CN103140755A - 用于碱度分析的芯片上实验室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种芯片上实验室装置和采用芯片上实验室装置用于确定在水中出现的种类的浓度的方法。

Description

用于碱度分析的芯片上实验室
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年7月22日申请的发明题目为“用于碱度分析的芯片上实验室”的美国临时申请No.61/399,98的优先权，其的全部内容和公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及水中的碱度检测。
背景技术
精确的碱度确定对于许多工业和水类型是重要的。例如，在饮用水中，高的碱度可以导致令人讨厌的味道。水的碱度与其的酸中和能力相同，且被测量为所有可滴定的碱的总和。由于氢氧化物、碳酸盐、重碳酸盐以及其它形式的氧化碳的存在，水具有高的碱度。
碱度对于许多管理机构(诸如EPA和FDA)来说是需要报告的参数。EPA将pH值(其是碱度的函数)列出作为二次饮用水标准，将pH值限制为6.5-8.5。在工业水排放标准中也使用碱浓度。依据EPA消毒副产物规则，工业污水碱度被控制为碱度根据基于水中的总有机碳(TOC)浓度增加或减小，这是因为TOC与三卤代甲烷的形成相关联。三卤代甲烷可能产生负面的健康作用，并且EPA将饮用水中的一些三卤代甲烷的浓度限制成每十亿分之80(ppb)。
发明内容
根据本发明的第一广义方法，提供了一种装置，包括：一个或更多个芯片，每个芯片包括：包括入口的样本通道，在样本通道中的一个或更多个试剂区，和在通道中的光学路径，其中每个试剂区包括用于与穿过样本通道的水样本混合的一种或更多种试剂，和其中所述一种或更多种试剂中的至少一种是指示剂，所述指示剂在与水样本中的成分和/或所述一种或更多种试剂中的已选择的一种或更多种相互作用时改变颜色。
根据本发明的第二广义的方面，提供了一种方法，包括下述步骤：(a)迫使水样本穿过芯片中的样本通道，以将水样本与定位在样本通道的一个或更多个试剂区中的一种或更多种试剂混合，并且由此形成了由于一种或更多种试剂与水样本的成分和/或所述一种或更多种试剂中的已选择的一种或更多种相互作用而呈现颜色变化的混合物，(b)测量混合物在样本通道中的光学路径上的颜色变化，和(c)基于在步骤(b)中测量的颜色变化在可视显示装置上显示数据。
附图说明
附图示出了本发明的示例实施例，其与上文给出的整体描述以及下文给出的详细描述一起用于说明本发明的特征。附图不一定是成比例的，一些特征可能被夸大以显示特定部件的细节。因此，此处公开的特定细节不能被解释成限制性的，而是仅被解释为权利要求的基础以及教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性的基础。结果，本发明不限于下文描述的特定示例，而是仅由权利要求和他们的等同物来限制。
图1是根据本发明的一个实施例的高碱度范围的芯片上实验室装置和便携式读取装置的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的高碱度范围的芯片上实验室装置的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的低碱度范围的芯片上实验室装置和便携式读取装置的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的仅包括显示器和缓冲剂的碱度芯片上实验室装置的示意图。
图5是与传统的强酸滴定标识的变化相比较的随着样本中的碱度增加在缓冲颜色指示剂上的影响的图表表示。
图6是根据本发明的一个实施例的依据其可以确定碱度的所述方法的图表表示。
图7是根据本发明的芯片设计的分解视图。
图8是根据本发明的一个实施例的显示与读取装置和显示器接口接合的碱度芯片的视图。
图9是根据本发明的一个实施例的芯片读取器的透视图。
图10是根据本发明的一个实施例的实验室读取装置的透视图。
图11是根据本发明的一个实施例的手持式读取装置和碱度芯片上实验室装置的透视图。
图12是根据本发明的一个实施例的口袋式或手持式读取装置的透视图。
图13显示根据本发明的一个实施例的作为吸光率的方式地计算所述碱度的方法。
图14是包括成堆叠配置的多个芯片的芯片上实验室装置的透视图。
图15是包括成并排堆叠配置的多个芯片的芯片上实验室装置的透视图。
具体实施方式
定义
在术语的定义背离所述术语的通常使用的含义的情况下，申请人意图是使用下文所提供的定义，除非具体说明。
为了本发明的目的，应当注意到，单数形式“一”、“一个”以及“所述”包括对多数形式的表示，除非此处所呈现的上下文另有清楚地说明。
为了本发明的目的，诸如“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“上方”、“下方”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”、“向上”、“向下”等方向术语在描述本发明的各实施例时，仅是为了简便而被使用。本发明的实施例可以以各种方式定向。例如，在附图中显示的图表、装置等可以被翻转，沿着任何方向旋转90°、颠倒等。例如行和/或列可以以任何方向定向。
为了本发明的目的，如果所述值是通过使用所述值、性质或其它因素来执行数学计算或逻辑确定获得的，值或性质“基于”特定的值、性质、条件的满足或其它因素。
为了本发明的目的，术语“碱度”和“AT”表示溶液中和酸至碳酸盐或重碳酸盐的等价点的能力的度量。碱度等于溶液中的碱的化学计量总和。在自然环境中，碳酸盐的碱度由于常见的碳酸盐石的出现和溶解以及二氧化碳在空气中的出现，构成了总的碱度的大部分。可能对碱度做出贡献的其它的常见的自然成分包括：硼酸盐、氢氧化物、磷酸盐、硅酸盐、硝酸盐、溶解的氨、一些有机酸的共轭碱和硫化物。实验室中制造的溶液可以包含实质上有限数量的对碱度做出贡献的碱。碱度通常以单位mEq/L(每升毫克当量)给出。商业上，如在采掘工业中，碱度还能够以单位“ppm”或百万分之几给出。碱度(Alkalinity)有时与碱性度(basicity)不正确地可替交地使用。例如，溶液的pH值可以通过添加CO2而被降低。这将降低碱性度；然而碱度将保持不变。
为了本发明的目的，术语“分析报告”表示基于通过从用于一个或更多的样本的一个或更多的芯片上实验室装置进行读数的一个或更多的芯片读取器所获得的数据，数据、原始数据或历史数据、运算数据、观察数据、信息、分析结果等的任何有组织的显示。分析报告可以通过分析装置生成或运算得到，该分析装置是芯片读取器和/或服务器的一部分。分析报告可以被准备用于任何预期的接受者，诸如水处理系统、客户、公众中的成员等的已选择的官员、管理者或操作者。根据本发明的一些实施例，“分析报告”可以是成任何需要的形式的给制定规章和/或法律实施机构的呈递书。
为了本发明的目的，术语“分析结果”表示由一个或更多的芯片上实验室装置所获得的或收集的数据或信息的集合、计算、算法、分析、运算等所生成的任何信息、值、关系、乘积等，如由在远程水品质监控系统的芯片读取器和/或服务器上的分析装置所执行的那样。例如，“分析结果”可以包括通过芯片读取器分析、运算等所得到的观察数据。
