CN102784672A

CN102784672A - 一种检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法

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Publication number: CN102784672A
Application number: CN2012102854479A
Authority: CN
Inventors: 沙俊; 王晓东; 聂富强
Original assignee: SUZHOU WENHAO CHIP TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU WENHAO CHIP TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本发明涉及一种检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法。该芯片是圆片状带微结构和微通道的离心式微流控芯片，在离心机旋转产生的离心力驱动下，完成样品与试剂的混合、反应和分离过程，以紫外可见光分光光度计定量或定性检测出样品中硝酸盐和亚硝酸盐的含量。该离心式微流控芯片需要试剂与样品少，无需进样前处理，可同时处理和检测多个样品，实现了检测的集成化、微型化、自动化，具有经济、快速、便携、高效的特点，为水体、土壤和食品中硝酸盐和亚硝酸盐的快速定量检测提供了一种全新的分析技术。

Description

一种检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片，该离心式微流控芯片是表面有微结构和微通道的圆片状芯片，在离心机旋转产生的离心力驱动下，实现样品与试剂的混合、反应和分离过程，以紫外可见光分光光度计定量或定性检测出芯片上样品中硝酸盐和亚硝酸盐的含量，主要应用于卫生检疫、食品安全、环境保护、水质监测等相关领域。

背景技术

随着社会经济的迅速发展和环境资源的过度开发，产生的环境污染问题引起了民众的日益关注。例如，目前广泛采用的含氮农药、化学氮肥及含氮工业废水、废渣对土壤和水体造成的硝酸盐和亚硝酸盐污染已经威胁和危害到了环境和人们的健康。

硝酸盐和亚硝酸盐的检测首先需要对样品进行前处理，主要包括预处理、提取、净化、浓缩、衍生等过程，样品前处理所花费的时间约占样品分析时间的60％，引起的误差约占检测误差的30％，而仪器误差只占8％。由此可见，样品前处理在样品分析检测中非常重要。目前，常规样品前处理技术有微波消解、固相微萃取、快速溶剂萃取、微波萃取和超临界萃取，可以有效地进行样品前处理，但样品用量大，损失多，操作时间长，成本较高。因此，发展一种快速、高效、样品前处理简单、样品损失小、易于自动化、试剂用量小的样品前处理方法，是检测硝酸盐和亚硝酸盐的技术发展的迫切需求。

近年来，微流控芯片作为一种新型的分析平台，是一种结合样品前处理和检测手段的新兴分析技术，具有微型化、自动化、高通量、集成化、便捷和快速等优点，在生物医学、药物筛选、卫生检疫、环境检测等领域获得了广泛的应用。然而，采用圆片状芯片，在其表面制备微结构和微通道用于分析检测，无需外置驱动泵和阀，依靠离心力驱动和控制样品微流体，同时完成数个样品分析检测的离心式微流控芯片技术，目前在快速检测硝酸盐和亚硝酸盐的应用领域尚未有实质性的突破。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，该检测芯片是圆片状带微结构和微通道的离心式微流控芯片，在离心机旋转产生的离心力驱动下，实现待测样品与试剂在芯片微通道中的混合、反应和分离过程，以紫外可见光分光光度计定量或定性检测出芯片上样品中硝酸盐和亚硝酸盐的含量。离心机的旋转平台专为圆片状芯片设计，中心以吸盘、卡槽或螺丝-螺母固定圆片状离心式微流控芯片。离心式微流控芯片由多层刻有微结构和微通道的芯片和双层粘性薄膜封合而成。离心式微流控芯片的微结构和微通道的尺寸是微米级别，包括样品池、反应池、检测池、微阀、微流体通道和微孔。

为实现上述目的，本发明采用以下操作步骤：

1.用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的各层芯片的微结构和微通道图形；

2.通过微加工技术在各层离心式微流控芯片基材表面加工所需的微结构和微通道，包括样品池、反应池、检测池、微阀、微流体通道和微孔；

3.在还原反应样品池中加入固体试剂；

4.将各层离心式微流控芯片对齐、粘合、加压封合，组成检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片。

