微流控技術(shù)在海洋分析監(jiān)測中的應(yīng)用研究

齊驥 相佳雯 林棟 付龍文 李博偉* 陳令新

1（中國科學院煙臺海岸帶研究所，海岸帶環(huán)境工程技術(shù)研究與發(fā)展中心，煙臺 264003）

2（自然資源部海洋觀測技術(shù)重點實驗室，天津 300112）

3（中國科學院大學，北京 100049）

海洋蘊藏著豐富的水資源、水產(chǎn)、石油和礦產(chǎn)資源，并通過生物地球化學過程及其復雜的相互作用維持著全球環(huán)境和多樣化的生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。海洋發(fā)展與人類和國家的命運息息相關(guān)，建設(shè)海洋強國是我國發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標，美國伍茲霍爾海洋研究所也在官方網(wǎng)站展出“Ocean=Life”（海洋=生命）的觀點性標題。海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護以及污染后的海洋生態(tài)環(huán)境修復均需要海洋分析監(jiān)測技術(shù)。發(fā)展高效的海洋環(huán)境分析與監(jiān)測技術(shù)是認知海洋和經(jīng)略海洋的重要前提。

現(xiàn)代海洋環(huán)境分析監(jiān)測的對象主要有水文氣象參數(shù)（透明度、水溫、流速/向和波浪）、物理化學參數(shù)（酸堿度、溶解氣體、生化需氧量、重金屬、營養(yǎng)鹽和有機污染物）、生物參數(shù)（葉綠素、浮游及底棲生物）和放射性參數(shù)（3H、14C、90Sr 和129I）等[4]。為了獲取各類參數(shù)，海洋環(huán)境分析監(jiān)測技術(shù)朝向立體化監(jiān)測方向發(fā)展。根據(jù)分析監(jiān)測終端所在位置的差異，海洋環(huán)境分析監(jiān)測技術(shù)分為天基、空基、岸基、海面及水下和海床基等類型，具體包括衛(wèi)星/機載遙感、近岸自動觀測平臺、海洋監(jiān)測船、浮標、潛標和海底移動觀測平臺等[5-7]。分析過程控制和傳感原理是構(gòu)建海洋水體分析監(jiān)測裝備的關(guān)鍵。目前的海洋環(huán)境污染物和標志物的分析通常需要采集樣品并運輸?shù)綄嶒炇抑型瓿桑y以實現(xiàn)即時快速分析和原位在線監(jiān)測。將實驗室的化學分析方法和自動分析儀器進行整合，構(gòu)成小型或微型的快速分析和原位監(jiān)測核心部件或裝備，并集成為在線系統(tǒng)，可有效提升海洋分析監(jiān)測效率。微流控芯片技術(shù)可在微米尺度的空間實現(xiàn)流體操控，并展現(xiàn)出小型化、快速和高通量等優(yōu)勢，在海洋分析監(jiān)測領(lǐng)域備受關(guān)注[8]。

2020 年，武漢大學楊奕教授研究組在《Micromachines》期刊發(fā)表評述，介紹了基于光流控技術(shù)平臺的海洋環(huán)境原位監(jiān)測應(yīng)用[9]。2021 年，東京大學Fukuba 等在《Lab on a Chip》期刊發(fā)表評述，介紹了微流控芯片在海洋原位觀測中的應(yīng)用進展[10]。這兩篇論文僅介紹了海洋原位監(jiān)測的應(yīng)用。本文從前期海洋分析監(jiān)測的技術(shù)需求出發(fā)，涵蓋了微流控芯片的材料、制備及其分析方法構(gòu)建，以海洋環(huán)境分析（包括即時快速檢測）和海洋原位在線監(jiān)測兩類應(yīng)用為主，涉及的參數(shù)和對象包括酸堿度、溶解氣體、營養(yǎng)鹽、重金屬、有機污染物和海洋微生物等，較全面地評述了微流控技術(shù)在海洋分析監(jiān)測中的應(yīng)用研究進展，并對其未來發(fā)展進行了展望。

1 海洋分析監(jiān)測的技術(shù)需求

目前，海洋分析監(jiān)測方法以實驗室方法為主，具有分析監(jiān)測儀器體積較大、需要專業(yè)人員操作、價格昂貴、難以滿足快速分析和原位在線監(jiān)測的需求等不足。基于微流控芯片的分析監(jiān)測儀器可實現(xiàn)分析監(jiān)測的集成自動化、小型化和低消耗。在微米尺度的芯片通道中，反應(yīng)過程與流體流動表現(xiàn)出特殊的優(yōu)勢，例如：由于物質(zhì)和熱量的傳播距離相對較小，反應(yīng)時間縮短；流體出現(xiàn)層流；毛細作用力成為主導[11-13]。此外，微流控芯片的材料和設(shè)計需要適應(yīng)海洋應(yīng)用的特殊要求，如海水的高鹽度、待測物的低濃度、水下壓力、水上平臺日曬高溫、風浪影響和長期無人維護等。

