海水营养盐微流控芯片分析平台的构建及其应用基础研究

Microfluidic chip， which was honored as "the technology for this century" in NATURE, had shown its great vitality in the field of biology, medicine and chemistry in recently years. However, this technology is in its infancy in marine science, and a lot of basic problems are in suspense..In this subject, marine nutrients, very basic but important parameters in marine chemistry, are chosen as the research object. A new seawater nutrient analysis platform based on microfluidic chip is developed to investigate the survivability of microfluidic chip in marine environment. Research of reliability, stability and sensitivity on platform are detailedly depolyed, including the development of whole-Teflon chip to decease the corrosivity, biological adhesion and adsorption of reagents in the microchannels, establishment of mixing and reaction kinetics models to optimize the pattern of the micromixing part,and, application of microlens and light screening technology to enhance the sensitivity. This subject provide a new protocol to develop high integrated level, low cost on situ (in situ) seawater nutrient sensor.Moreover, with the proceeding of this subject and breakthrough achievement, The results of this subject would give theoretical and experimental supports to apply microfluidic chip in the field of marine science.

被《Nature》杂志誉为"这一世纪的技术"的微流控芯片技术已在生物、医药和化学等领域显示出强大的生命力，然而这项技术在海洋科学尤其是海洋化学领域的应用才刚刚起步，尚有许多基础性的问题有待研究。.本课题选取海水营养盐这一海洋化学中基础却很重要的参数为研究对象，以探索微流控芯片的海洋适用性为目标，构建基于微流控芯片的海水营养盐分析平台。围绕该芯片平台的可靠性、稳定性和灵敏度三个因素展开基础性研究，包括建全特氟龙PFA材料芯片以提高分析系统的抗腐蚀性、抗生物附着性以及降低试剂吸附性，构建混合和反应动力学模型以筛选最佳微混合形式，开发和优化微透镜和光屏蔽技术以提高检测系统的灵敏度和稳定性等。本课题的开展为开发高集成度、低成本的现场（或原位）海水营养盐传感器提供一个新的研究思路，同时也为微流控芯片技术更快更好的应用于海洋研究领域提供理论和实验的依据。

海水营养盐（硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐、磷酸盐和硅酸盐）是海洋化学中基础却很重要的参数为研究对象。受限于湿化学分析检测方法，长久以来海水营养盐的现场（或原位）监测设备结构复杂，体积庞大，功耗和试剂消耗量大，这导致现阶段国内外现场海水营养盐分析设备的可靠性、稳定性等均无法满足长期连续观测的需求。.本课题将微流控芯片技术引入海水营养盐分析中，以探讨微流控芯片在海水分析领域实用性为目标，利用微流控芯片的高集成度，微流体反应，高传质导热等特点，整合基于湿化学反应的海水营养盐分析系统，构建新型的基于微流控芯片的海水营养盐分析平台，并对芯片平台的可靠性、稳定性和灵敏度进行考量，探讨微流控芯片在海洋监测领域应用的可行性。经过三年的工作，课题组全面完了预订的研究内容，包括：应用基础研究领域，以染色PMMA为芯片主载体，设计开发了快速芯片加工技术和键和技术，完成微流体控制元器件的设计加工和选型，完成微流体领域混合反应动力学和多光程分析测定的考察研究，构建出基于微流控芯片的全氮素营养盐微分析平台原理雏形。除此之外，课题组在应用研究领域，针对海洋原位观测的实际需要，对微芯片营养盐分析平台进行优化改进，包括结构改进、元器件优化改进、电路控制系统改进以及可靠性改进等，形成基于微流体技术的海水营养盐原位传感器工程样机，开展岸边实验和海试，优化系统可靠性、稳定性和环境适应性，最终形成产品化样机并移交国家海洋局北海监测中心，搭载浮标系统在渤海湾开展示范应用。.本课题是微流控芯片技术在海洋环境监测领域的一次有益的尝试，在从原理雏形到工程样机再到交付用户使用的过程中，探讨微流控芯片技术在海洋监测领域使用的可行性和可靠性，初步奠定了微流控芯片技术在海洋监测领域应用的基础。从目前的结果来看，该技术应用于海水营养盐原位分析是完全可能的，随着研究的推进，课题组也将在其他海洋湿化学分析领域应用微流控芯片这项技术。