为了本发明的目的，术语“分析物”表示由芯片上实验室装置、芯片读取器或使用者等所分析的水样本的成分。
为了本发明的目的，术语“分析装置”表示芯片读取器、服务器、输出装置、可视显示装置或可以被存储一个或更多的软件程序或其它例行程序、固件和/或硬件的其它装置的一部分，其可以分析、运算等诸如原始数据、观察数据、历史数据或由一个或更多的芯片上实验室装置所获得的任何其它信息等的数据。根据本发明的一些实施例，分析装置可以分析或运算所述数据以生成所述输出。分析装置可以包括源编码或软件程序。根据本发明的一些实施例，分析装置可以连续地实时、周期性的或选择的间隔在使用者的条件或指令下比较所述数据。根据本发明的一些实施例，所述输出可以包括下述中的一个或更多个：数据、警报、分析结果或分析报告。
为了本发明的目的，术语“水样本”表示包含水的样本。在本发明的各实施例中，将被分析的水样本可以通过将芯片上实验室装置浸蘸到水源中且之后通过使用来自泵或毛细作用的吸引以将水样本拉入到芯片上实验室装置的样本通道中来获得。
为了本发明的目的，“芯片”表示其中具有至少一个通道的便携式装置，在所述通道中液体样本可以放置到其中。在一些实施例中，芯片可以具有入口，所述入口允许样本被通过毛细作用或通过使用泵插入到芯片中的通道中以样本推动或拉入到芯片中。虽然在图中显示的实施例中，芯片的形状是矩形的和盒状的，但是芯片可以具有任何形状。在一些实施例中，芯片足够小以被插入到芯片读取器中。芯片可以包括各种子部件以进行或便于对水样本的测量，和提供或与系统的其他部件相互作用。芯片可以具有多个通道，以允许多个样本被分析。
为了本发明的目的，术语“颜色偏移剂”表示被添加到水样本和指示剂的混合物中用于偏移指示剂的颜色的试剂。
为了本发明的目的，术语“通信链路”表示用于在诸如芯片读取器和服务器、服务器和可视显示装置等之间发送、上载或通信包括数据、信息、分析结果、分析报告、警报、警告等的输出的任何适合的技术。例如，根据本发明的一些实施例，用作“通信链路”的适合的技术可以是因特网或环球网。在这样的情形中，输出可以被上载到因特网服务器计算机，其可以是本发明的远程水品质监控系统的服务器，或因特网服务器计算机可以与所述服务器是分立的。根据其他实施例，用于发送输出至远程观察装置或允许通过远程观察装置访问输出的“通信链路”包括但不限于任何有线或无线连接以及任何协议：Internet；TCP/IP；MODBUS RTU；MODBUS ASCII和MODBUS TCP；XML；Ethernet；文件传输协议(FTP)；email；诸如SMTP；便携式电话网络；诸如CDMA和TDMA；耦接至射频发送器的射频信号或远程终端设备(RTU)；蜂窝调制解调器；SDI-12；卫星传播；已有的电话或通信网络或配线；标准公共开关电话网络(PSTN)；使用路上线路或电话的拨号上网；诸如wi-fi的无线网络；宽域网(WAN)；无线局域网(WLAN)；局域网(LAN)或大城市区域网络(MAN)；电缆因特网连接；短信息系统(SMS)；拨号上网调制解调器；点对点链路；全球移动通信系统(GSM，3GSM)；通用分组无线业务(GPRS)；进展数据优化(EV-DO)；GSM进展的增强数据速率(EDGE)；数字增强的无线电话通信(DECT)；集成的数字增强网络(iDEN)；世界移动电话通信系统(UMTS)或先进的移动电话系统(AMPS)；或本领域技术人员已知的用于发送、上载或将输出通信至远程观看装置的任何其他的适合的方式。
为了本发明的目的，术语“成分”表示诸如在水样本中出现的诸如物质、离子等的任何物质，而不是纯水。成分的示例包括水合氢离子、氢氧化物离子、金属离子、污垢、细菌等。
为了本发明的目的，术语“数据”表示任何信息、读数、测量、值等，最终由对用于一个或更多的样本或任何有这样的数据获得的信息、读数、测量、值等的一个或更多的芯片上实验室装置进行读取的一个或更多的芯片读取器所获得的。术语“数据”包括在没有运算的情况下直接通过一个或更多的芯片读取器获得的包括原始数据的任何数据或信息、之前由一个或更多的芯片读取器获得的历史数据或在之前的时间点或时间周期所获得的数据进入或获得的历史数据，以及已分析的或运算的数据，诸如被运算的、分析的等的数据或信息。
为了本发明的目的，术语“数据库”表示用于存储数据、原数据、历史数据、运算数据和/或在逻辑或有序的布置或配置中的信息的器件或多个器件。数据库可以是服务器的一部分，或与服务器是分立的，虽然连接至服务器或与服务器通信。
为了本发明的目的，关于服务器和/或服务器数据库所引用的术语“远端”表示服务器和/或服务器数据库被物理上与环境设备或远程用户分离开。术语“远端”可以表示连接或链接至一个或更多的环境设备以及仅经由无线通信系统连接至一个或更多的远程用户的服务器和/或服务提数据库。
为了本发明的目的，术语“环境数据”表示从读取用于一个或更多的样本的芯片上实验室装置的芯片读取器所获得的数据，所述样本与环境或环境的位置变化相关联，已经从所述位置获得用于芯片上实验室的水样本。
为了本发明的目的，术语“气体开口”表示芯片的通道中的开口，其可以被泵使用以从通道抽出诸如空气的气体或以将诸如空气的气体推到通道中。在至少一些实施例中，气体开口充分小，使得样本不能通过气体开口流出芯片。通过气体开口从通道抽出气体，泵可以通过通道从通道的样本入口抽出液体样本。通过气体开口将气体推到通道中，泵可以驱动样本通过芯片中的通道。在一些实施例中，样本入口可以用作气体开口，允许通过泵将样本推到芯片的通道中。通过气体开口抽出或推动的气体可以是空气或诸如氮气或不活跃的气体的惰性气体。
为了本发明的目的，术语“硬件和/或软件”表示可以由数字软件、数字硬件或数字硬件和数字软件的组合所执行的功能。例如，“程序”可以是软件程序、为计算机或环境设备的数字硬件的一部分的程序、或数字硬件和数字软件的组合。
为了本发明的目的，术语“指示剂”表示响应于反应改变颜色的化合物或化合物的混合物。指示剂的示例是pH指示剂，其响应于pH值的变化而改变颜色。指示剂可以是化合物的组合。例如，指示剂可以是pH指示剂系统，包括溴甲酚绿和甲基红。
为了本发明的目的，术语“入口”表示允许水和其他流体进入所述通道的通道的敞口端。
为了本发明的目的，术语“交互式可视显示装置”表示用户可以通过输入装置的方式进行相互配合的可视显示装置。输入装置可以是可视显示装置的触摸屏、触摸板、鼠标、轨迹球、键盘等。交互式可视显示装置的示例包括具有监控器的计算机、膝上计算机、板式计算机(tabletcomputer)、电话、智能手机等。
为了本发明的目的，术语“记录器”或“数据记录器”表示记录数据的装置。记录器的示例是水流量记录器，其记录水源的水流量。
为了本发明的目的，术语“观察数据”表示在被传送至服务器和/或服务器数据库之前已经通过芯片读取器进行分析、运算等的数据或信息，其来自由用于一个或更多的样本的一个或更多的芯片上实验室装置进行读取的芯片读取器所获得的原数据或信息。
为了本发明的目的，术语“光学路径”表示允许光(1)进入芯片的通道、(2)从芯片的通道出射以及(3)与样本或试剂等在进入和出射芯片的通道之间的光学路径中相互作用的路径。在本发明的一些实施例中，光学路径可以包括两个窗口，其允许光通过一个窗口进入通道和通过另一窗口从所述通道出射。在本发明的一些实施例中，光学路径可以包括一个窗口和一个或更多的反射镜，使得光被允许通过一个窗口进入所述通道，且之后被沿着光路由一个或更多反射镜往回反射，使得所述光最终通过所述窗口从所述通道出射。
