍然依赖于传统的机械过滤方法，这在长时间无人值守的监测任务中存在一定的局限性。

为了克服这些挑战，研究人员开发了一种新型的微流控颗粒去除系统，该系统能够有效替代传统的机械过滤方法。通过将水力旋风分离器和微流控H型过滤器相结合，研究人员成功实现了对水样中大于3微米颗粒物的高效去除。这一技术的引入不仅提高了样品处理的效率，还避免了传统过滤器可能带来的堵塞和维护问题。此外，该系统还能够在不进行人工干预的情况下长时间运行，使得环境监测更加便捷和高效。

本研究的成果表明，微流控技术在环境监测领域的应用具有广阔前景。通过将微流控技术与电泳分析相结合，研究人员能够构建出一种集成化、自动化、高灵敏度的监测系统，适用于多种复杂的水体环境。这种系统不仅可以用于监测无机离子的浓度变化，还可以扩展到其他污染物的检测，为环境监测提供了一种全新的解决方案。此外，该系统的便携性和低成本特性也使其在实际应用中更加可行，尤其是在资源有限的地区或难以到达的野外环境中。

本研究还强调了微流控技术在解决环境监测中样品预处理难题方面的独特优势。传统的机械过滤方法虽然能够有效去除颗粒物，但其维护成本高、操作复杂，难以满足长时间无人值守的监测需求。而微流控颗粒去除系统则通过微型化设计和自动化操作，实现了对样品的高效预处理，同时保持了系统的稳定性和可靠性。这种技术的引入不仅提升了监测系统的性能，还为未来的环境监测设备开发提供了新的思路和方向。

在实际应用中，该系统能够提供连续、实时的监测数据，这对于理解环境变化趋势和评估污染源具有重要意义。例如，通过长期监测水体中的氯离子、硝酸盐和硫酸盐浓度，研究人员可以分析这些离子的时空分布特征，从而判断其来源是自然过程还是人为活动。这种信息对于制定有效的环境管理策略和污染控制措施至关重要。此外，该系统还能够为水体生态系统的健康状况提供重要数据支持，例如监测有害藻类生长和水体缺氧等现象的发生和发展。

本研究的成果也对未来的环境监测技术发展具有重要启示。随着微流控技术的不断进步，越来越多的微型化、智能化和自动化监测设备将被开发出来，以满足日益增长的环境监测需求。这些设备不仅能够提高监测的效率和准确性，还能够降低监测成本，使得环境监测更加普及和可持续。此外，微流控技术的广泛应用还可能推动其他领域的技术革新，例如医疗诊断、食品安全检测和生物分析等。

总之，本研究提出了一种新型的微流控连续监测系统，成功解决了传统监测方法在样品预处理方面的不足，为实现环境监测的自动化和智能化提供了新的解决方案。该系统的成功应用不仅提升了监测的效率和准确性，还为未来的环境监测设备开发奠定了基础。随着技术的进一步发展，这种微流控监测系统有望在更广泛的环境中得到应用，为保护水资源和生态环境提供强有力的技术支持。