1.1 芯片材料與制作

芯片材料的種類與性能特點是構(gòu)建微流控芯片的關(guān)鍵要素之一。在海洋分析監(jiān)測過程中，玻璃、硅、彈性聚合物、塑料和紙等材料均可用于制作微流控裝置，其中，具備廉價和一次性使用特點的紙質(zhì)材料可用于制作即時快速分析芯片，穩(wěn)定性好、耐腐蝕的玻璃和聚合物材料被廣泛應(yīng)用于原位在線監(jiān)測芯片模塊。此外，芯片的材質(zhì)也會影響分析方法在芯片上的兼容度。

1.1.1 玻璃和硅

玻璃和硅是制作微流控芯片的常見材料，具有穩(wěn)定性好、耐鹽和耐腐蝕性較強等特點，適合于高鹽海水樣品和有機試劑的持續(xù)性流通。玻璃表面不易吸附Hg2+等金屬離子，適用于海水中重金屬離子的分析監(jiān)測。此外，玻璃/石英具有優(yōu)良的透光性，有利于芯片上光學傳感信號的傳輸。玻璃/硅芯片的主要制作方法是光刻和蝕刻，不易制作復雜流路，微加工的成本較高[14]。

1.1.2 彈性聚合物

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是常用于制作芯片的彈性聚合物材料，常用制作方法為紫外光刻法，具有低成本和快速成型的優(yōu)勢。利用PDMS 制作的高密度集成芯片閥門，在高通量海洋樣品分析時，可實現(xiàn)復雜并行的流體操作[15]。此外，PDMS 具有較好的生物兼容性，適用于構(gòu)建海洋藻類和浮游生物分析芯片。但是，PDMS 芯片表面容易吸附疏水性的污染物，因此不利于分析海洋中痕量的脂溶性污染物和赤潮毒素等。

1.1.3 塑料

塑料芯片在海洋分析監(jiān)測中具備一定的應(yīng)用優(yōu)勢，利用3D 打印技術(shù)可實現(xiàn)快速和廉價的塑料芯片制造。其中，聚甲基丙烯酸甲酯的透光性好、硬度較高，但是不耐強酸和有機溶劑，對于海洋化學需氧量分析等需要強酸消解的分析過程，局限性較大。全氟聚合物具有較好的惰性和防污性，可滿足海洋監(jiān)測長時間連續(xù)工作的需要[16]。水凝膠具有高滲透性，分子可在水凝膠中擴散且不需要大量流體流動，適用于構(gòu)建前處理模塊，實現(xiàn)海洋中痕量目標物的富集與分離[17]。

1.1.4 紙基材料

紙基微流控芯片利用流體在紙上的毛細作用力控制流體，具有廉價環(huán)保、便于攜帶和操作簡單等特點。紙基材料可用于海洋環(huán)境的即時和現(xiàn)場快速分析。濾紙和硝酸纖維素紙是制作紙基芯片的常見材料，通過疏水材料在紙上構(gòu)建疏水圍堰形成通道，利用噴蠟/墨打印和絲網(wǎng)印刷等方法可實現(xiàn)紙芯片的批量制作[18]。

樣本數(shù)量大和布設(shè)監(jiān)測位點多是海洋分析監(jiān)測的特點之一。海洋分析監(jiān)測的微流控芯片的制造需要簡單、廉價和可商業(yè)化的批量生產(chǎn)技術(shù)。隨著工業(yè)智能化的發(fā)展，3D 打印等先進制造技術(shù)被用于微流控芯片的加工過程中。材料類別是選用芯片制造方法的主要依據(jù)，常用材料和制作方法見表1[19-24]。

表1 微流控芯片制作方法比較Table 1 Comparison of microfluidic chip production methods

1.2 基于芯片的分析方法構(gòu)建

隨著微流控芯片材料與制造技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的分析方法與微流控芯片融合成為可能。例如，光學分析法中的比色分析、熒光分析、表面增強拉曼散射分析和化學發(fā)光分析；以電化學技術(shù)為主的一系列電化學分析方法；以生物抗體材料為傳感識別工具的免疫分析方法；以核酸適配體為傳感媒介的核酸分析法；利用芯片微通道特點實現(xiàn)的單細胞分析等[25]。其中，基于微流控芯片的比色分析、熒光分析、電化學分析和免疫分析等方法在海洋分析監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用較廣泛。