为了本发明的目的，术语“输出”表示任何乘积、公开、递交书、上载内容等，包括任何信息、数据、分析结果、分解报告等，其可以以适合由远程观看装置显示给使用者的形式，从本发明的远程水品质监控系统的服务器通信到远程观看装置。
为了本发明的目的，术语“输出装置”表示在本领域中已知的任何装置或设备，其可以被使用者使用观看或使使用者注意到用于读取样本的芯片上实验室装置的芯片上读取装置的结果，诸如例如芯片读取器自身、个人计算机或终端、服务器等以及各种手持式个人通信设备，诸如蜂窝电话、呼机、PDA、智能手机、黑莓
Figure BDA00002923490400081
装置、
Figure BDA00002923490400082
等。
为了本发明的目的，术语“处理器”表示单个处理装置或相互操作的处理装置的组。处理器的一些示例是计算机、集成电路、逻辑电路等。
为了本发明的目的，术语“试剂区”表示芯片上实验室装置的样本通道的一部分，在那里试剂被保持在适合的位置上以在样本穿过试剂区时与样本反应。诸如酸、碱、指示剂以及缓冲剂的试剂可以被通过结构机械地经由物理粘合或化学键合(双极-双极、氢键合、共价键合、盐等)以及还通过表面张力、封装、冻干等保持在试剂区中的合适位置上。
为了本发明的目的，术语“远程”表示远离初始的样本分析位置的位置的任何位置。
为了本发明的目的，术语“远程使用者”表示根据本发明的实施例的在水品质监控系统的一个或更多的环境设备的远程的使用者。
为了本发明的目的，术语“服务器”表示关于计算机网络的术语“服务器”的传统含义，即服务器是进行诸如访问数据文件、程序、外围服务等的服务的一个或更多的计算机，所述服务对于计算机网络的其他装置是可利用的。服务器可以与芯片上实验室装置、输出装置、可视显示装置通信，且提供这样的装置之间的链路。“服务器”可以是环球网或因特网服务器。“服务器”可以包括数据库和/或分析装置。
为了本发明的目的，术语“服务器数据库”表示用于存储数据、原数据、历史数据、运算数据和/或信息的装置或设备，诸如成逻辑或有序的布置或配置。服务器数据库可以是服务器的一部分或分立的，尽管连接至或与服务器通信。同理，“服务器数据库”物理上是分立的，即在距离环境设备的位置或远程水品质监控系统的远程用户的远端或远的位置处。
为了本发明的目的，术语“传送接口”表示能够经由任何合适的无线通信链路传送数据或信息至服务器的芯片读取器的一部分。
为了本发明的目的，术语“处理”、“被处理的”、“正在处理的”等应当表示任何过程、处理、生成、产生、排放或可以由水处理系统执行的或与水处理系统中的水相关联的其它操作。
为了本发明的目的，术语“使用者或用户”表示观看从服务器通信至本发明的远程水品质监控系统的远程观看装置的数据、信息、分析结果或分析报告的人、团体或机构。
为了本发明的目的，术语“可视显示装置”和“可视显示设备”包括任何类型的可视显示装置或设备，诸如芯片读取器、CRT监控器、LCD屏、LED、投影显示器、用于打印图像(诸如图片和/或文本等)的打印机。可视显示装置可以是另一装置的一部分，诸如计算机监控器、电视、投影装置、蜂窝电话、智能手机、膝上型计算机、板式计算机、手持式音乐和/或视频播放器、个人数据助理(PDA)、手持式器游戏播放器、顶部安装式显示器、显示窗(HUD)、全球定位系统(GPS)接收器、机动车导航系统、仪表板、手表、微波炉、自动取款机(ATM)等。可视显示装置是一种类型的输出装置。
为了本发明的目的，术语“水”表示在自然中找到的、被污染物污染或未被污染的任何类型的水、和可以被水处理系统加工、处理、生成、制造、排放等的水或任何流体。例如，术语“水”可以表示被水处理设施处理或加工的水，用于将便携式饮用水分配给公众，或术语“水”可以表示被集中式废水处理厂(WWTP)加工或处理的污水或废水。因此，“水”可以包括任何数量的溶质、沉淀物、悬浮物、有机物质等，如所述情形可能的那样。
为了本发明的目的，术语“水源”表示任何的水源，天然的或人工的。水源的示例包括海洋、内海、海湾、湖、河、溪流、小溪、水库、下水道、水箱、水管等。
为了本发明的目的，术语“水流”表示任何的水流。水流的示例包括诸如小溪、溪流、河等的自然水流、或在诸如运河、管、下水道、龙头、栓、树管、井、沟渠等的人工管道中的水流。
为了本发明的目的，术语“全球网服务器”和“因特网服务器”表示这些术语的传统含义，即帮助传送内容至另一计算机、使用者、可视显示装置等的计算机，其可以通过因特网进行访问。
描述
在饮用水和工业应用中精确监测水碱度是很重要的。传统上，使用比色法或电位测量的端点检测用强酸滴定剂滴定测定碱度。近年来，手动滴定过程已经自动化。例如，哈希公司的APA6000TM分析仪通过连续注射分析仪提供碱度测量。
在Ralph H.Petrucci和William S.Hardwood的6th Ed.，New York，pp.155-61(1993)的″General Chemistry Principles and Modern Applications″中描述了传统碱度滴定的示例。Petrucci等描述了酚酞存在情况下的滴定，由此通过溶液的颜色变化监测端点。碱度确定的传统强酸滴定通常涉及添加已知浓度的强酸(诸如0.02N硫酸)至已知体积的样本中。样本已经添加了小量的颜色指示剂，其在特定pH值具有颜色转变。这已知为滴定的端点。颜色转变期望在窄的pH范围内发生。这样的指示剂的示例包括酚酞和溴甲酚绿。图5显示碱度的强酸滴定的一般滴定曲线。合计达到样本的端点和已知体积的已添加的强酸的体积和浓度被基于下述等式确定样本中的碱度：
碱度的浓度＝(酸的浓度)×(已添加的酸的体积)/(碱度样本的体积)。
在American Public Health Association′s publication Standard Methods(2005)中的“2320碱度”部分中描述了传统的碱度滴定方法。在这一方法中，样本的碱度通过添加酸至溶液来确定，直到期望的端点pH被实现为止。由此，碱度的浓度通过达到端点所需要的酸的量来确定。除此之外，还公开了在没有干扰色和浊度的情况下使用颜色指示剂。
近年来，已经使手动测量自动化。例如，被设计用于连续地监控样本水流的碱度的微处理器控制的过程分析器被在哈希公司的APA6000TMAlkalinity2001Operation Manual中描述。分析器提供了样本流中的总碱度、酚酞、氢氧化物、碳酸盐以及碳酸氢盐碱度的浓度。这一设备使用了自动化的比色测量滴定法以确定碱度浓度以及可以在没有人的相互配合的情况下操作达30天。
Hernandez等人的于2005年2月16日公开的题目为″Microfluidictitration apparatus″的欧洲专利申请描述了通过微流体芯片滴定的方式确定碱度。Hernandez等人描述了分析滴定芯片，其包括多个与多个滴定腔流体连通的微流体样本通道。每一滴定腔包含不同浓度的同一滴定剂以定义一个范围的滴定。流体通过毛细作用的方式行进通过微流体通道。本欧洲专利申请的整个内容和公开内容通过引用并入到本文中。
