基于微流体芯片的饮用水中消毒副产物的细胞毒性分析

Over the last a few decades, the rapid development in industry, biochemistry, medicine has resulted in more and more toxic or potentially harmful byproducts releasing into the environment. Disinfection practice in water treatment has greatly suppressed the occurrence of waterborne disease outbreaks. However, more complicated disinfection byproducts (DBPs) consequently have formed which pose a chronic risk to public health. It is an urgent need to develop rapid and sensitive methods to identity, quantify, and monitor pollutants in the environment. In recent years, more and more researchers have turned to microfuidics to analysis the pollutant in air, water and soil, and carry out in-vitro biochehmical tests. Base on the research work in last a few years, this project concentrates on identifying the categories DBPs in drinking water and the cytotoxicity analysis of DBPs with mammalian cell in microfluidic devices. In order to optimize the micrlfuidic system design, both experimental and numerical methods are utilized to understand the behaviours of fluid flow and heat transfer, and map out the shear stress and temperature distributions in microfluidic system. Microdroplets are used to concentrate the sample of DBPs for chromatographic analysis to identify the components. For cytotoxicity analysis, both the conventional method - cell density analysis, and Real Time-Polymerase Chain Reaction (RT-PCR) for the genetic analysis are applied.

在过去的几十年里，随着工业、生化、医药等行业的快速发展，水源污染问题日益严重。消毒剂的使用极大地控制了水源性疾病的爆发，但是也带来了复杂的消毒后副产物 (DBPs)。实验表明消毒副产物会给人类的健康造成巨大的威胁。如何快速、准确对环境的污染物进行定性、定量的分析和实时监测已经是迫在眉睫。 近年来，越来越多的科研人员关注于采用微流体技术来实现环境中污染物的检测和体外(in vitro)生化测试。本项目在申请人原有研究工作基础上，应用微流体技术继续深入分析研究水中DBPs的种类，及其对细胞毒性影响的基础研究。采用实验与数值模拟相结合，研究微流体系统中的流体剪切力和温度场的分布，对微流体系统进行优化设计。采用微液滴富集水样中的DBPs，并进行色谱分析。在细胞毒理测试分析方面，在采用传统的细胞密度分析的同时，尝试采用实时聚合酶链式反应（RT-PCR）对受毒害细胞进行基因测试分析。

消毒剂的使用极大地控制了水源性疾病的爆发，但是也带来了复杂的消毒后副产物 (DBPs),对人类健康造成越来越大的威胁。如何快速、准确对环境的污染物进行定性、定量的分析、实时监测以及生物毒性已经是迫在眉睫。. 本项目负责人及其所参与的课题组成员按照原项目所提出的科学问题研究思路，开展了相关的基础理论与实验研究。在该项经费的支持下，通过设备、实验耗材等采购，以及自制的简单设备搭建起微通道制备基本平台。结合课题组已有和其他课题组相关测试设备完成实验测试。目前所取得的主要成果总结如下：.（1）采用数值模拟技术和实验完成微通道几何结构的优化，以及牛顿流体—自来水和非牛顿流体—高分子溶液在微通道中流动特征的基础研究。通过采用微观下示踪粒子技术，确定微通道中牛顿流体的入口段长度与雷诺数成线性关系 Le/Dh=0.24+0.03Re。与常规尺度的通道相比，采用微通道一最典型的优势是有效减小流体的惯性而增大弹性效应。该项工作为人员研发微流体系统提供理论和实验依据;（2）基于氨基修饰的双壁碳纳米管电子传感器，通过与微流体技术结合，实现了对饮用水中二溴乙酸的检测。实验结果显示其具有极高灵敏度，检出限都达到1 ppt。传感器的选择性通过改变碳管的化学修饰来调整。连续性测试也证明该传感器在实时检测方面的可靠性。该项工作为发展简单、易携带和操作的检测方法提供参考;（3）基于微流体技术完成微型加热平台的开发。该系统能够并行地对多个微单元进行局部加热。且体积微小、易于与显微镜相结合进行实时观测、耗能低(mW)。实验证明其可以有效地进行hela细胞培养。其快速的响应和稳定的温度控制也可以尝试应用在化学合成方面;（4）采用树脂材料(NOA81)开发微流体芯片，实现了对果蝇头部细胞的实时聚合酶链式反应（RT-PCR）测试分析。该合成树脂价格低廉，有良好的生物相容性，光透性好，机械性能优异。并且芯片制作工艺简单、快捷、易操作。. 在上述成果的基础上，目前正在进行二溴乙酸对哺乳类细胞毒性的影响研究中，已经获得初步成果，论文正在书写中。