1.2.1 比色分析法

比色分析通常是通過檢測顯色劑與目標物反應(yīng)產(chǎn)物的顏色（吸光度）來確定目標物濃度。目前，用于比色分析的顯色劑有分子和納米顆粒等，在芯片上的比色反應(yīng)過程靈活簡單、速度快，靈敏度也逐漸提升。在海洋分析監(jiān)測中，比色分析在即時快速檢測和原位在線監(jiān)測方面都較為適用[26]，通?？捎糜跈z測營養(yǎng)鹽和重金屬離子，此外，常規(guī)的海水pH 值分析是用比色法測量，精度為±0.01[27]。比色分析法與免疫反應(yīng)結(jié)合，可用于構(gòu)建免疫分析芯片，實現(xiàn)海洋新污染物和生物標志物的快速測定。

1.2.2 熒光分析法

根據(jù)待測目標物本身的特性，熒光分析法可分為直接熒光法和間接熒光法。海洋中的葉綠素、藻類蛋白、部分藻毒素和抗生素污染，利用其分子本身或衍生分子的熒光性質(zhì)，可實現(xiàn)對該類目標物的直接熒光檢測[28]。此外，對于無熒光發(fā)射或熒光發(fā)射較弱的目標物，可利用分子、納米熒光材料制備熒光探針，通過目標物與熒光探針的作用，實現(xiàn)間接檢測[29]。熒光分析法靈敏度高，但在海洋分析中容易受到復雜的海洋熒光成分的干擾，需要樣品前處理技術(shù)的配合。微流控芯片具有多功能集成的優(yōu)勢，有助于將熒光分析法應(yīng)用于海洋分析監(jiān)測。

1.2.3 電化學分析法

電化學分析法是環(huán)境分析中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，具有靈敏度高、響應(yīng)快速、設(shè)備廉價且小型便攜的特點。海洋中大多數(shù)電活性物質(zhì)，包括金屬離子、各類營養(yǎng)鹽和二氧化碳等，都可采用電化學方法檢測。電化學分析法既可用于即時快速檢測，也可實現(xiàn)原位在線監(jiān)測[30-31]。絲網(wǎng)印刷電極可構(gòu)建于紙基微流控芯片上，通過電極修飾，結(jié)合小型電位儀，成功實現(xiàn)了海洋新污染物的現(xiàn)場快速分析[32]。除常規(guī)玻璃電極外，離子敏感場效應(yīng)晶體管等半導體電極器件也被用于構(gòu)建原位監(jiān)測裝置[33]，在海洋原位監(jiān)測中發(fā)揮了重要的作用。然而，電極表面的清潔與防污染、防附著，以及海洋深度引起的溫度和壓力變化，都是電化學分析在海洋環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中面臨的難題。

1.2.4 免疫分析法

免疫分析是利用抗原抗體的特異性結(jié)合作用構(gòu)建的分析方法，結(jié)合比色法和熒光法，可實現(xiàn)痕量目標物的靈敏性靶向檢測[34]。針對海洋中的浮游生物及其代謝物、微生物和病毒的檢測，基于微流控芯片構(gòu)建免疫分析法具有較好的應(yīng)用前景。試劑在芯片上的順序流動可控制，便于免疫分析的多步洗滌和反應(yīng)過程的自動化。在紙基微流控芯片上構(gòu)建免疫分析，也可實現(xiàn)低成本的現(xiàn)場即時分析。然而，生物抗體容易變質(zhì)、原位在線儀器中裝載的免疫試劑難以長時間貯存等，限制了免疫分析用于海洋原位在線監(jiān)測。

2 海洋環(huán)境分析應(yīng)用

目前，基于微流控芯片的海洋環(huán)境分析的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在3 個方面：（1）芯片中微區(qū)域內(nèi)的液體混合效率高，傳感效果增強，從而提升對海洋中痕量目標物的檢測靈敏度；（2）針對大量的海洋樣本，多步分析過程在微流控芯片中集成化、自動化，提升了分析效率；（3）低成本、快速分析芯片（如紙基微流控芯片）的研發(fā)，為海洋的現(xiàn)場快速分析提供了新方法。目前，微流控芯片在海洋重金屬污染、有機（新）污染物和海洋微生物分析方面的研究備受關(guān)注。

2.1 重金屬

工業(yè)排放導致重金屬（如汞、鎘、鉻、鉛、銅、鋅、鎳、鈷和錫等）被排入水體，最終匯入海洋。重金屬難降解并可被生物富集，是主要的海洋污染物[35]。海水鹽度高、組分復雜、重金屬含量較低。相較于地表水和污水重金屬分析，海水重金屬分析方法需具有高靈敏度和高選擇性。