Treptow等人的于1998年12月1日授权的题目为″System forpipetting and photometrically evaluation samples，″的美国专利No.5,844,686描述了用于吸液和光度测定评估样本的系统。Treptow描述了手持设备，其包括吸液装置、集成的光度计以及可更换的连接至吸液装置的吸液尖端，其中吸液尖端是在光度计的光学路径内的单元，允许光度测定评估被吸取的样本。本专利的整个内容和公开内容通过引入并入本文中。
Coates的于2008年12月2日授权的题目为″Integrated sensingsystem approach for handheld spectral measurements having a disposablesample handling apparatus，″的美国专利No.7,459,713描述了用于手持式的光谱测量的集成感测系统方法，具有可丢弃的或一次性的样本处理设备。此处，集成的感测引擎被描述为以在单个包装内的检测器和能量源为特征，其包括样本接口光学装置、获取和处理电子装置。传感器的响应基于固态检测器覆盖200nm至25nm的范围。样本被经由泵或吸取装置吸入到感测装置的测量区域中，在那里样本与试剂反应，由此可以进行对样本和试剂的光学性质的读数。这一专利的整体内容和公开内容通过引用并入本文中。
Tokhtuev等人的于2009年2月17日授权的题目为″Portable multi-channel device for optically testing a liquid sample，″的美国专利No.7,491,366描述了用于光学地测试液体样本的便携式多个通道装置。多通道的便携式装置被描述，其允许检测浊度和水的其他参数。这一专利的整体内容和公开内容通过引用并入本文中。
Coates的题目为″Integrated sensing module for handheld spectralmeasurements″的美国专利申请No.2008/0265146描述了微型化的集成光谱传感器，具有集成感测信号调节、信号交换以及集成到手持式装置中，用于测量溶液和基于溶剂的化学品。感测到的信息被转换成浓度和特定种类的混合物。这一专利申请的整体内容和公开内容通过引用并入本文中。
在一个实施例中，本发明提供了一种方法，所述方法可以用于精确地确定芯片上的水样本中的碱度的浓度，所述水样本与设备界面接触用于比色分析和流体控制。
在一个实施例中，本发明提供了用于碱度测量的芯片上实验室装置，其包括配置成包括一个或更多的样本通道的芯片。每一样本通道包括入口、包括一个或更多的试剂的一个或更多的试剂区以及一个或更多的光学路径。在本发明的一些实施例中，芯片上实验室装置可以包括用于使流体流过样本通道的泵。芯片上实验室装置配置成与(1)可以记录样本颜色的至少一个光学系统、(2)包含至少一个计算机的至少一个读取装置、(3)至少一个可视显示装置和(4)至少一组控制装置接口接合。
在另一实施例中，本发明提供了采用芯片上实验室技术来分析样本中的碱度的方法。所述方法包括暴露配置成包括一个或更多的样本入口的一个或更多的芯片至样本。每一芯片同时或相继连接至光学系统。样本由于一个或更多个泵所提供的力而沿着一个或更多的样本通道行进，所述泵是芯片读取器的一部分或所述芯片的一部分。在样本沿着样本通道行进时，样本遇到一个或更多的试剂，且之后遇到一个或更多的光学路径。光学系统记录样本颜色，且样本颜色被传送至读取装置。读取装置传送数据至可视显示装置，在那里其被显示给使用者。芯片上实验室配置成与一组控制装置接口接合。
在本发明的一个实施例中，芯片上实验室装置设计用于直观和容易操作。
试剂可以包括指示剂、缓冲剂、强酸、酸和/或碱以及各种其他类型的试剂。试剂可以是干燥的、脱水的、液体、凝胶、气体的和/或超临界的。在一些实施例中，试剂可以是多个相的混合。
在本发明的一个实施例中，芯片上实验室装置中的光学系统可以经由固体物理连接或经由无线连接连接至读取装置。
在本发明的一个实施例中，芯片和读取装置可以经由固体物理连接或经由无线连接连接至可视显示装置和控制装置。
在本发明的一个实施例中，添加至样本的第一试剂可以用于消耗样本中的已知量的分析物，以便修改分析物确定的范围。
在本发明的一个实施例中，添加至样本的最后的实际可以用于移位样本中的指示剂试剂的颜色的目的。
在本发明的一个实施例中，使用连续的颜色转变梯度可以被用于确定碱度的目的。
图1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14和15以及本发明的下述的详细描述在此处被公开，然而，可以理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，其可以以各种形式实现。附图不必是成比例的，一些特征可以被夸大以显示特定部件的细节。因此，此处公开的特定细节不是要解释成限制性的，而是仅作为权利要求的基础和教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。结果，本发明不限于下文所述的特定示例，而是仅由权利要求和他们的等同物来限定。
图1显示根据本发明的一个实施例的芯片上实验室装置102和便携式芯片读取器104。芯片上实验室装置102包括芯片112，该芯片112具有芯片主体114和芯片主体114的每一侧上的两个透明壁，即壁116和118。芯片上实验室装置102包括在测量水样本中的碱度中所使用的各种部件，诸如水样本122。在芯片112被插入到芯片读取器104中时，凹口132(即芯片112的对准接口)与芯片读取器104的芯片保持接口(未显示)相互接合，以在使用者没有施加力至芯片112时保持芯片读取器104中的芯片112。芯片112具有样本入口142和气体开口144。样本通道146在样本入口142和气体开口144之间延伸。样本122经由泵148施加的力被拉动通过样本通道146，所述泵是芯片读取器的一部分或芯片104的一部分。泵148通过从样本通道146经由气体开口144抽出空气而施加吸力到样本122上。在样本122沿着样本通道146移动时，样本122在试剂区152和154中与各种试剂混合。试剂区152包括指示剂152。试剂区154包括酸和缓冲剂。在芯片112被浸蘸到水源或以其他方式暴露至水源时，样本122可以被从水源经由毛细作用或通过使用在气体开口144上的泵拖动到样本通道146中。
在样本122沿着样本通道146行进时，样本122在试剂区152和154中与试剂反应。样本通道146包括光学路径156和两个透明窗口158和160，所述透明穿孔允许由箭头162显示的光从芯片读取器104穿过如由双头箭头164显示的光学路径156。样本通道146还包括前光学路径部分166和后光学路径部分168。虽然为了示出简化，在图1中分别显示前光学路径部分166和后光学路径部分168仅具有一个弯曲(1)和两个弯曲(2)，但是前光学路径部分166和后光学路径部分168可以每个具有几个弯曲或其他的通道结构/波动。
通过引导光158通过光学路径156，芯片读取器104的光学系统170能够测量样本122和/或一个或更多的试剂的颜色。在芯片102被插入到芯片读取器104中时，芯片读取器的芯片保持接口将芯片保持在适合的位置上且将光学路径156与芯片读取器104的光学系统172对准。光学系统170经由通信链路172将样本122和/或一个或更多的试剂的颜色以电子学的方式传送至芯片读取器104。芯片读取器104包括控制装置174和显示器176。