5.芯片封合后，将标准溶液和待测水样从样品注入孔加入；

6.启动离心机，标准溶液和待测水样与固体试剂进行混合、反应和分离的样品前处理；

7.样品前处理完成后，通过紫外可见光分光光度计检测出结果。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、COC、硅片、玻璃、铜、铝、不锈钢圆片，也可是市售的各类CD光盘。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的芯片可以通过离心机的吸盘、卡槽固定，也可通过螺丝-螺母固定。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片可以是中心有孔芯片，也可是无孔芯片。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的分析样品可以是土壤、水体，也可是各类食品。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的微结构和微通道可以通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀制备，也可用软刻蚀技术制备。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的各层芯片之间用双层粘性薄膜封合，双层粘性薄膜可以是力致双层粘性膜，也可是普通双面胶。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的样品池与检测池之间的连接微通道的宽度和深度均为380μm，置入外径375μm的石英毛细管作为微阀，石英毛细管的内径可以是100、75、50μm，也可是25μm，通过改变石英毛细管的内径大小来调控样品微流体通过石英毛细管所需的离心力。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片依靠离心力来驱动芯片微通道中样品微流体，固体试剂与溶液混合操作时，离心机转速为150～300转/分，而溶液分离通过石英毛细管的离心转速为700～1000转/分。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的NO₃ ^-测定反应分两步进行，NO₃ ^-首先被固体试剂

6还原为NO₂ ^-，NO₂ ^-再与固体试剂3反应生成衍生物粉红色偶氮染料。NO₂ ^-的测定直接采用第二步反应。

本发明中，检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片用于测定反应的固体试剂

6的用量为7.5～8.5mg，而固体试剂

3的用量为4.5～5.5mg。

本发明提出的检测硝酸盐和亚硝酸盐的圆片状离心式微流控芯片，可同时检测多组样品，单位时间的平行检测能力高，降低了试剂与样品的用量，简化了样品前处理步骤，缩短了检测时间，具有便携、经济、快速、高效的特点，在实时、快速、高效检测硝酸盐和亚硝酸盐的相关领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1.检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的结构示意图。

A.第1层(底层芯片，封合用)，B.第2层(双层粘性薄膜，粘合用)，C.第3层(中间层主芯片，有微结构和微通道)，D.第4层(双层粘性薄膜，粘合用)，E.第5层(上层芯片，有进样孔和通气孔)，F.一组样品分析检测单元的结构示意图：1)还原反应样品池，2和3)衍生反应样品池(检测池)，4)石英毛细管，5、6和7)通气孔。

具体实施方案

实施例1

用计算机辅助设计软件设计和绘制检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片的微结构和微通道图形。通过数控CNC加工制备三层环烯烃共聚物(COC)圆片状芯片的微结构和微通道，分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用乙醇擦拭芯片表面残留的指纹、油渍等污渍。在两层双面胶薄膜上，用刻字机加工制备所需的微结构和微通道。称量5mg

3直接置于衍生反应样品池(检测池)后，将三层COC芯片和两层双面胶薄膜小心对齐、粘合、加压封合，制成检测芯片。在样品注入孔处加入100μL标准溶液或待测水样，离心式微流控芯片在离心机上以150转/分进行混合，反应10min后，用紫外可见光分光光度计在507nm最大吸收波长处测定溶液吸光度，获得样品中亚硝酸盐的含量。

实施例2

用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的微结构和微通道图形。通过数控CNC加工制备三层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)圆片状芯片的微结构和微通道，分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用乙醇擦拭芯片表面残留的指纹、油渍等。在两层力致粘性薄膜上，用刻字机加工制备所需的微结构和微通道。称量8mg

6和5mg

3分别置于还原反应样品池和衍生反应样品池中。将三层PMMA芯片和两层力致粘性薄膜小心对齐，粘合，加压封合，制成检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片。在样品注入孔处加入100μL标准溶液或待测水样，离心式微流控芯片在离心机上以150转/分转速进行混合，反应10min后，再以700转/分转速进行离心，将样品池中溶液全部移至检测池，混合反应10min后，用紫外可见光分光光度计在507nm最大吸收波长处测定反应溶液的吸光度，检测出水中总硝酸盐的含量。称量5mg