Alves-Segundo 等[36]使用發(fā)光二極管和光電二極管，結(jié)合低溫共燒陶瓷，研制了一種基于吸光度分析的連續(xù)流動微流控芯片裝置。該裝置使用二苯基甲酰胺作為顯色劑對Cr（Ⅵ）進行測定，線性范圍0.1～20 mg/L，檢出限低至50 μg/L。本研究組提出了一種基于離子印跡熒光傳感的三維折疊紙基微流控芯片（圖1A），可同時檢測海水中Cu2+和Hg2+[37]。通過在玻璃纖維紙表面逐步接枝CdTe 量子點和離子印跡聚合物，制備離子印跡熒光傳感紙芯片。通過檢測目標離子猝滅紙芯片熒光的程度，實現(xiàn)了Cu2+和Hg2+的快速定量分析。該芯片檢測Cu2+的線性范圍為0.11～58.0 g/L，檢出限為0.035 g/L，檢測Hg2+的線性范圍為0.26～34.0 g/L，檢出限為0.056 g/L。該方法避免了樣品前處理過程，適用于海洋重金屬離子的現(xiàn)場快速檢測。Fukuba 等[38]開發(fā)了一種基于PDMS-玻璃混合的微流控裝置，用于海水中Mn2+的定量檢測。該微流控裝置中集成了螯合樹脂柱，可去除基質(zhì)中的Fe2+等干擾離子。通過流體控制，構(gòu)建魯米諾-過氧化氫化學發(fā)光反應(yīng)，實現(xiàn)高靈敏度的Mn2+定量分析。在Fe2+含量為μmol/L 級的海水中，該芯片裝置可準確定量檢測nmol/L 的Mn2+，有效提升了海洋重金屬分析效率。此外，微流控芯片也被用于評估海洋重金屬的毒性。Zheng 等[39]設(shè)計了一種微流控芯片，以海洋浮游植物移動作為傳感器信號，采用高通量方式評估重金屬等污染物的毒性。在該芯片中，帶有擴散室的多梯度發(fā)生器能夠進行規(guī)模性的劑量反應(yīng)生物測定。兩個可移動的海洋浮游植物細胞被設(shè)置在芯片上，并由8 種濃度的Hg2+、Pb2+、Cu2+和苯酚單獨刺激，以及Cu2+和苯酚聯(lián)合刺激，成功觀察到了劑量依賴性的生物運動抑制。該系統(tǒng)預測毒性安全性能指標僅需2 h，是一種快速、簡單和高通量的海洋污染毒性評估測試方法。

圖1 （A）檢測Cu2+和Hg2+的紙基微流控芯片[37]：（a～d）紙基微流控芯片組成部件的實物圖，（e）紙基微流控芯片的組裝方式，（f）紫外線燈下Cu2+和Hg2+離子檢測位點的熒光效果;（B）化學需氧量（COD）分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[42];（C）有機污染物分析多通道毛細管電泳儀[44]：（a）儀器實物圖，（b）儀器光學系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖;（D）介電泳分離芯片系統(tǒng)[55]：（a）系統(tǒng)的原理圖，（b）螺旋結(jié)構(gòu)的細節(jié)，（c）介電泳分離芯片的細節(jié)Fig.1 (A) Paper-based microfluidic chips for determination of Cu2+ and Hg2+ ions[37]: (a–d) components of paper-based microfluidic chip,(e)assembly methods of the paper-based microfluidic chip,(f)fluorescent effect of sensing sites for detection of Cu2+ and Hg2+ under the ultraviolet lamp;(B) Structure diagram of chemical oxygen demand (COD) analysis system[42];(C) Multichannel capillary electrophoresis system for detection of organic pollutants[44]:(a)picture of the instrument,(b)3D rendition of the optical system;(D)Dielectrophoretic separation system on chip[55]: (a) schematic diagram of dielectrophoretic separation system,(b) details of the spiral structure,(c) details of dielectrophoretic separation chip

2.2 有機污染物

海洋中的有機污染物大多具有毒性，并且可造成水中溶解氧減少，危害海洋生態(tài)健康。海洋有機污染物分析的難點是污染物種類多且濃度極低（通常在ng/L 級別），有毒有機污染物包括石油烴、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、有機氯農(nóng)藥、有機磷農(nóng)藥和有機錫等，在近岸海水、沉積物和海洋生物體內(nèi)普遍檢出[40]。海水化學需氧量（COD）是表征海水中有機物污染程度的綜合指標，是衡量海洋水體質(zhì)量的基本要素之一。相對常規(guī)水體，海水COD 含量低、鹽度高且成分復雜，導致大多數(shù)分析方法不適用于海水?，F(xiàn)階段我國海水COD 的仲裁測定方法是基于《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378.4-2007）中規(guī)定的堿性高錳酸鹽氧化滴定的分析方法[41]，但是該方法分析過程繁雜，反應(yīng)時間長，時效差。曹煊等[42]采用臭氧發(fā)光機理實現(xiàn)了海水COD 的分析，同時借助微流控芯片技術(shù)，設(shè)計了高集成度的海水COD 分析系統(tǒng)（圖1B），該系統(tǒng)的測量范圍為0.1～1.0 mg/L，檢出限為0.08 mg/L，結(jié)構(gòu)簡單、測試時間短，可滿足海水COD 現(xiàn)場分析的需求。Li 等[43]開發(fā)了渦旋T 結(jié)構(gòu)微流控檢測芯片，基于臭氧化學發(fā)光原理設(shè)計了高集成度的COD檢測系統(tǒng)，并開展了海水COD 定量檢測試驗研究。測試結(jié)果表明，該芯片可產(chǎn)生定量可控的臭氧基氣泡用于COD 檢測，測量范圍為5～45 mg/L。該芯片檢測快速且受環(huán)境干擾較小。