在本发明的一个实施例中，图1的窗口158可以被用反射镜或镜面的壁替换。在这一实施例中，芯片读取器104可以发射沿着光学路径156的光，光被反射镜或镜面壁往回反射到芯片读取器104中。
芯片读取器的光学系统在样本和试剂沿着光学路径行进时测量样本的颜色(Abs1)。碱度与吸收率(Abs1)成比例，如由下文的等式1所显示的：
[碱度]＝(Abs1)×(校准因子)    (等式1)
[碱度]＝ax2+bx+c，其中x＝吸收率
虽然为了示出简化在图1中仅示出一种指示剂、一种酸以及一种缓冲剂，但是样本通道可以包括多种指示剂、酸以及缓冲剂。
在本发明的一个实施例中，芯片读取器包括能够将由光学系统获得的信号/数据转换成在芯片读取器中的显示器上的图像的硬件和/或软件，所述图像可以被使用者理解。另外，芯片读取器可以包括能够将数据与已知的方针进行比较且因此做出相应的分析器。例如，使用者可以对读取装置进行编程以发送关闭警告至特定的控制阀，如果碱度或其它参数超过特定的值。在本发明的一个实施例中，芯片读取器可以被预先编程以指示使用者获取额外的读数，如果碱度或其它参数在特定的范围之外的话。芯片读取器可以包括能够执行便携式计算机、智能手机等的任何任务的硬件和/或软件。
在本发明的一个实施例中，芯片上实验室装置可以被插入到手持式读取装置中，其容纳光学系统。基于由光学系统测量的样本和/或一个或更多的试剂的颜色，数据被显示在手持式读取装置的显示器上。在本发明的这一实施例中，光学系统和显示器之间的通信链路可以是有线通信链路。
在本发明的一个实施例中，芯片读取器的光学系统和在显示由光学系统获得的数据给使用者的可视显示装置之间的通信链路可以是无线通信链路。例如，芯片上实验室装置可以被插入到芯片读取器中，且之后芯片读取器发送无线信号至可视显示装置或输出装置，诸如移动电话或具有控制装置和显示器的远程计算机。
在本发明的一个实施例中，芯片读取器的控制装置和显示器可以是蜂窝电话的一部分。在本发明的一个实施例中，控制装置和显示器可以是连接至服务器的远程计算机，该服务器之后经由有线或无线通信链路连接至芯片读取器。
芯片上实验室装置的使用通过包含测量过程的元件(诸如流体处理、试剂混合以及光学测量)到微流体平台上简化了水品质测量。另外，本发明的芯片上实验室装置可以包含各种试剂和程序，其可以提高水品质测量的精确度，同时对使用者是透明的。
本发明的芯片和读取装置可以具有各种形状和尺寸。
各种已知的接口组合可以被采用用于保持和对准芯片读取器中的芯片。例如，对准销、凹口、弹簧、磁体、轴承等可以被包含作为芯片上和/或芯片读取器的芯片保持接口上的对准接口，以允许芯片被保持在芯片读取器中的合适的位置上，且使得芯片的光学路径与芯片读取器的光学系统对准。
图2显示根据本发明的一个实施例的高范围碱度的芯片上实验室装置202。芯片上实验室装置202包括芯片212，该芯片具有芯片主体214和在芯片主体214的任意侧上的两个透明的壁，即壁216和218。芯片上实验室装置202包括在测量水样本中的碱度时所使用的各种部件，诸如水样本222。在芯片212被插入到芯片读取器(未显示)中时，凹口232(即芯片212的对准接口)与芯片读取器的芯片保持接口(未显示)相互配合以在使用者不再施加力至芯片212时将芯片212保持在芯片读取器中。芯片212具有样本入口234和气体开口236。样本通道238在样本入口234和气体开口236之间延伸。样本222被经由为芯片读取器(未显示)的一部分的泵246所施加的力拉动通过样本通道238，如由箭头242和244所示。泵246经由气体开口236从样本通道238抽出空气将吸力施加到样本222上。在样本222被通过泵246拉动通过样本通道238时，样本222在试剂区252和254中与各种试剂混合。试剂区252包括强酸。试剂区254包括指示剂和缓冲剂。样本222可以被经由毛细作用或使用气体开口236上的泵在芯片212被浸蘸到水源或以其他方式暴露至水源时从水源拉动到样本通道238中。
在样本222沿着样本通道238行进时，样本222在试剂区252和254中与试剂反应。样本通道238包括光学路径258和两个透明窗口260和262，其允许光从读取芯片212的芯片读取器穿过光学路径258，如由双头箭头264所示。样本通道238还包括前光学路径部分266和后光学路径部分268。虽然为了示出简化，在图2中显示出前光学路径部分266和后光学路径部分268仅分别具有一个(1)和两个(2)弯曲，但是前光学路径部分266和后光学路径部分268可以每个具有几个弯曲。
光学路径258允许芯片读取器中的光学系统，诸如图1的芯片读取器(未在图2中显示)，测量样本222和/或一个或更多的试剂的颜色。在芯片202被插入到芯片读取器中时，凹口232将光学路径与芯片读取器中的光学系统对准。芯片读取器之后将结果在显示器上显示给使用者。之后样本222经历碱度测试，其中样本222与试剂区282中的颜色偏移剂混合。颜色试剂可以是酸或碱。通过样本通道238的样本222的泵吸可以被停止和/或泵吸的方向被翻转，以允许在样本222与试剂区282中的颜色偏移剂混合之后，通过芯片读取器测量光学路径258上的吸收率。
在图2显示的本发明的实施例中，存在两个透明窗口，即在光学路径258的任意端的透明窗口260和262。在这一实施例中，来自芯片读取器的光被引导通过窗口260，光的特性在光从窗口262出射时被芯片读取器的光学系统测量。在本发明的另一实施例中，图2的窗口260可以用反射镜或镜面壁替换。在这一实施例中，芯片读取器可以发射光，该光沿着光学路径258通过窗口262，光被反射镜或镜面壁沿着路径往回反射且往回反射通过窗口262且进入到芯片读取器的光学系统中。
虽然为了简化图2的图示，仅对于每一芯片上实验室装置显示出一个样本通道具有一个相关的样本入口、气体开口以及泵，但是芯片上实验室装置可以具有几个样本通道。这可以通过在芯片上实验室装置中堆叠图2中显示的所述类型的多个芯片来实现。对于所述堆叠中的每一芯片的样本通道可以具有相关的样本入口和气体开口。另外，每一样本通道可以具有其自身的一组试剂。例如，每一样本通道可以具有强酸、指示剂、缓冲剂和颜色偏移剂以及一个或更多的这样的试剂，其可能对于不同的通道是不同的。可以对于所有通道具有一个泵或用于每一通道的分离的泵。
图3显示根据本发明的一个实施例的低范围碱度的芯片上实验室装置302。芯片上实验室装置302包括芯片312，该芯片具有芯片主体314和在芯片主体314的任意侧上的两个壁，即壁316和318。芯片上实验室装置302包括在测量水样本中的碱度时所使用的各种部件，诸如水样本322。在芯片312被插入到芯片读取器(未显示)中时，凹口332(即芯片312的对准接口)与芯片读取器的芯片保持接口(未显示)相互作用以在使用者不再施加力至芯片312时将芯片312保持在芯片读取器中。芯片312具有样本入口334和气体开口336。样本通道338在样本入口334和气体开口336之间延伸。样本322被经由为芯片读取器(未显示)的一部分的泵346所施加的力拉动通过样本通道338，如由箭头342和344所示。泵346经由气体开口336从样本通道338抽出空气将吸力施加到样本322上。在样本322被通过泵346拉动通过样本通道338时，样本322在试剂区354中与试剂混合。试剂区354包括指示剂和缓冲剂。样本322可以被经由毛细作用或使用气体开口336上的泵在芯片312被浸蘸到水源或以其他方式暴露至水源时从水源拉动到样本通道338中。
