监测水中铁和铜离子的含量对于很多实际应用都至关重要，因为这两种金属都会对水质产生重大影响。世界卫生组织（WHO）建议的饮用水中铁离子含量上限为0.3 ppm，然而，有些地区的实际值可能高出几个数量级。除了潜在的健康风险，铁离子含量过高也会造成接触器具的污染及损坏。此外，铜离子的浓度也可以达到几个ppm，尤其是在铜制的冷热水管道中。世界卫生组织规定的铜离子的最高允许浓度为2 ppm。但是，如果水在管道中停留时间过长，就会超过这一水平。与铁相似，铜离子浓度过高也会对水质产生负面影响（例如饮用水的苦味和锅炉系统的腐蚀等），并增加健康风险。
另一方面，铁离子和铜离子又都是重要的微量营养元素，在农业生产中监测它们的含量对于提高产量、避免施肥过量或不足至关重要。这在水培应用（即无土栽培系统）中尤为重要，因为水培系统的生长速度更快，作物长期暴露在营养液中。营养液中铁离子的浓度通常在1到几个ppm的范围内，而铜离子的浓度则大多低于0.1 ppm。不过，这在很大程度上受作物种类、作物生长阶段、系统的具体情况，甚至系统中取样点位置的影响，因此需要定期监测。金属离子通常以螯合物的形式添加，以提高营养液的稳定性。此外，螯合剂的使用在许多其他应用中也很常见，例如洗涤剂、造纸或食品工业，这也意味着这些化合物会随后进入自然环境。然而，由于螯合剂会干扰金属与比色试剂之间形成的络合物，从而导致检测结果误差，大大增加了用简单分光光度法分析金属离子的难度。
纸基微流控分析器件（μPADs）凭借其便携性、低成本和易于操作而前景广阔。如果与比色检测相结合，μPADs使用起来也更加简单直观。在信号读取方面，还可以使用智能手机或扫描仪等简单易用且广泛普及的设备。另外，完全无需仪器的信号读取也已得到证实，不过，使用它们只能进行半定量分析，而且读取结果极易受到用户主观差异的影响。
尽管，在实验室环境中，μPADs有许多前景看好的演示，但仍未能投入实际应用。据麦姆斯咨询介绍，爱沙尼亚塔尔图大学（University of Tartu）的研究人员开发了一种基于多孔颗粒材料的新型毛细管效应驱动微流控技术。与μPADs类似，该技术采用被动液体输送，无需外部泵，同时保持了分析的简便性和低成本。这种基于颗粒的微流控技术（PBM）的优势在于，可以选择使用不同大小、孔隙率以及表面化学性质的颗粒，而不是用纸基材料来生产整个芯片或芯片的特定区域。这样就能更好地控制材料流动特性和分析功能，进而开发专门适用于所需分析物或工艺的器件。此外，与纸基材料相比，市售颗粒材料的选择范围更广。最后，由于PBM芯片采用丝网印刷制成，其整个制造过程只有一个步骤，因此既适合快速原型开发，又方便进行大规模量产。
这项研究旨在第一次证明PBM能够用于构建一种既实用又简单的测试方法，可用于分析实际水环境中的样本。该研究成果已经以“Real-World Implementation of Particle-Based Microfluidics: On-Spot Test for Iron and Copper Ions in Water”为题发表于ACS Omega期刊。具体来说，该研究展示了一种用于定量分析水样中溶解的总铁和总铜的简单比色测试方法。此外，在实际应用中，该测试能在相关浓度水平（0.1-5 ppm）下测量真实样本中的分析物，相对标准偏差（RSD）小于10%，并能在一小时内完成整个分析过程。
为了实现既定目标，研究人员在PBM中加入了几点创新。首先，他们使用了固定化比色络合试剂，可以从大量样品中浓缩分析离子，从而实现高灵敏度。其次，与类似的基于距离的μPADs相比，首次将两种络合物试剂依次放置。这提高了测试的选择性，并能更有效地利用整个样品。第三，研究人员采用颗粒材料代替纸张，省去了辅助试剂的需要（通常用其使底物和比色试剂的组合与分析相容）。综合这些方面的创新，研究人员实现了一种具有高灵敏度和宽工作范围的独特检测方法，非常适合实际应用。
丝网印刷PBM芯片由一个主通道（12 mm宽）和两个作为控制通道的窄侧通道（2.5 mm宽）组成。主通道的顶部还连接着四张叠放在一起的纸垫（Whatman CF4纸，尺寸为2.5 mm x 2.4 mm），以使所有样品都能流过测试。样品添加区位于芯片底端三个通道的连接处。
PBM芯片设计和组件。（a）设计和印刷芯片上的不同区域。BP区域用红色斜线表示，BC区域用黄色竖线表示。样品添加区域用蓝色圆圈表示，对照溶液区域用绿色椭圆表示。（b）装配测试剖视图，组件：（1）用于添加样品的离心管；（2）带螺纹插件的3D打印盖；（3）叠放的纸质吸附垫；（4）显微镜载玻片上的丝网印刷芯片。
采用所开发PBM芯片检测（a）铁和（b）铜的校准曲线
总结来说，研究人员开发了一种基于多孔颗粒材料的微流控检测方法，可用于现场测量水样中溶解的铁离子和铜离子含量。测量这两种分析物的工作范围为0.05～5 ppm，铜离子的检测限（LoD）为38 ppb，铁离子为10 ppb。该测试方法简单（包括样品预处理阶段）、可现场操作，仅需一台轻便的便携式扫描仪进行定量。这些功能和优势使该检测方法成为实际环境中定量监测金属含量的理想选择。此外，研究人员还研究了不同螯合剂的影响，并通过向样品中添加铝离子的新方案，证明了在水培营养液中定量铁离子和铜离子的可能性。
最后，该检测方法中使用的所有化学品和材料都是经济且环保的，使用后，主要测试组件（玻璃基板、塑料盖）都可重复使用，其余组件还可以回收。因此，这项研究可以说实现了业界长期努力但仍未实现的目标，即开发一种功能完整、可大规模量产且适合普通消费者使用的微流控分析器件。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsomega.4c10152