Benhabib 等[44]研發(fā)了基于光譜分析的微流控芯片系統(tǒng)（圖1C），對多環(huán)芳烴進行了檢測，其檢測范圍為0.1 μg/L～400 mg/L。Nie 等[45]制造了一種基于介孔材料修飾碳盤電極的微流控芯片，可檢測海水中的硝基苯類化合物。這些芯片系統(tǒng)有望發(fā)展成為海洋有機污染物分析儀器的核心部件，為新污染物專業(yè)檢測儀器的研發(fā)提供了新思路。

氨基酸和蛋白質(zhì)等多存在于表層海水中，并且性質(zhì)不穩(wěn)定。海洋中的溶解蛋白中貯存了碳和氮，可影響全球碳和氮的循環(huán)。此外，溶解蛋白質(zhì)作為離散單元存在于環(huán)境中，是一種難降解的海洋有機物[46-47]。Garcia-Otero 等[48]用二維等電聚焦分級分離結(jié)合微流控芯片電泳，對表層和深層海水中的溶解蛋白質(zhì)進行了評估，在表層和深層海水中分別檢測到了分子量在15～63 kDa 和21～24 kDa 的溶解蛋白質(zhì)。該方法樣品消耗量低、處理步驟簡單，提升了分析靈敏度。

2.3 海洋微生物

2.3.1 海洋藻類

世界上有20～80 萬種微藻[49-50]。原生藻類可作為多種環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的指標。識別藻類傳統(tǒng)的方法是通過光學顯微鏡和分子生物學技術(shù)，從海洋中收集樣本，在實驗室進行成像分析和基因分型。這種方法雖然可靠，但費時費力，快速有效地識別和分離藻類是海洋微藻資源調(diào)查利用面臨的挑戰(zhàn)。

Yuan 等[51]提出了一種簡單、高效的方法，利用培養(yǎng)基的粘彈性在微流控通道中分離小球藻和枯草芽孢桿菌。該研究首次采用粘彈性微流控技術(shù)實現(xiàn)了微藻與細菌的連續(xù)無鞘分離。Wu 等[52]提出了一個基于微流體聚焦技術(shù)的微流控平臺，為處理擬菱形藻提供了一種簡單有效的方法。微流控芯片結(jié)合流式細胞術(shù)，有望實現(xiàn)低成本和便捷化海洋藻類分析。Hashemi 等[53]構(gòu)建了一種二維流動聚焦功能的微流式細胞儀。樣品流通過微通道頂部和底部的導流槽時，可在水平和垂直方向上實現(xiàn)流體動力學聚焦，使對稱的鞘流環(huán)繞載有微藻的樣品流。該微流控系統(tǒng)成功區(qū)分了4 種微藻，可檢測和表征較寬尺寸范圍（1～50 μm）內(nèi)的浮游生物。王俊生研究組[54]將微流控芯片、阻抗脈沖傳感和光誘導葉綠素熒光檢測集成為一個系統(tǒng)，可測量海洋藻類的數(shù)量、大小、形狀和體積，并測定了藻類葉綠素的熒光強度。此外，該研究組利用慣性力和介電泳力設(shè)計了一種微流控兩級分離芯片（圖1D），可實現(xiàn)扁藻、梭菌和小球藻3 種常見微藻細胞的快速準確分離，分離效率超過90%[55]。

2.3.2 海洋致病菌

海水組分復雜，海水中的致病菌含量低且易隨海流變化。致病菌常規(guī)鑒定方法是分離培養(yǎng)、鏡檢觀察、生化鑒定、嗜鹽性實驗等，不僅耗時長、操作復雜且靈敏度有限[56]。海洋致病菌分析方法需要具有良好的選擇性和較高的靈敏度。

Xu 等[57]研發(fā)了一種生殖細胞捕獲芯片，用于研究增殖性大腸桿菌的生殖機制。該芯片集成了藻類生長、生殖細胞釋放、捕獲和選擇性培養(yǎng)的功能，便于長期活細胞成像，并實現(xiàn)了生長培養(yǎng)基的快速交換，無需人工干預。Zeng 等[58]報道了基于嵌入光纖的微流控芯片，利用激光誘導熒光法對海洋污水中大腸桿菌進行單細胞檢測。Jin 等[59]采用微流控芯片集成環(huán)介導等溫擴增技術(shù)對空腸彎曲菌、單核細胞增生性李斯特菌、腸道沙門氏菌、福氏志賀氏菌、金黃色葡萄球菌、溶藻弧菌、霍亂弧菌、副溶血性弧菌、創(chuàng)傷弧菌和小腸結(jié)腸炎耶爾森菌共10 種水生致病菌進行了同時檢測。該方法能夠同時完成2 個樣品的基因分析，并達到了每個反應(yīng)7.92×10–3～9.54×10–1pg 純細菌基因組DNA 的定性檢測。