在样本322沿着样本通道338行进时，样本322在试剂区354中与试剂反应。样本通道338包括光学路径358和两个透明窗口360和362，其允许光从读取芯片312的芯片读取器穿过光学路径358，如由双头箭头364所示。样本通道338还包括前光学路径部分366和后光学路径部分368。虽然为了示出简化，在图3中显示出前光学路径部分366和后光学路径部分368仅分别具有一个(1)和两个(2)弯曲，但是前光学路径部分366和后光学路径部分368可以每个具有几个弯曲。
光学路径358允许芯片读取器中的光学系统，诸如图1的芯片读取器(未在图3中显示)，测量样本322和/或一个或更多的试剂的颜色。在芯片302被插入到芯片读取器中时，凹口332将光学路径与芯片读取器中的光学系统对准。芯片读取器之后将结果在显示器上显示给使用者。之后样本经历碱度测试，其中样本322与试剂区382中的颜色偏移剂混合。颜色偏移剂可以是酸或碱。通过样本通道338的样本322的泵吸可以被停止和/或泵吸的方向被翻转，以允许在样本322与试剂区382中的颜色偏移剂混合之后，通过芯片读取器测量光学路径358上的吸收率。
在图3显示的本发明的实施例中，存在两个透明窗口，即在光学路径358的任意端的透明窗口360和362。在这一实施例中，来自芯片读取器的光被引导通过窗口360，光的特性在光从窗口362出射时被芯片读取器的光学系统测量。在本发明的另一实施例中，图3的窗口360可以用反射镜或镜面壁替换。在这一实施例中，芯片读取器可以发射光，该光沿着光学路径358通过窗口362，光被反射镜或镜面壁沿着路径往回反射且往回反射通过窗口362且进入到芯片读取器的光学系统中。
虽然为了简化图3的图示，仅对于每一芯片上实验室装置显示出一个样本通道具有一个相关的样本入口、气体开口以及泵，但是芯片上实验室装置可以具有几个样本通道。这可以通过在一个芯片上实验室装置中堆叠图3中显示的所述类型的多个芯片来实现。对于所述堆叠中的每一芯片的样本通道可以具有相关的样本入口和气体开口。另外，每一样本通道可以具有其自身的一组试剂。例如，每一样本通道可以具有指示剂、缓冲剂和颜色偏移剂以及一个或更多的这样的试剂，其可能对于不同的通道是不同的。可以对于所有通道具有一个泵或用于每一通道的分离的泵。
图4显示根据本发明的一个实施例的芯片上实验室装置402。芯片上实验室装置402包括芯片412，该芯片具有芯片主体414和在芯片主体114的任意侧上的两个透明壁，即壁416和418。芯片上实验室装置402包括在测量水样本中的碱度时所使用的各种部件，诸如水样本422。在芯片412被插入到芯片读取器(未显示)中时，凹口432(即芯片412的对准接口)与芯片读取器的芯片保持接口(未显示)相互配合以在使用者不再施加力至芯片412时将芯片412保持在芯片读取器中。芯片412具有样本入口434和气体开口436。样本通道438在样本入口434和气体开口436之间延伸。样本422被经由为芯片读取器(未显示)的一部分的泵446所施加的力拉动通过样本通道438，如由箭头442和444所示。泵446经由气体开口436从样本通道438抽出空气将吸力施加到样本422上。在样本422被通过泵446拉动通过样本通道438时，样本422在试剂区454中与试剂混合。试剂区454包括指示剂和缓冲剂。样本422可以被经由毛细作用或使用气体开口436上的泵在芯片412被浸蘸到水源或以其他方式暴露至水源时从水源拉动到样本通道438中。
在样本422沿着样本通道438行进时，样本422在试剂区454中与试剂反应。样本通道438包括光学路径458和两个透明窗口460和462，其允许光从读取芯片412的芯片读取器穿过光学路径458，如由双头箭头464所示。样本通道438还包括前光学路径部分466和后光学路径部分468。虽然为了示出简化，在图4中显示出前光学路径部分466和后光学路径部分468仅分别具有一个(1)和两个(2)弯曲，但是前光学路径部分466和后光学路径部分468可以每个具有几个弯曲。
光学路径458允许芯片读取器中的光学系统，诸如图1的芯片读取器(未在图4中显示)，测量样本422和/或一个或更多的试剂的颜色。在芯片402被插入到芯片读取器中时，凹口432将光学路径与芯片读取器中的光学系统对准。芯片读取器之后将结果在显示器上显示给使用者。
在本发明的一些实施例中，图1，2，3和4的样本通道可以在光学路径之前或之后具有多个弯曲。所述多个弯曲可以用于多种目的，包括：(1)更好地混合试剂、(2)样本穿过芯片所需要的时间的增加、(3)气泡消失的增加以及(4)对于试剂更换来说“空白空间(bench space)”或表面积的增加。
在图4显示的本发明的实施例中，存在两个透明窗口，即在光学路径458的任意端的透明窗口460和462。在这一实施例中，来自芯片读取器的光被引导通过窗口460，光的特性在光从窗口462出射时被芯片读取器的光学系统测量。在本发明的另一实施例中，图4的窗口460可以用反射镜或镜面壁替换。在这一实施例中，芯片读取器可以发射光，该光沿着光学路径458通过窗口462，光被反射镜或镜面壁沿着路径回反射且往回反射通过窗口462且进入到芯片读取器的光学系统中。
在本发明的一个实施例中，图4的窗口460可以被反射镜或镜面壁替换。在这一实施例中，芯片读取器可以沿着光学路径458发射光，所述光被反射镜或镜面壁往回反射到芯片读取器中。
虽然为了简化图4的图示，仅对于每一芯片上实验室装置显示出一个样本通道具有一个相关的样本入口、气体开口以及泵，但是芯片上实验室装置可以具有多个样本通道。这可以通过在一个芯片上实验室装置中堆叠图4中显示的所述类型的多个芯片来实现。对于所述堆叠中的每一芯片的样本通道可以具有相关的样本入口和气体开口。另外，每一样本通道可以具有其自身的一组试剂。例如，每一样本通道可以具有指示剂、缓冲剂的组合和一个或更多的这样的试剂，其可能对于不同的通道是不同的。可以对于所有通道具有一个泵或用于每一通道的分离的泵。
根据本发明的一个实施例，样本可以在芯片被插入到或以其它方式连接至芯片读取器之前或之后，插入到芯片的样本通道中。
虽然在图1，2，3和4中，两个透明窗口由两个透明壁的所述部分形成，其未被芯片主体阻挡，但是在本发明的其它实施例中，两个透明窗口可以是被插入到芯片主体的开口中的窗口。
虽然为了图示简化，在图1，2，3和4中仅显示出一种强酸、一种指示剂和一种缓冲剂，但是芯片上实验室装置可以包括多种强酸、指示剂和缓冲剂。使用两种指示剂的一种示例，即混合的指示剂系统，是使用溴甲酚绿-甲基红指示剂系统作为指示剂。
虽然为了图示简化，在图1，2，3和4中的样本通道中仅显示出一个光学路径，但是样本通道可以包括几个光学路径，以允许在各种试剂与被分析的水样本混合之后通过芯片读取器测量颜色变化。
在包括第一指示剂和第二指示剂的混合型指示剂系统在芯片上实验室装置中被采用时，可以通过芯片读取器进行双波长测量。第一指示剂的一种颜色(碱形式)对第二颜色(酸形式)的吸收率的比例与第二指示剂的一种颜色(碱形式)对第二颜色(酸形式)的吸收率的比例可以被采用以获得与样本的碱度相关的值。
