用于重金屬離子的集成式塑料微流控裝置

鉛（Pb2?）、鎘（Cd2?）、汞（Hg2?）等重金屬離子是一類化學穩(wěn)定性高、生物可降解性低的環(huán)境污染物，其在生物體內蓄積會對人體健康產生負面影響，可能導致癌癥、腎衰竭、免疫系統(tǒng)疾病和神經退行性疾病，并對環(huán)境構成威脅。因此，水體中重金屬離子的檢測對于生產符合國際公認標準的高質量飲用水至關重要。目前，用于重金屬離子檢測的方法包括光譜技術（例如原子吸收光譜（AAS）和電感耦合等離子體質譜（ICP-MS））以及其它分析方法，例如高效液相色譜（HPLC）。這些方法的特點是準確性和靈敏度高，但它們需要龐大且昂貴的設備，因此只能在分析實驗室中使用，同時，這些方法的樣品處理流程耗時，并且需要訓練有素的人員。最重要的是，這些技術不適合連續(xù)的樣本監(jiān)測。

據麥姆斯咨詢報道，為了克服上述挑戰(zhàn)，近期，來自希臘納米科學和納米技術研究所（Institute of Nanoscience and Nanotechnology）、雅典國家技術大學（National Technical University of Athens）和雅典學院生物醫(yī)學研究基金會（BiomedicalResearch Foundation of the Academy of Athens）的研究人員開發(fā)了一種高度集成的微流控傳感裝置，該裝置包括一個被動混合單元（用于樣品預處理）和一個由電化學生物傳感器陣列構成的檢測單元，用于重金屬離子的實時、無標記檢測。相關研究成果以“Integrated Plastic Microfluidic Device for Heavy Metal Ion Detection”為題發(fā)表在Micromachines期刊上。

圖1 集成式微流控傳感裝置設計示意圖

圖2 用于檢測重金屬離子的整體實驗裝置示意圖

該微流控裝置的制造工藝簡單，其混合和檢測單元都采用基于干膜光刻膠的光刻工藝進行構建。其中，檢測單元是由六對金（Au）叉指電極（IDEs）組成的傳感陣列。此外，研究人員在金叉指電極上沉積了鉑納米粒子（PtNPs），并在此基礎上進行了脫氧核酶（DNAzymes）的固定化。

圖3 集成式微流控傳感裝置的制造工藝

該集成式微流控傳感裝置的工作原理依賴于在單鏈和雙鏈DNA上觀察到的電荷傳輸量的差異，以及納米顆粒在傳感器表面的覆蓋比例。通過調整沉積的納米顆粒的大小和顆粒間距離，可以達到一種半導電狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，相鄰的納米顆粒之間可以發(fā)生電子跳躍，并且這一現象可以通過連接劑的橋接作用進一步增強。當納米顆粒在傳感器表面的覆蓋比例超過滲流閾值（percolation threshold）時，由于形成連續(xù)的電子路徑或對連接劑不敏感的導電網絡，該復合材料的電導率會上升幾個數量級。與此相反，將納米顆粒放置得太遠則會導致該復合材料呈現絕緣性，從而無法進行電荷的傳輸。

在該項研究中，研究人員利用沉積的鉑納米顆粒構建了二維導電網絡，因此，傳感器的電導率主要受到固定化脫氧核酶傳輸電子的能力的影響。該研究中使用的脫氧核酶是雙鏈嵌合核酸，當有重金屬離子存在時，雙鏈中的底物鏈出現自催化裂解。因此，可以預計，與未裂解的脫氧核酶雙鏈相比，裂解后的脫氧核酶的電導率將顯著降低。該研究利用上述現象構建了一種傳感器，其能夠將鉛離子檢測和由此產生的脫氧核酶裂解轉化為可測量的電阻變化。

隨后，作為概念驗證，研究人員展示了所制造的原型微流控裝置的鉛離子檢測性能。研究結果表明，正如所預計的那樣，當鉛離子濃度達到20 μM時，脫氧核酶雙鏈會出現裂解，從而在1 min內使得所有傳感器記錄的電阻數值增加，整個檢測過程持續(xù)時間為6 min。此外，該微流控裝置的線性范圍為10 nM ~ 1 μM，并且在不同濃度的二價金屬離子（例如鎂離子（Mg2?）和銅離子（Cu2?））的檢測中呈現出良好的鉛離子特異性。

圖4 利用所提出的脫氧核酶生物傳感器陣列實時檢測鉛離子濃度

該研究的后續(xù)目標是使用該微流控裝置同時檢測不同的重金屬離子，例如鉛離子、鎘離子、汞離子和鉻離子（Cr??）。這可以通過制造由不同生物傳感器組成的傳感器陣列來實現，從而使得每個傳感器都對特定的金屬離子有選擇性。該研究設計的微流控裝置即具有這種多路復用性，因為其由六個傳感器組成的陣列可以經過適當地修飾以檢測不同的重金屬離子。此外，研究人員還打算將一些外圍設備（例如蠕動泵、電氣連接和用于控制的筆記本或平板電腦）集成到一個完全便攜式的平臺上，用于現場檢測重金屬離子。目前，研究人員已經在朝著這個方向努力，以試圖推廣這種“先進的即時監(jiān)測系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可以裝在一個小手提箱里，用于廢水處理廠、能源行業(yè)和食品行業(yè)的水體分析?？傮w而言，該項工作可以為便攜式微流控平臺的研究鋪平道路，從而實現水體安全的無標記、實時現場檢測。

審核編輯：劉清