3 海洋原位在線監(jiān)測應(yīng)用

海洋原位監(jiān)測通常需要水下裝備和持續(xù)運行的平臺，監(jiān)測裝備在水下環(huán)境停留，缺乏人員維護且海洋情況復雜，對于微流控芯片穩(wěn)定性的要求較高。基于微流控技術(shù)的原位在線監(jiān)測裝備的優(yōu)勢是可降低能耗和試劑消耗，提升無人維護條件下監(jiān)測裝備的持久性，并使裝備核心部件的體積減小。目前，基于微流控技術(shù)的海洋原位在線監(jiān)測應(yīng)用較少，主要集中在海洋酸堿度、溶解氣體和營養(yǎng)鹽等常規(guī)化學參數(shù)的監(jiān)測。

3.1 海水酸堿度

海水pH 值是海洋監(jiān)測常規(guī)參數(shù)之一。海洋酸化被認為是嚴重的環(huán)境問題，因海洋酸化導致海洋表層混合層的海水pH 值每10 年下降約0.015 個單位[60-61]。因此，監(jiān)測海洋酸化的原位pH 值監(jiān)測設(shè)備需具有極高的精度和準確度。常規(guī)比色分析方法需采用pH 比色指示劑，在海洋監(jiān)測領(lǐng)域，百里香酚藍和甲酚紫分別是表層海水和剖面海水pH 檢測的標準指示劑[62]。

Pinto 等[27]發(fā)展了用于海水酸堿度分析的微流控芯片。PDMS 微流控芯片集成低成本光電子系統(tǒng)，光路長度減少至5 mm，采用基于比色法的pH 檢測，單次檢測僅需要9.6 μL 甲酚紫，總檢測時間約為8 min。該裝置在pH 7.5～8.2 范圍內(nèi)的分辨率為0.002 個單位，具有原位、自主、長期和低成本等優(yōu)勢。由于試劑消耗量較低，該方法將有望布設(shè)在位于海洋深處的水下基地中。Moradi 等[63]提出了一種基于微流控芯片的熒光傳感pH 檢測方法（圖2A），以熒光染料8-羥基芘-1,3,6-三磺酸三鈉鹽為熒光探針，通過多模光纖采集熒光信號，并采用光電二極管測量熒光強度進而得到pH 值。Lu 等[64]開發(fā)了一種pH 傳感芯片，采用聚乙烯醇化學固定甲酚紫制備pH 敏感膜，將膜涂覆到微流控芯片內(nèi)部腔壁上而形成傳感芯片。該pH 檢測芯片系統(tǒng)隨著離子強度的增加而表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，同時還具有可重復性、可逆性和耐久性。該方法可用于海洋惡劣條件下的pH 值在線監(jiān)測。基于電化學分析方法的微流控芯片也被研發(fā)用于海水pH 監(jiān)測。Yamada 等[65]使用微流控芯片結(jié)合離子選擇性場效應(yīng)晶體管構(gòu)建了pH 監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在120 s 內(nèi)可檢測約2.0 mL 樣品溶液。Gao 等[66]設(shè)計了一種基于石墨烯場效應(yīng)晶體管的微流控芯片用于海水pH 值檢測。該傳感器檢測結(jié)果波動幅度在3%以內(nèi)，有望用于海水pH 值實時檢測。

圖2 （A）微流控pH 傳感器[63]：（a）微流控pH 傳感器示意圖，（b）微流控pH 傳感器實物圖;（B）溶解氧傳感設(shè)備[69]：（a）全內(nèi)反射光學溶解氧傳感裝置示意圖，（b）全內(nèi)反射光學溶解氧傳感裝置的側(cè)視圖，（c）感應(yīng)溶解氧時全內(nèi)反射的熒光發(fā)射圖；（C）溶解CO2 檢測設(shè)備示意圖[74]：（a）嵌入微流控裝置中的微孔傳感器陣列示意圖，（b）微流控光電傳感器及嵌在微流控設(shè)備上的離子對摻雜的微珠陣列Fig.2 (A) Microfluidic pH sensor[63]: (a) diagram and (b) image of the microfluidic pH sensor;(B) Dissolved oxygen(DO)sensing equipment[69]:(a)conceptual design of total internal reflection optical DO sensing device,(b) image of the side-view of the total internal reflection optical DO sensing device,(c) image of fluorescence emission from the total internal reflection when sensing DO;(C) Schematic of dissolved CO2 detection equipment[74]: (a) schematic of the sensor array of microwells embedded in a microfluidic device,(b) microfluidic optoelectronic sensor: array of ion pair-doped microbeads embedded on the microfluidic device