在试剂区中使用的试剂可以是干燥的、液态的、气态的、超临界的或多个相的混合。试剂可以出现作为凝胶、固体、晶体等。在试剂是干燥的时，它们可以是脱水的。
在本发明的一个实施例中，已知量和构成的指示剂与芯片上实验室装置上的已知体积的样本反应。在与用于碱度确定的传统的强酸滴定中发生的颜色转变比，缓冲剂/指示剂在与碱度相互反应时经历更宽的颜色转变。这是样本中的弱酸(即芯片装置上的缓冲剂)和弱碱的结果(由于例如碳酸盐和碳酸氢盐的出现)。图5显示出弱酸-弱碱的滴定曲线的示例。芯片上的缓冲剂的pH值刚好低于期望的端点(例如对于P碱度确定的pH值为8.0，或对于总的碱度确定的pH值为4.0)。包含碱度的样本的添加使缓冲的指示剂的pH值偏移至更高的pH值，且因此也偏移指示剂的颜色。如果缓冲剂和缓冲能力被适合地选择，那么颜色变化在大的碱度范围上缓慢地变化。以这种方式，颜色转变的程度可能与样本中的碱度的浓度相关联。
在本发明的一个实施例中，图3的芯片上实验室装置302可以被以下述的方式使用。样本322被经由抽吸机制或毛细作用拉动到芯片312中。样本322被经由来自泵346的力拉动通过样本通道338。在试剂区352中，缓冲剂和指示剂(即两种试剂)与样本322混合。样本322之后被拉动到光学路径358中，允许芯片读取器的光学系统(在图3中未显示)进行对样本和试剂的颜色的第一测量。颜色变化程度依赖于样本322中的碱度的浓度以及pH值和指示剂和缓冲试剂的缓冲能力。样本322之后被沿着样本通道338进一步拉动到试剂区382，其中过量的颜色偏移试剂(即一种或更多的酸或碱)与样本322混合以偏移样本322的颜色至至少一种颜色的极端情形。样本322通过样本通道338的抽吸之后被颠倒，样本被迫使往回到光学路径358，其允许芯片读取器的光学系统进行对样本322和试剂的颜色的第二测量。芯片读取器的光学系统传送数据至尾芯片读取器的一部分或分立的可视显示装置的一部分的显示器，由此显示数据给使用者。数据可以成原始形式或成运算的形式，其更容易被使用者理解。两次测量的比值用于确定样本中的碱度且减小芯片302的指示剂试剂的变化所引起的误差。图6用图表针对于使用偏移至全碱颜色的系统证明了这种情形。碱度由下文的等式2确定：
[碱度]＝(Abs1/Abs2)×(校准因子)    (等式2)
[碱度]＝ax2+bx+c，其中x＝(Abs1/Abs2)
在本发明的一个实施例中，芯片上实验室装置202可以在下述方式中使用以进行水样本的碱度的更高范围的测量。水样本22被经由来自泵246的力拉动通过样本通道238。样本222在试剂区252中遇到强酸，之后在试剂区254遇到指示剂和缓冲剂。强酸中和了预定量的碱度。以这种方式使用强酸允许测量更高阶段的碱度浓度。这在图6中用图表显示出。通过这种方法测量的范围之后跨度从由第一强酸试剂(AC)所消耗的碱度的浓度，加上由缓冲指示剂的颜色转变可以测量的碱度的范围。图5显示在加入碱度时变化的陡度中的标准强酸和弱碱滴定曲线。弱酸-弱碱显示在添加了碱度的情况下显示出更渐进的变化。这种渐进变化对于这一技术的应用中的测量给出了更好的解析。
在与第一强酸反应之后，样本222之后被迫使进入到光学路径258中，其中芯片读取器的光学系统(未显示)对样本和试剂的颜色进行第一测量。颜色变化程度依赖于样本中的碱度的浓度。样本之后被迫使沿着通道进一步行进，且在试剂区282中遇到过量的至少一种酸或碱以及颜色偏移试剂，以偏移样本222的颜色至至少一种颜色的极端情形。样本之后通过颠倒泵246的抽吸方向而被迫使进入到光学路径258中，其允许芯片读取器的光学系统进行对样本222和试剂的颜色的第二测量。两次测量的比值减小了样本芯片中的指示剂的变化。芯片读取器的光学系统传送样本数据至为芯片读取器的一部分或分立的可视显示装置的一部分的显示器，由此显示数据给使用者。数据可以是成原始形式或成运算的形式，其更容易被使用者理解。使用如在上文的等式2中所说明的比值方法，可以通过等式3确定更高范围的样本的碱度。
[碱度]＝Ac+(Abs′1/Abs′2)×(校准因子)   (等式3)
图7显示根据本发明的一个实施例的芯片上实验室装置702。芯片上实验室装置702包括芯片712和盖714。芯片712包括样本通道720，具有入口722、前光学路径部分724、光学路径726和后光学路径部分728、以及气体开口730。前光学路径部分724包括多个弯曲732，试剂区734和736在所述多个弯曲732之间，试剂(未显示)可以放置在其中。后光学路径部分728包括弯曲738。弯曲732和738允许样本(未显示)移动通过通道720以被更加容易地控制，允许增强的混合以及在小的芯片上提供更长的路径长度的通道。芯片712包括两个透明壁742和744，其分别形成了光学路径726的对应的相对的对准的窗口746和748。在盖714放置在芯片712上时，通道720关闭，除入口722和气体开口730之外。芯片752通过物理力(例如通过抵靠芯片主体的设备上的槽所施加的张力)将芯片712保持在未显示的芯片读取器中的槽中。
图7的盖可以通过任何传统的方式保持在芯片上，例如通过粘合剂、焊接、压配合、UV接合或连接两个塑料件的任何其他方式等。
多芯片的芯片上实验室装置可以通过将图7中显示的所述类型的装置堆叠到彼此的顶部上且之后通过诸如粘合剂、焊接、UV接合或连接两个塑料件的任何其他方式将所述芯片结合在一起来完成。
图8显示根据本发明的一个实施例的芯片读取器802，第一芯片上实验室装置804已经被插入到芯片读取器802中的第一槽(在图8中是不可见的)中，用于被芯片读取器802的光学系统(在图8中是不可见的)读取。第二芯片上实验室装置806将被插入到芯片读取器806中的第二槽(在图8中是不可见的)中，如由箭头808所示。芯片读取器802包括主体812，其中安装了显示器814和控制装置816。
虽然在图8显示的本发明的实施例中，控制装置和显示器处于芯片读取器上，但是在本发明的其他实施例中，显示器和控制装置可以是分离的装置的一部分，其远离芯片读取器且与芯片读取器有线或无线通信。
图9显示根据本发明的一个实施例的芯片读取器902。芯片读取器包括主体912，其中安装了显示器914和控制装置916。
图10显示根据本发明的一个实施例的芯片读取器1002。芯片读取器包括主体1012，其中安装了显示器1014和控制装置1016。
图11显示根据本发明的一个实施例的芯片读取器1102，其中三个芯片上实验室装置(即芯片上实验室装置1104，1106和1108)经被插入到芯片读取器1102中的各自的槽(在图11中是不可见的)中，以便被芯片读取器1102的光学系统(在图11中是不可见的)读取。芯片读取器1102包括主体1112，其中安装了显示器1114和控制装置1116。芯片读取器1102包括把手1122和电源1124。安装在把手1122上的是用于芯片的手动开始测量和/或手动拔出的扳机1126。
图12显示根据本发明的一个实施例的芯片读取器1202，四个芯片上实验室装置(即芯片上实验室装置1204，1206、1208和1210)已经被插入到芯片读取器1202中的各自的槽(在图12中是不可见的)中，以便被芯片读取器1202的光学系统(在图12中是不可见的)读取。芯片读取器1202包括主体1212，其中安装了显示器1214和控制装置1216。另外，芯片具有入口灰尘和湿气盖1222。
