一种3D打印的、无需泵浦、采用微流控技术的水合物生成-毛细管点放电原子发射光谱仪，用于现场检测砷

《Analytica Chimica Acta》：A 3D-Printed, Pump-Free, Microfluidic Hydride Generation-Capillary Point Discharge Atomic Emission Spectrometer for on-Site Arsenic Detection

　　

韩燕|熊艳琪|李颖颖|田云飞|侯向登

四川大学分析测试中心，中国成都，四川省610064

摘要

背景

传统的原子光谱技术具有高灵敏度和高准确性，但受限于仪器体积大、气体消耗高以及操作复杂。3D打印技术的最新进展使得光谱仪小型化成为可能，为便携式、现场分析提供了新的机会。

结果

构建了一种完全集成的、3D打印的氢化物生成-毛细管点放电原子发射光谱仪（HG-CPD-AES），用于环境水样中砷的现场分析。该仪器由微流控反应室、气液分离器和共轴毛细管-钨电极激发源组成，通过立体光刻工艺制造，可直接使用微量样品（150 μL）进行注射。石英毛细管限制了氢化物蒸汽的流动，提高了注入效率和信号稳定性。在总气体流量仅为5 mL min^-1（不到传统系统的1/20）的情况下，该系统的检测限达到4 μg L^-1，线性范围为10—3000 μg L^-1

意义

这种低成本且开源的设计使得该仪器能够在各种环境中快速复制，创建了一个可扩展且可靠的分布式检测平台。在资源有限、无法部署传统分析设施的场合，该方法便于进行现场砷监测。

引言

根据国际癌症研究机构（IARC）的分类，无机砷（iAs）被归为1类致癌物，对全球公共卫生构成严重威胁[1]。长期接触受污染的饮用水、食物（如大米和海鲜）以及工作场所（如采矿和冶炼）中的砷可能导致皮肤病变、周围神经病变、心血管疾病以及皮肤癌、肺癌和膀胱癌[2]。世界卫生组织（WHO）将饮用水中的砷含量限制在10 μg L^-1[3]。这一要求凸显了开发灵敏、可靠且低成本的现场监测技术来检测水中微量砷的必要性。

常见的分析方法如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）[4]、[5]、原子荧光光谱（AFS）[6]、[7]、[8]和原子吸收光谱（AAS）[9]、[10]、[11]具有显著的灵敏度和准确性。然而，在现场或资源匮乏的应用场景中，这些方法由于仪器体积大、气体消耗高和操作复杂而难以广泛应用。针对便携、低成本和快速的痕量分析，基于微等离子体的原子发射光谱（AES）被认为是一个有前景的替代方案[12]、[13]、[14]、[15]。点放电产生的高能等离子体可以在常压下激发原子发射光谱。尽管放电体积有限，限制了检测灵敏度和测量重复性，但由于其超紧凑的结构，该系统仍具有广泛的应用潜力。

氢化物生成（HG）[16]、[17]是一种化学气相生成（CVG）方法[18]、[19]、[20]、[21]，在水样中对砷（As(III)）的检测效果非常好[22]、[23]。然而，由于死体积、样品损失以及需要复杂的管路连接的蠕动泵，将HG与微等离子体结合仍然具有挑战性。3D打印（增材制造）[24]的最新进展使得流体通道、反应室和检测组件能够一体化，从而降低了泄漏风险、死体积和组装错误。这些技术使得小型化、开源且可野外使用的分析平台成为可能[25]、[26]、[27]。

本文介绍了一种完全集成的、3D打印的、无需泵的氢化物生成-毛细管点放电原子发射光谱仪（HG-CPD-AES）。该系统的设计采用立体光刻（SLA）技术实现，将反应室、气液分离器、微流控通道和毛细管点放电源集成在一个平台上。这种设计消除了对管路和泵的需求，避免了死体积和样品损失，通过微注射器直接注入样品。AsH₃蒸汽被石英毛细管-钨丝共轴电极限制，提高了激发效率和信号稳定性。该设计是开源的，便于快速复制，为现场砷监测提供了可扩展且可持续的平台。

节选

系统设计与仪器

实验装置如图1a所示，包括一个集成的HG-CPD-AES单元、外部气体回路和光谱检测单元。外部气体回路由两根氩气管道组成：管道1从电极引出，管道2从反应室引出。两根管道的流量由微流量计（EDC 300，Biosflow Instrument Technology Co., Ltd.，上海，中国）控制。HG-CPD-AES部分采用3D打印技术制造

等离子体特性

首先研究了微等离子体源的光谱特性，特别关注其在氩气氛中对砷、锡和锗的激发行为。如图2a所示，在纯氩气环境中记录的发射光谱显示了NO（200—280 nm）、OH（283 nm和309 nm）、N₂（316 nm、358 nm和380 nm）以及NH（357 nm）产生的显著分子带。这些强烈的发射光谱主要归因于微等离子体的半开放结构

结论

通过开源3D打印技术制造了一种完全集成的、小型化的HG-CPD-AES系统。主要创新包括使用微注射器替代蠕动泵以减少死体积，提高微升样品的测量精度；以及利用毛细管限制样品通道/激发区域，从而提高激发效率。该便携式系统表现出优异的分析性能：检测限为4 μg L^-1-1

CRediT作者贡献声明

韩燕：撰写——原始草稿，可视化，数据收集，形式分析，概念化。熊艳琪：验证，资源提供。李颖颖：验证，资源提供。田云飞：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，方法设计。侯向登：撰写——审稿与编辑，监督

作者声明她们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明她们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金会（编号：21974092、22474081）提供的财政支持。