3.2 海水溶解氣體

溶解氧是海洋生物維持生命的基礎(chǔ)，當海水溶解氧的日平均值小于3 mg/L 或24 h 內(nèi)的任何觀測值小于1 mg/L 時，即為低氧現(xiàn)象[67]。全球低氧海域正以每年5.54%的速率高速增長[68]。準確掌握海水溶解氧的變化，獲取高質(zhì)量、實時和連續(xù)的海水溶解氧數(shù)據(jù)具有重要意義。光學和微流控技術(shù)結(jié)合的光流控芯片被用于海洋溶氧檢測。Mahoney 等[69]提出了一種基于測量釕基氧敏染料中熒光猝滅的多層光流體裝置，采用激發(fā)光的全內(nèi)反射提高靈敏度（圖2B），可用于檢測海水中0～20 ppm（μg/mL）的溶解氧。

2020 年海洋吸收的二氧化碳總量為26～34 億噸[70-71]。海洋對人為CO2的吸收減少了大氣中的溫室氣體含量，在一定程度上緩和了全球變暖，但更多CO2溶解于海水中將引起海洋酸化，對海水化學環(huán)境產(chǎn)生顯著影響[72-73]。因此，監(jiān)測海水CO2濃度，厘清海洋CO2源匯過程，對實現(xiàn)碳中和目標尤為重要。Zilberman 等[74]提出了一種基于新型復合材料的微流控光電交叉反應(yīng)傳感器，用于選擇性檢測溶解的CO2（圖2C）。微流控裝置由填充有變色染料摻雜的離子交換聚合物微珠的微孔陣列構(gòu)成。該裝置對不同濃度的溶解CO2有光學響應(yīng)，并且不受其它酸性氣體的干擾。

3.3 海水營養(yǎng)鹽

營養(yǎng)鹽是與生物生長密切相關(guān)的物質(zhì)，海洋監(jiān)測涉及的營養(yǎng)鹽主要是氮、磷、硅元素的無機鹽。海水中的亞硝酸鹽濃度通常低且穩(wěn)定，亞硝酸鹽濃度過高或急劇變化是表明海洋環(huán)境變化的重要指標。磷酸鹽與富營養(yǎng)化密切相關(guān)，硅酸鹽的分布影響浮游藻類的群落結(jié)構(gòu)。準確監(jiān)測海洋中的營養(yǎng)鹽，對于了解海洋生態(tài)狀況和預測有害赤潮至關(guān)重要[75]。用于營養(yǎng)鹽測定的微流控芯片系統(tǒng)多基于分光光度法的檢測原理，運用精密加工技術(shù)將多種光電元件集成[76]。

Slater 等[77]研制了一種用于磷酸鹽持續(xù)性長期監(jiān)測的微流控傳感裝置，該裝置將采樣、試劑存儲、檢測和無線通信集成于一個便攜化平臺。Clinton-Bailey 等[78]提出了一個可溶性活性磷酸鹽原位監(jiān)測的微流控芯片平臺，改善了“磷酸鹽藍”檢測，采用聚乙烯吡咯烷酮替代傳統(tǒng)的表面活性劑，提高了靈敏度，并減少了溫度的影響。Morgan 等[79]開發(fā)了一種基于嵌入式微流控吸光池技術(shù)的全自動原位磷酸鹽分析儀，采用比色吸光光度法，以添加聚乙烯吡咯烷酮的磷鉬藍法測定海水中的磷酸鹽濃度。該設(shè)備檢出限為15.2 nmol/L，定量限為50.8 nmol/L，具有高原位精度。該裝置顯示了潮汐周期的影響，并證實了傳感器在觀察納摩爾變化的養(yǎng)分通量動態(tài)方面的可行性。

Beaton 等[80]研制了一種微流控芯片分析裝置，用于自然水域中的硝酸鹽和亞硝酸鹽分析，檢出限分別可低至0.025 μmol/L 和0.02 μmol/L。該裝置適用于多種自然水域，高降雨期后，使用該裝置跟蹤了河口流量增加造成的硝酸鹽-鹽度關(guān)系變化；在西非近海的毛里塔尼亞氧氣最低區(qū)底部水域，該裝置成功地在深海環(huán)境中使用微流控芯片裝置實現(xiàn)了硝酸鹽和亞硝酸鹽的監(jiān)測（圖3A），表明在較深海區(qū)域，其分析性能與傳統(tǒng)的自動分析儀器相當[81]。此外，將其集成在水下自主航行器中，展現(xiàn)了微流控芯片系統(tǒng)能夠在空間和時間尺度上以更高的分辨率準確捕獲數(shù)據(jù)的能力[82]。2022 年，該研究組報道了基于微流控芯片的比色分析裝置，實現(xiàn)了海洋表層到深海（>4800 m）的原位硝酸鹽和磷酸鹽監(jiān)測[26]。

