用于比色法检测的容积可变微流控芯片制造技术

本发明专利技术属于环境及水质监测技术领域，具体为一种用于比色法检测的容积可变微流控芯片。本发明专利技术通过可变体积的微流控芯片以及周边的泵阀，将繁琐的加液程序全部实现自动操作，通过光电检测器来检测反应物或指示剂的颜色变化，大大提高检测灵敏度和检出限，用样量少、检测时间短，实现实时在线测量。可用于水中溶解氧、生物化学需氧量、总磷、总氮、臭氧、余氯、有机物、重金属元素等多种指标的测定，特别适用于突发污染事故应急监测及野外现场测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境检测
，具体涉及一种采用比色法原理 测定水中多种成分 的微流控芯片，主要应用于环境监测、水质监测、科研、教学等多个领域。
技术介绍
比色法是广泛应用的传统化学分析方法，可以测定水中溶解氧(DO)、生物化学需 氧量(B0D52°)、臭氧、余氯、二氧化氯(ClO2)以及水中有机物和无机物还原性物质(如s2_、 S032-、S2O32-、Sn2+等)、总磷、总氮的测定。水中溶解氧测定原理是利用碘的氧化还原特性，通过碘自身的黄色或加入淀粉作 为指示剂进行比色测定。传统碘量法测定水中溶解氧原理是在水样中加入硫酸锰和碱性碘 化钾，生成氢氧化锰沉淀。此时氢氧化锰性质极不稳定，迅速与水中溶解氧化合生成锰酸 猛4MnS04+8Na0H = 4Mn (OH) 2 丨 +4Na2S04 (1)2Mn (OH) 2+02 = 2H2Mn03 I(2)2H2Mn03+2Mn (OH) 3 = 2MnMn03 丨 +4H20 (3)加入浓硫酸使已化合的溶解氧(以MnMnO3的形式存在)与溶液中所加入的碘化 钾发生反应而析出碘12。因为固体碘12在水中的溶解度很小(0.0013mol/L)，但I2易溶于 KI溶液中，这时I2在KI溶液中以13_形式存在。为方便起见，一般简写成I2 4KI+2H2S04 = 4HI+2K2S04(4)2MnMn03+4H2S04+HI = 4MnS04+2I2+6H20 (5)定量释放出的12，以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠Na2S2O3标准溶液滴定至蓝色消 失为滴定终点。根据硫代硫酸钠Na2S2O3标准溶液的用量，间接求出水中氧化性物质的含量。总磷是水体富营养化的限制性因子，常用的总磷测定方法有磷钼蓝分光光度法、 氯化亚锡还原光度法等。总氮测定总氮包括溶液中所有含氮化合物，即亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机盐氮、 溶解态氮及大部分有机含氮化合物中的氮的总和。总氮中对人体危害最大的是亚硝酸盐 氮，当水中的亚硝酸盐氮过高，饮用此水将和蛋白质结合形成亚硝胺，是一种强致癌物质， 长期饮用对身体极为不利。而且氨氮在厌氧条件下，也会转化为亚硝酸盐；饮用水中硝酸盐 氮在人体内经硝酸还原菌作用后被还原为亚硝酸盐氮，毒性将扩大为硝酸盐毒性的11倍， 主要影响血红蛋白携带氧的能力，使人体出现窒息现象。总氮还是水体富营养化的主要指 标。掌握总氮排放量、分布状况以及主要来源，对控制水体富营养化、改善水质具有十分重 要的意义，是衡量水质的重要指标之一。目前基于比色原理检测总氮的方法有很多种，常用的国标法碱性过硫酸钾-紫外 分光光度法测定水体中总氮(GB11894-89)是将水样用过硫酸钾氧化，大部分有机氮化合 物及氨氮、亚硝酸盐氮全部氧化成硝酸盐。硝酸根离子在紫外线波长220nm有特征性吸收， 而在275nm波长则基本没有吸收值。因此，可分别于220和275nm处测出吸光度。反应式如下K2S208+H20 — 2KHS04+分解出的原子态氧在120-140°C高压水蒸气条件下可将大部分有机氮华合物及氨 氮、亚硝酸盐氮氧化成硝酸盐。以CO(NH2)2代表可溶有机氮合物，各形态氮氧化示意式如 下CO (NH2) 2+2Ha0H+8 — 2NaN03+3H20+C02(NH4) 2S04+4Na0H+8 — NaN03+Na2S04+6H20NaN02+ — NaN03硝酸根离子在紫外线波长220nm有特征性吸收，而在275nm波长则基本没有吸收 值。因此，可分别于220和275nm处测出吸光度。A220及A275按下式求出校正吸光度A A = A220-2A275按A的值扣除空白后用校准曲线计算总氮(以N03-N计)含量。