一种用于水体中亚硝酸盐和磷酸盐快速现场检测的离心微流控系统

《Microchemical Journal》：A centrifugal microfluidic system for the rapid on-site detection of nitrite and phosphate in water bodies

快速现场检测硝酸盐和磷酸盐的自动化离心微流控系统，具有低检测限（0.0096-0.014 mg/L）、短分析时间（10分钟）和良好重复性（CV<4.45%），实现从采样到检测的全流程自动化。

　　

杜志昌|林俊鹏|林北辰|杨少辉

集美大学海洋装备与机械工程学院，中国厦门361021

摘要

水体中高浓度的营养物质会导致富营养化，引发藻类大量繁殖、生态失衡、水质恶化，并对人类健康构成威胁。及时检测营养物质对于保护水环境和预防疾病至关重要。在这项研究中，我们提出了一种自动化方法，用于快速现场检测水体中的亚硝酸盐和磷酸盐。我们设计并开发了相应的离心微流控芯片和平台，实现了从液体采集、加样、计量、混合、反应到检测的全过程自动化。该系统表现出优异的检测性能，亚硝酸盐的检测限为0.0096 mg/L，磷酸盐的检测限为0.014 mg/L，检测范围分别为0.01–0.6 mg/L和0.01–1.0 mg/L，变异系数低于4.45%。验证表明，该系统可在10分钟内完成现场检测，其检测结果与商用分析仪器相当。因此，它提供了一种高效且快速的现场水质分析工具。

引言

水生系统中的营养物质通常指可被植物吸收和利用的盐类化合物，主要包括硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、铵盐和硅酸盐[1]。这些化合物对维持水生生物的生存和生物地球化学循环的平衡起着关键作用[2,3]。然而，人类活动的加剧，尤其是工业化和城市化，可能导致大量营养物质进入水生环境（如湖泊、河流或沿海海洋），导致氮（N）和磷（P）等元素的过度积累，从而引发富营养化[4,5]。这种情况对水生生物的生长环境构成了严重威胁。例如，它会导致浮游植物的大量繁殖和藻类爆发[6]，以及水质浑浊度的增加[7,8]。此外，高浓度的氮和磷化合物对大多数水生生物具有毒性[9]。更严重的是，饮用水中过量摄入硝酸盐和亚硝酸盐等含氮物质会对人类健康造成重大风险，增加患癌症和其他严重疾病的可能性[10]。因此，从生态和公共卫生的角度来看，快速现场检测水体中的营养物质浓度至关重要。

通常，检测水体中营养物质的方法包括紫外（UV）分光光度法[11]、电化学方法[12]和荧光发射光谱法[13]。尽管这些方法在检测灵敏度和准确性方面具有显著优势，但它们依赖于复杂的设备和程序，并对外部环境有较高要求。相对较高的检测成本和严格的条件限制了它们在现场测试中的应用。相比之下，比色法由于其操作简便、成本较低和检测速度快，仍然是最有效和适合现场测试的方法[14]。

离心微流控技术凭借其自动化和集成流体控制功能（如计量、混合和分配），正成为生物化学分析中更有效的手段[15,16]。在离心平台上，芯片上的流体运动由电机旋转产生的离心力驱动，从而快速完成反应过程[17]。离心力与被动阀门（如毛细管阀、虹吸阀）的结合有效地替代了昂贵和复杂的泵和阀门[18,19]。目前，研究人员已经报道了用于水体中营养物质检测的离心微流控系统。例如，Xi等人[20]报道了一种结合离心力和毛细管阀的离心微流控芯片，能够精确控制多步骤反应，成功测量水体中的硝酸盐和亚硝酸盐。Hwang等人[21]报道了一种结合离心力和蜡阀方法的离心微流控芯片，用于检测水中的四种营养物质。激光诱导的蜡阀开闭实现了液体的移动和位置控制。这些系统无需外部泵或阀门即可精确控制反应过程，减少了人为操作引起的误差。它们也显示出良好的检测限和范围。然而，这些系统功耗较高，且依赖于昂贵的检测组件。此外，手动加样/加试剂会增加测试时间，并容易引入人为误差。这些限制导致现场检测能力不足，通常需要将采集的样本运送到实验室进行分析。在此过程中，样本可能会降解，这一风险在资源有限的地区尤为突出，而那里迫切需要快速现场检测。

在这项研究中，我们开发了一种便携式离心微流控系统，用于快速现场检测水体中的亚硝酸盐和磷酸盐。该系统包括一个离心微流控芯片及其配套的离心平台（包括采样、离心、位置校准和检测模块），所有这些部件都经过精心设计和制造，以实现从液体采集、加样、定量、混合到检测的整个过程的自动化。使用标准样品进行的实验室测试证明了该系统的优异检测限和范围。此外，该系统还成功在外部河水中进行了亚硝酸盐和磷酸盐的现场检测，验证了其在实际应用中的可行性和可靠性能。

章节片段

样品和试剂

所有化学溶液和试剂颗粒均购自中国国药化学试剂有限公司，并用去离子（DI）水配制。除非另有说明，所有试剂均为分析级，并按原样使用。所有溶液和试剂的制备均遵循美国EPA方法[22,23]、中国国家标准方法[24,25,26]以及其他报道的方法。1 mg/L（以N计）的亚硝酸盐标准溶液被稀释以制备一系列

芯片的亲水处理和时效性分析

为了提高检测精度，微流控芯片的腔室经过了亲水处理，以降低液体表面张力，使气泡难以稳定。通过测量和比较两种亲水聚合物（Tween-20和HPMC）处理后的芯片的接触角来评估这种处理的效果。未经处理的PMMA芯片表现出较弱的亲水性，接触角约为82.6°，如图3(a)所示。经过HPMC处理后，接触角

结论

在这项研究中，我们设计了一种完全集成的便携式离心微流控系统，用于快速现场检测水体中的亚硝酸盐和磷酸盐。该系统采用紧凑的自动采样设备、比色传感器等，实现了从液体采集、加样、混合、反应到检测的整个过程的自动化，显著减少了人为操作误差。

该系统允许使用更小的样本体积（总共仅200 μL），分析时间更短（约10分钟），成本更低

CRediT作者贡献声明

杜志昌：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、概念化。林俊鹏：撰写——初稿、软件、项目管理、方法论、调查、数据管理、概念化。林北辰：可视化、资源获取、项目管理、方法论。杨少辉：可视化、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32201185）和福建省科学技术厅（2024J01718）的资助。