鉛（Pb2?）、鎘（Cd2?）、汞（Hg2?）等重金屬離子是一類化學(xué)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(nèi)蓄積會對人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響，可能導(dǎo)致癌癥、腎衰竭、免疫系統(tǒng)疾病和神經(jīng)退行性疾病，并對環(huán)境構(gòu)成威脅。因此，水體中重金屬離子的檢測對于生產(chǎn)符合國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量飲用水至關(guān)重要。目前，用于重金屬離子檢測的方法包括光譜技術(shù)（例如原子吸收光譜（AAS）和電感耦合等離子體質(zhì)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(zhǔn)確性和靈敏度高，但它們需要龐大且昂貴的設(shè)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(xùn)練有素的人員。最重要的是，這些技術(shù)不適合連續(xù)的樣本監(jiān)測。

據(jù)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(xué)和納米技術(shù)研究所（Institute of Nanoscience and Nanotechnology）、雅典國家技術(shù)大學(xué)（National Technical University of Athens）和雅典學(xué)院生物醫(yī)學(xué)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(yù)處理）和一個由電化學(xué)生物傳感器陣列構(gòu)成的檢測單元，用于重金屬離子的實時、無標(biāo)記檢測。相關(guān)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(shè)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(jìn)行構(gòu)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(chǔ)上進(jìn)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(diào)整沉積的納米顆粒的大小和顆粒間距離，可以達(dá)到一種半導(dǎo)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(xiàn)象可以通過連接劑的橋接作用進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)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?qū)B接劑不敏感的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，該復(fù)合材料的電導(dǎo)率會上升幾個數(shù)量級。與此相反，將納米顆粒放置得太遠(yuǎn)則會導(dǎo)致該復(fù)合材料呈現(xiàn)絕緣性，從而無法進(jìn)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(gòu)建了二維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此，傳感器的電導(dǎo)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(dāng)有重金屬離子存在時，雙鏈中的底物鏈出現(xiàn)自催化裂解。因此，可以預(yù)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(dǎo)率將顯著降低。該研究利用上述現(xiàn)象構(gòu)建了一種傳感器，其能夠?qū)U離子檢測和由此產(chǎn)生的脫氧核酶裂解轉(zhuǎn)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(jié)果表明，正如所預(yù)計的那樣，當(dāng)鉛離子濃度達(dá)到20 μM時，脫氧核酶雙鏈會出現(xiàn)裂解，從而在1 min內(nèi)使得所有傳感器記錄的電阻數(shù)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(xiàn)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(biāo)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(xiàn)，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(shè)計的微流控裝置即具有這種多路復(fù)用性，因為其由六個傳感器組成的陣列可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)匦揎椧詸z測不同的重金屬離子。此外，研究人員還打算將一些外圍設(shè)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(xiàn)場檢測重金屬離子。目前，研究人員已經(jīng)在朝著這個方向努力，以試圖推廣這種“先進(jìn)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。總體而言，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(xiàn)水體安全的無標(biāo)記、實時現(xiàn)場檢測。

審核編輯：劉清