图13显示根据本发明的一个实施例的作为吸收率的方式计算碱度的方法。图13显示作为测量期间所获得的吸收率值的函数的碱度计算。这些计算考虑了化学沉积和组成上的变化。
本发明的芯片上实验室装置可以包括布置成叠层的、并排地布置或以任何其他配置布置的多个芯片。图14显示根据本发明的一个实施例的芯片上实验室装置1402，包括多个芯片。芯片上实验室装置1402包括叠层配置，其包括配置在一起的三个芯片(即芯片1412，1414和1416)。在另一实施例中，芯片上实验室装置可以是配对的配置，诸如图15中显示的并排叠层配置，其包括配置在一起的如图15所示的多个芯片。图15显示芯片上实验室装置1502，其包括四个芯片(即芯片1512，1514，1516和1518)布置成并排的叠层配置。虽然图14和15中，芯片上实验室装置上的芯片显示为彼此相邻，但是在本发明的其他实施例中，所述芯片可以通过用于各种目的其他结构彼此分离开，诸如提供更容易的接近样本入口，提供容易地接近气体开口，允许芯片被特殊的读取装置读取等。
在权利要求书中，除非另有具体说明，方法的步骤可以以任何顺序执行。例如在方法权利要求中，步骤(b)可以在步骤(a)之前执行，除非权利要求的语言要求了步骤(a)在步骤(b)之前执行。
已经描述了本发明的许多实施例，将明白，在不背离随附的权利要求和其的等同物中所限定的本发明的全部范围的情况下，修改、变形、改变和变化是可能的。应当认识到，虽然示出了本发明的许多实施例，但是本发明公开内容的所有示例被提供作为非限制性示例，且因此不能认为是限制成所图示的各个方面。
然而，本发明的详细实施例被在此处公开，将理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，其可以以各种形式实施。将认识到，许多修改和其它变形处于所下文所要求的本发明的意图范围内。另外，各实施例的前述描述不一定意味着排外的。例如，“一些”实施例可以包括在本发明的范围内的“其它”和“另外”的实施例的全部或一部分。

Claims (30)

1.一种装置，包括：
一个或更多个芯片，每个芯片包括：
包括入口的样本通道，
在样本通道中的一个或更多个试剂区，和
在通道中的光学路径，
其中，每个试剂区包括用于与穿过样本通道的水样本混合的一种或更多种试剂，和
其中所述一种或更多种试剂中的至少一种是指示剂，所述指示剂在与水样本中的成分和/或所述一种或更多种试剂中的已选择的一种或更多种相互作用时改变颜色。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述一种或更多种试剂包括一种或更多种指示剂。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述一种或更多种试剂包括一种或更多种强酸。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述一种或更多种试剂包括一种或更多种酸和/或碱。
5.根据权利要求1所述的装置，其中芯片包括用于将所述光学路径与其中插入了芯片的芯片读取器的光学系统对准的对准接口。
6.根据权利要求1所述的装置，其中已选择的一种或更多种试剂是干燥的。
7.根据权利要求1所述的装置，其中已选择的一种或更多种试剂是液态的。
8.根据权利要求1所述的装置，其中已选择的一种或更多种试剂是气态的。
9.根据权利要求1所述的装置，其中已选择的一种或更多种试剂是凝胶。
10.根据权利要求1所述的装置，其中一种或更多种试剂是多个相的混合。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学路径包括在样本通道的相对侧上的第一和第二窗口。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学路径包括在样本通道的相对侧上的窗口和反射镜。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括两个或更多个芯片。
14.一种方法，包括下述步骤：
(a)迫使水样本穿过芯片中的样本通道，以将水样本与定位在样本通道的一个或更多个试剂区中的一种或更多种试剂混合，由此形成了由于一种或更多种试剂与水样本的成分和/或所述一种或更多种试剂中的已选择的一种或更多种相互作用而呈现颜色变化的混合物，
(b)测量混合物在样本通道中的光学路径上的颜色变化，和
(c)基于在步骤(b)中测量的颜色变化在可视显示装置上显示数据。
15.根据权利要求14所述的方法，其中步骤(b)通过芯片读取器来执行，并且其中可视显示装置是芯片读取器的一部分。
16.根据权利要求14所述的方法，其中步骤(b)通过芯片读取器来执行，并且其中所述方法包括下述步骤：
(d)基于在步骤(b)中测量的颜色变化产生已测量的数据，和
(e)使用无线通信链路将已测量的数据传送至可视显示装置，其中所显示的数据基于已测量的数据。
17.根据权利要求14所述的方法，其中步骤(b)通过其中插入了芯片的芯片读取器来执行。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述一种或更多种试剂包括一种或更多种指示剂。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述一种或更多种试剂包括一种或更多种强酸。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述一种或更多种试剂包括一种或更多种酸和/或碱。
21.根据权利要求14所述的方法，其中已选择的一种或更多种试剂是干燥的。
22.根据权利要求14所述的方法，其中已选择的一种或更多种试剂是液态的。
23.根据权利要求14所述的方法，其中已选择的一种或更多种试剂是气态的。
24.根据权利要求14所述的方法，其中已选择的一种或更多种试剂是超临界的。
25.根据权利要求14所述的装置，其中一种或更多种试剂是多个相的混合。
26.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法包括下述步骤：
(d)使用所述一种或更多种试剂中的第一试剂消耗水样本中的已知量的分析物，由此修改分析物的确定范围。
27.根据权利要求14所述的方法，其中步骤(a)包括下述步骤：
(d)将水样本与指示剂混合，以形成水样本-指示剂的混合物，和
(e)将颜色偏移剂与水样本-指示剂混合物混合以形成颜色已偏移的混合物。
28.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法包括使用连续的颜色转变梯度以便基于步骤(b)中已测量的颜色变化确定水样本的碱度。
29.根据权利要求14所述的方法，其中步骤(b)包括下述步骤：
(d)引导光通过在光学路径的第一端处的第一窗口，以穿过光学路径，
(e)测量从光学路径的第二端的第二窗口出射的光。
30.根据权利要求14所述的方法，其中步骤(b)包括下述步骤：
(d)引导光通过在光学路径的第一端处的窗口，以穿过光学路径，
(e)在光到达光学路径的第二端处的反射镜时沿着光学路径将光往回反射；
(f)在反射的光从窗口出射时，测量沿着光学路径被往回反射的光。
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