从以上的例子可以看出，传统的比色法是一种纯化学检测方法，耗时长，程序繁 琐，这些方法或操作步骤冗长繁琐，或试剂配制工作量较大，其中有些需现用现配，或需绘 制校准曲线，或干扰因素较多，或需要使用较昂贵的仪器，而且对操作人员专业技能要求 高，只能在实验室完成，无法满足在线测量的要求，如野外现场测试、突发性污染事故的现 场监测等。本专利技术采用MEMS技术设计、制备微流控芯片，实现全自动加液控制，将繁琐的加 液滴定程序全部实现自动化操作。通过光电检测指示剂的颜色变化，不需要反滴定操作，大 大提高了检测灵敏度和检出限(检出限可达ppb级)，用样量少、检测时间大大缩短，造价低 廉，可以实现实时在线测量。对于水中溶解氧变化范围很大的样品，可以根据仪器初测水中 溶解氧的大致含量，通过仪器自动选用不同浓度的反应试剂和加样量，从而实现精确测量。 可用于各种环境水中多项指标的快速检测，特别适用于突发污染事故应急监测及野外现场 测试。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种检测灵敏度高，检测时间短，造价低廉，可以实现实时 在线测量的微流控芯片。本专利技术提供的微流控芯片，其材料采用硅、石英、玻璃或塑料，如聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、硅胶如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。样品可以从不同的通道(适 用于二通微阀)或单个通道(适用于三通微阀)进入反应池，微流控芯片基座上装有涡旋 器和/或在通道外连接循环泵，以使反应池内液体充分混合，反应均勻。本专利技术的微流控芯片结构具有2-6个进出样通道，每个进出样孔通过通道与反应 池3相连，在最靠近反应池3的通道处设有微阀2，以使靠近反应池3的通道内不保留任何 液体；反应池3具有弹性，容许5%的加液过量。在进样孔1与反应池3的同一平面上下具 有LED或其他光源4和光电池5作为光信号检测。放置微流控芯片的基座上装有涡旋器6 和温度控制器7。本专利技术中，微阀2是两通的，或是三通的，其中一通作为加样废液放空用，实现一 个通道进多种样品/试剂的功能。所述反应池3的主体材料为硅、石英、玻璃或塑料，反应池内表面是修饰或未修饰的。 反应池3上下表面用聚氨酯膜或硅橡胶膜制成，具有弹性，与反应池3主体材料形 成封闭的密封腔。在芯片外部将任意两个进样通道或出样通道1连为回路，并加循环泵，使反应池3 内液体旋转混合并反应完全。本专利技术的工作过程为进样前清洗反应池3，进纯水样品使光电比色调零。排空反应池3，并使反应池3 上下薄膜处于负压状态。通过进出样通道1加入定量样品，再加入非定量的反应液/指示 齐U，本专利技术设计容许加液过量而不会导致反应池3内的压力增加。充分混合并通过LED和 光电检测器监视反应进程，当反应稳定后，将光电检测器的读数作为最终测量结果，并转换 为浓度值显示。对于水中溶解氧变化范围很大的样品，可以根据仪器初测水中溶解氧的大 致含量，通过仪器自动选用不同浓度的反应试剂和加样量，从而实现精确测量。附图说明图1 本专利技术结构平面示意图。图2 本专利技术结构立体图。图3 本专利技术样品池进样前状态(A)、进样加液适量状态(B)和超量进样加液状态 (C)示意图。图中标号1.进出样通道，2.微阀，3.反应池，4.LED，5.光电池，6.涡旋器，7.温 度控制器。具体实施例方式具体制作结构参见图1。开机后启动控温器7，清洗反应池3，进纯水样品使光电比 色调零。排空反应池3，并使反应池3上下薄膜处于负压状态。通过进出样通道1加入定量 样品，再加入非定量的反应液/指示剂，本专利技术设计容许加液过量而不会导致本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于比色法检测的容积可变微流控芯片，其特征在于，该芯片的结构具有２－６个进出样通道，每个进出样孔通过通道与反应池（３）相连，在最靠近反应池（３）的通道处设有微阀（２）；反应池（３）的上下表面具有弹性，向样品加入反应液时，容许加液过量而不会导致反应池（３）内的压力增加；在进样通道（１）与反应池（３）的同一平面上装有光源（４）和光电检测器（５）作为光信号检测；放置微流控芯片的基座上装有涡旋器（６）和温度控制器（７）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍军波，隋国栋，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]