3直接置于衍生反应样品池(检测池)后，在样品注入孔处加入100μL标准溶液或待测水样，离心式微流控芯片在离心机上以150转/分进行混合，反应10min后，用紫外可见光分光光度计在507nm最大吸收波长处测定溶液的吸光度，获得水中亚硝酸盐的含量。将样品中总硝酸盐的含量减去亚硝酸盐的含量，得到硝酸盐的含量。

Claims

1.一种检测硝酸盐和亚硝酸的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，该检测芯片是圆片状带微结构和微通道的离心式微流控芯片，在离心机旋转产生的离心力驱动下，实现待测样品与试剂在芯片微通道中的混合、反应和分离过程，以紫外可见光分光光度计定量或定性检测出芯片上样品中硝酸盐和亚硝酸盐的含量。离心机的旋转平台专为圆片状芯片设计，中心以吸盘、卡槽或螺丝-螺母固定圆片状离心式微流控芯片。圆片状离心式微流控芯片由多层刻有微结构和微通道的芯片和双层粘性薄膜贴合而成。离心式微流控芯片的微结构和微通道的尺寸是微米级别，包括样品池、反应池、检测池、微阀、微流体通道和微孔。

2.按权利要求1所述的检测硝酸盐和亚硝酸的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，其制作步骤如下：

1)用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的各层芯片的微结构和微通道图形；

2)通过微加工技术在各层离心式微流控芯片基材表面加工所需的微结构和微通道，包括样品池、反应池、检测池、微阀、微流体通道和微孔；

3)在还原反应样品池中加入固体试剂；

4)将各层离心式微流控芯片对齐、粘合、加压封合，组成检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片。

5)芯片封合后，将标准溶液和待测水样从样品注入孔加入；

6)启动离心机，标准溶液和待测水样与固体试剂进行混合、反应和分离的样品前处理；

7)样品前处理完成后，通过紫外可见光分光光度计检测出结果。

3.按权利要求1或2所述的检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种硝酸盐和亚硝酸盐检测芯片的核心功能器件是圆片状离心式微流控芯片，微流控芯片的微结构和微通道是通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀、软刻蚀技术的微加工方法在芯片基材表面制备，芯片可以批量生产、多次利用、灵活设计与组装。

4.按权利要求1或2所述的检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种硝酸盐和亚硝酸盐检测芯片无需任何外置的泵和阀，样品微流体在离心力驱动下与固体试剂进行混合、反应和分离。

5.按权利要求1或2所述的检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种硝酸盐和亚硝酸盐检测芯片由多层芯片叠加而成，构成三维立体的微结构和微通道网络，可以直接在同一张芯片上完成样品预处理和检测，无需进样前处理。

6.按权利要求1或2所述的检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种硝酸盐和亚硝酸盐检测芯片可以同时检测样品中硝酸盐和亚硝酸盐的含量。

7.按权利要求1或2所述的检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种硝酸盐和亚硝酸盐检测芯片可以在一块芯片上制作多组微结构和微通道，构成多组样品分析检测单元，可以高通量采样，提高单位时间的平行检测能力。

8.按权利要求1或2所述的检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种硝酸盐和亚硝酸盐检测芯片的微阀由石英毛细管预埋入微通道中构成，通过控制石英毛细管的内径来调控样品微流体的流动。

9.按权利要求1或2所述的检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种硝酸盐和亚硝酸盐检测芯片是通过改变离心机的转速，使样品和固体试剂充分混合和反应，反应产物在离心力驱动下，由反应池通过石英毛细管转移至检测池，石英毛细管的内径越小，样品微流体通过该石英毛细管所需的离心力就越大，所需离心转速就越高。

10.按权利要求1或2所述的检测硝酸盐和亚硝酸盐的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种硝酸盐和亚硝酸盐检测芯片设备简单、便于携带、直接采样、无需进样前处理、试剂用量小、分析检测能力高、易与检测器连接、样品预处理和检测过程在同一芯片上完成、样品无需转移、样品交叉污染几率小，很好地满足微全分析系统发展的需要，在快速检测硝酸盐和亚硝酸盐的相关领域具有广泛的应用前景。