CN101806715B

CN101806715B - 用于比色法检测的容积可变微流控芯片

Info

Publication number: CN101806715B
Application number: CN2010101623552A
Authority: CN
Inventors: 鲍军波; 隋国栋
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: CN101806715A

Abstract

本发明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。

Description

用于比色法检测的容积可变微流控芯片

技术领域

本发明属于环境检测技术领域，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。

背景技术

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(BOD₅ ²⁰)、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S^2-、SO₃ ^2-、S₂O₃ ^2-、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锰：

4MnSO₄+8NaOH＝4Mn(OH)₂↓+4Na₂SO₄ (1)

2Mn(OH)₂+O₂＝2H₂MnO₃↓ (2)

2H₂MnO₃+2Mn(OH)₃＝2MnMnO₃↓+4H₂O (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I₂。因为固体碘I2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I₃ ^-形式存在。为方便起见，一般简写成I₂：

4KI+2H₂SO₄＝4HI+2K₂SO₄ (4)

2MnMnO₃+4H₂SO₄+HI＝4MnSO₄+2I₂+6H₂O (5)

定量释放出的I₂，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：

K₂S₂O₈+H₂O→2KHSO₄+[O·]

分解出的原子态氧在120-140℃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+2HaOH+8[O]→2NaNO₃+3H₂O+CO₂

(NH₄)₂SO₄+4NaOH+8[O]→NaNO₃+Na₂SO₄+6H₂O

NaNO₂+[O]→NaNO₃

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NO₃-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。本发明采用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。

发明内容

本发明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。

本发明提供的微流控芯片，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，反应均匀。

本发明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。

本发明中，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。

本发明的工作过程为：

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/指示剂，本发明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：本发明结构平面示意图。

图2：本发明结构立体图。

图3：本发明样品池进样前状态(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，本发明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或其他光源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。

本发明采用微流控芯片来实现快速、微量检测水中溶解氧、总磷、总氮、总氯等指标的含量，实验装置简单、试剂及用样量均小、检测快速、灵敏度高，通过更换不同的反应试剂和指示剂，本发明的微流控芯片可以用于各种基于比色原理的检测方法，如溶解氧检测、水体中总磷检测、水体中总氮检测，本芯片并不限于这几种检测方法，从原理上，任何基于比色原理的检测方法，都可以在本发明的芯片上实现。

示例一：碘量法测定水中溶解氧(Winkler法)

1.传统碘量法

传统碘量法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锰。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I₂。因为固体碘I₂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I₃ ^-形式存在。定量释放出的I₂，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。化学方程式为：2Na₂S₂O₃+I₂＝Na₂S₄O₆+4NaI

水中溶解氧含量(DO)可按下式计算：

DO(mgO₂/L)＝c×V×8×1000/V_水

式中：V为Na₂S₂O₃溶液的用量(mL)，c为Na₂S₂O₃的浓度(mol/L)，V_水为滴定时所取水样体积(mL)。

碘量法还可以测定水中的S^2-、As³⁺、As₂O₃、S₂O₃ ^2-、Sn²⁺等还原物质以及生物化学需氧量(²⁰ ₅BOD)、水中臭氧O₃、饮用水中的余氯等。

操作步骤：

向反应池3中进样，然后注入硫酸锰和碱性碘化钾溶液，混匀，再注入浓硫酸，和淀粉，测量700nm黄光LED测量吸光度，也可用硫代硫酸钠Na₂S₂O₃标准溶液反滴定，以吸光度最小时的注入的硫代硫酸钠Na₂S₂O₃标准溶液来换算水中溶解氧含量。

2.改进的Winkler法

改进的Winkler法试剂为氯化锰和碱性碘化钾试剂，硫酸溶解沉淀后直接通过LED检测反应所释放出的碘。

DO(mgO₂/L)＝k×d/V_水 (8)

式中：k为比例常数，由仪器校正时确定，d为吸光值，V_水为水样加样体积(mL)。

改进的Winkler法测定水中溶解氧，步骤少，与检测试剂的浓度和加样量基本不相关。

步骤：

向反应池3中进样，然后注入氯化锰和碱性碘化钾溶液，混匀，再注入浓硫酸，用420nm波长的蓝光LED测量吸光度。

示例二：水体中总磷检测

1.磷钼蓝法

向反应池3中进样，然后注入钼酸铵-硫酸溶液，混匀后注入酒石酸锑钾-硫酸钠-抗坏血酸混合溶液，混匀后，用700nm黄光LED测量吸光度。

2.钼酸盐-钒酸盐溶液黄色络合物比色测定法

向反应池(3)中进样，然后注入钼酸-钒酸铵溶液，混匀后，用420nm波长的蓝光LED测量吸光度。

磷吸光值＝样品吸光值-消煮空白液吸光值

注：环境水样需先进行高温高压或紫外消解后测试。

示例三：水体中总氮检测

1.国标方法(碱性过硫酸钾-紫外分光光度法)

水样经过硫酸钾-高温高压热氧化或紫外光氧化、二氧化钛光催化氧化或超声-臭氧氧化后，注入氢氧化纳溶液或硫酸溶液调节至pH5-9后注入反应池3，然后注入过硫酸钾溶液，混匀，冷却后注盐酸，混匀后分别用波长为220nm和275nm的紫外光测量吸光度。

由A＝A₂₂₀-2A₂₇₅计算得试样吸光度并扣除空白吸光度获校正后的吸光度，用校准曲线算出相应的总氮含量。

注：

(1)溶解性有机物对紫外光有较强的吸收，虽使用了双波长测定扣除法以校正，但不同样品其干扰强度和特性不同，“2A₂₇₅”校正值仅是经验性的，有机物中氮未能完全转化为NO₃-N对测定结果有影响也使“2A₂₇₅”值带有不确定性。样品消化完全者，A₂₇₅值接近于空白值。

(2)溶液中许多阳离子和阴离子对紫外光都有一定的吸收，其中碘离子相对总氮含量的2.2倍以上，溴离子相对于总氮含量的3.4倍以上有干扰。

(3)样品在于处理时要防止空气中可溶性含氮化合物的污染，检测室应避开氨或硝酸等挥发性化合物。

(4)在水样采集后立即放入冰箱中或低于4℃下保存，但不得超过24小时。水样放置时间较长时，可在1000ml水中加入约0.5ml硫酸(ρ＝1.84g/ml)，酸化到pH＝2，并尽快测定。

2.硫酸肼还原法

向反应池3中注入水样，注入铜锌溶液和硫酸肼溶液，静置。注入对氧基苯磺酸铵溶液，静置，再注入N-1-萘-2-二胺溶液，混匀，静置后用波长为540nm LED测量吸光度。

注：碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定水体中总氮是国标方法(GB11894-89)，消解过程中样品中NH⁴⁺-N易以氨气形式逸出，使测试的准确性、稳定性及重现性降低。消解不彻底、氧化剂分解不彻底都会影响吸光度的测定；双波长测定重现性差。

还可以利用超声空化效应协同臭氧氧化作为水样消解手段，常温常压下使水样中有机氮和无机氮转化为硝酸盐，使水样中各种磷酸盐转化为正磷酸盐，再通过紫外可见光检测系统测量水体中硝酸盐和正磷酸盐得出水体中总氮和总磷的方法。

Claims

1.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)。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：微阀(2)紧靠近反应池(3)，通道内不保留未反应的液体。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：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。