圖3 （A）微流控芯片傳感器與鹽溫深測量系統(tǒng)（CTD）和底棲生物探測器相連[81];（B）硅酸鹽傳感器模型及實物裝置[83];（C）用于實時PCR 的微流控處理系統(tǒng)[84]：（a）用于微型PCR 熱循環(huán)儀的環(huán)境樣品處理器的微流控模塊，（b）微流控模塊并入ESP 及其特定組件的示意圖Fig.3 (A) The lab on a chip (LOC) sensor as attached to the conductive-temperature-depth (CTD) rosette and the benthic lander[81];(B) Silicate sensor model and real product[83];(C) Microfluidic system for real-time polymerase chain reaction(PCR):(a)microfluidic system for an environmental sample processor(ESP)with the miniature PCR thermal cycler[84],(b) schematic of microfluidic system incorporated into the ESP and specific components

Cao 等[83]提出了新一代微流控連續(xù)流動硅酸鹽傳感器，用于海水中可溶性硅酸鹽的原位測定（圖3B）。其反應(yīng)機理是硅酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)生成黃色硅鉬酸配合物，再經(jīng)抗壞血酸還原生成硅鉬藍。該傳感器的檢出限為45.1 nmol/L，分析周期約為5 min，具有精度高、集成度高、功耗低以及抗干擾能力強等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于膠州灣海水中硅酸鹽的測定。

3.4 海洋微生物

生物大分子的原位分子生物學分析常用于海洋微生物研究。結(jié)合微流控技術(shù)構(gòu)建原位水下分子生物分析儀可實現(xiàn)對海洋微生物的原位檢測?；谖⒘骺氐膶崟r聚合酶鏈式反應(yīng)（PCR）監(jiān)測裝置已有報道。微流控模塊由全氟丙烯-共四氟乙烯管組成，溫度控制部件由硅電阻加熱器與帶有發(fā)光二極管和固態(tài)檢測器的光學器件組成（圖3C）[84]。實時PCR 可通過硅電阻加熱器在加熱區(qū)中心的空氣分段液滴中進行。這種微流控裝置可對樣品中提取的DNA 進行定量PCR 分析，并可重復連續(xù)測量，不會產(chǎn)生交叉污染。此外，Wang 等[85]開發(fā)了一種基于激光誘導的葉綠素熒光的自動微流控系統(tǒng)，用于實時檢測壓載水樣品中的微藻類。該系統(tǒng)首次將自動高通量檢測系統(tǒng)和梯度濃度芯片相結(jié)合，用于壓載水中微生物的原位分析和處理。

4 結(jié)論與展望

本文以微流控芯片的材料和制作為出發(fā)點，從海洋環(huán)境分析和原位在線監(jiān)測的角度評述了微流控技術(shù)在海洋分析監(jiān)測中的應(yīng)用研究進展。由于微流控芯片具有低消耗和小型化等優(yōu)點，在海洋監(jiān)測領(lǐng)域具有較好的發(fā)展?jié)摿?。目前，微流控芯片需要與更多的技術(shù)融合，提升其普遍適用性及產(chǎn)業(yè)化前景。在海洋監(jiān)測領(lǐng)域，以微流控芯片為核心傳感部件，更好地適應(yīng)海洋監(jiān)測原位持久性、海水高鹽度復雜性、待測目標的低含量以及應(yīng)用環(huán)境（深遠海、極地）的惡劣性等一系列問題，是未來微流控芯片發(fā)展的主要方向。隨著芯片平臺分析方法以及流控設(shè)計需要的不斷深入，將從原理上提升芯片平臺的傳感靈敏度、選擇性和效率。此外，微流控芯片與智能化海洋平臺的結(jié)合前景廣闊，芯片可作為搭載部件，增強平臺的功能性。例如已在全球部署的Argo 浮標，通過在河流、湖泊和海洋等各種水環(huán)境中構(gòu)建時空密度較高的實時測量網(wǎng)絡(luò)，闡明了全球環(huán)境變化動態(tài)，將人類活動對海洋的影響可視化[10]。其次，以海洋應(yīng)用為模型，微流控技術(shù)還將應(yīng)用于探索地外水環(huán)境。行星著陸器和探索機器人的有效載荷極為有限，因此機載化學和生化分析儀的小型化至關(guān)重要。美國宇航局艾姆斯研究中心開發(fā)了一種用于冰凍世界生命的微流控樣品處理器，用于自主檢測木衛(wèi)二等冰蓋衛(wèi)星海洋中的生命跡象[10]。總之，微流控技術(shù)將在分析監(jiān)測的核心應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。