CN103196887B - 一种有机农药检测用高通量微流控装置及其水样检测方法 - Google Patents

Abstract

一种有机农药检测用高通量微流控装置及其水样检测方法，涉及有机农药检测分析技术领域，包括有水体取样模块、有机农药微流控模块和拉曼光谱分析模块，水体取样模块采集到水样后输送至有机农药微流控模块，与金属纳米颗粒充分碰撞和有机结合，再输送到拉曼光谱分析模块，进行数据分析。本发明结合了微流控技术和SERS技术，通过控制待测水样、纳米颗粒和缓冲液的流量，能够实现对微量水样进行拉曼光谱检测，降低水样检测的环境要求，检测速度快，准确度高。同时，本发明所述的微流控装置结构紧凑，除了设置在试验室，还能设置在其他工作环境中。

Description

一种有机农药检测用高通量微流控装置及其水样检测方法

技术领域

本发明涉及有机农药检测分析技术领域，特别是一种自动检测水样中有机农药的微流控装置及其检测方法。

背景技术

环境保护问题是当前我国建设环境友好型社会面临的突出难题。随着工业化城镇化建设进程的加快，城市规模不断扩大，用水量急剧增加，工业废水未经处理超标排放、生活污水未经处理直接进入水体、大量农药化肥不合理施用从而随着地表径流、降雨等途径进入河流、湖泊、水库，最终导致我国的江河湖泊普遍受到污染。据统计，全国75%的湖泊出现不同程度的富营养化，10大水系国控监测断面中25%左右是五类和劣五类（中国环境状况公报，2011），严重影响了国民经济和社会的可持续性发展。水环境监测是水质资源管理的重要内容，并为环境管理、环境规划、污染防治提供依据。目前，对水环境的监测主要采用传统的实验室分析手段：气相色谱法（GC）、高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）等。这些方法的检测设备费用昂贵、操作过程复杂繁琐、分析处理时间较长、分析数据更新缓慢、不适于现场在线监测，不能满足实时动态数据分析的要求。

随着微流控技术（Micro-fluidics）的发展，通过微细加工技术将微流道、微阀、微泵、微储液器、检测元件和连接器等元器件集成在芯片上，从而能够实现样品纯化、反应、萃取、分离、检测等一系列功能。它具有体积小、重量轻、试剂消耗量少、分析速度快、生产成本低、集约度高等优点，在微量化学分析、微量医学注射和分析等方面表现出良好的应用前景（郭红斌，陈国平等.一种用于有机磷农药检测的微流控传感器，传感器与微系统，2011，6）。同时，微流控技术也因其便携式的特点尤其适合于野外现场分析的需要。

采用纳米技术的表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）是一种具有表面选择性的特殊光学增强效应，能将吸附在表面增强拉曼活性基底上的分子的拉曼散射信号增强                                               至 倍，获得样品的物理化学及深层结构信息，为痕量分析检测提供了新的技术手段。同时，拉曼光谱对水等极性物质不敏感，因此与红外光谱法相比，在水体农药检测方面具有良好的应用前景。

现有技术中有一种采用双脉冲激光照射被测粒子，利用显微镜拍摄其多帧图像，然后计算微流道的速度分布情况，具有光学探测灵敏度高、位移调节精度高等优点，但是该系统主要用于实验室研究，不适用于野外现场作业的特殊需求。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种结构紧凑、控制精度高、样品消耗少的有机农药检测用高通量微流控装置，它结合了微流控技术和SERS技术，能在野外环境对水样进行分析，分析效率高。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有水体取样模块、有机农药微流控模块和拉曼光谱分析模块，水体取样模块采集到水样后输送至有机农药微流控模块，与金属纳米颗粒充分碰撞和有机结合，再输送到拉曼光谱分析模块，进行数据分析。

进一步，所述水体取样模块包括有取样管道、粗滤过滤器、取水微型泵、取水单向阀、精滤过滤器、流量调节阀和水样压力表；取样管道的一端与待测水样的装载容器连通，另一端与有机农药微流控模块连通，在取样管道上，沿待测水样装载容器向有机农药微流控模块方向，依次设置有粗滤过滤器、取水微型泵、取水单向阀、精滤过滤器、流量调节阀和水样压力表。

进一步，在取水单向阀和取水微型泵之间的取样管道上设置有与其连通的支管道，在支管道上设置有卸载电磁阀，支管道的出口设置有储存缸。

进一步，所述粗滤过滤器的滤芯采用金属网滤芯或金属粉末烧结滤芯；在精滤过滤器上增设一层反渗透膜；所述取水微型泵为可调流速泵。

进一步，所述取样管道采用耐酸碱腐蚀的硬质PVC或PPR管。

进一步，所述有机农药微流控模块包括有用于结合并输送纳米颗粒和水样的输送管道、纳米颗粒仓、配样微型泵、配样单向阀、配样压力表、微流道、微流道单向阀、微流道压力表和缓冲液冲洗流道；输送管道一端与纳米颗粒仓连通，另一端与拉曼光谱分析模块连通；在输送管道上，沿纳米颗粒仓到拉曼光谱分析模块的方向，依次设置有配样微型泵、配样单向阀、配样压力表、微流道、微流道单向阀、微流道压力表和缓冲液冲洗流道；水体取样模块的输出端设置在输送管道上，位于配样压力表与微流道之间；有机农药微流控模块还包括有缓冲溶液瓶、缓冲溶液微型泵和缓冲溶液压力表，缓冲溶液瓶的输出管道与输送管道连通，位于微流道压力表和缓冲液冲洗流道之间，缓冲溶液微型泵和缓冲溶液压力表设置在缓冲溶液瓶的输出管道上。

进一步，所述微流道两个，两个微流道首尾相接，微流道的结构为Z形结构、S形结构、螺旋结构、平行结构、圆形结构或V形结构，微流道的制作材料包括有玻璃、硅片、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸脂、聚酶亚胺、聚氨脂或聚甲基丙烯酸。

进一步，所述配样微型泵和缓冲溶液微型泵采用可调流速泵。

进一步，所述拉曼光谱分析模块包括有检测池、两通电磁阀、废液回收瓶、拉曼光谱仪、激光器和显示终端，有机农药微流控模块的输出端依次通过检测池、两通电磁阀与废液回收瓶连通，激光器发出的光束照射在检测池中的待测水样上，拉曼光谱仪采集散射的光信号，并对光信号进行处理分析，将结果发送至显示终端。

本发明的另一个目的就是提供一种有机农药检测用高通量微流控装置进行水样检测的方法，它可以微控待测水样、纳米颗粒和缓冲液的流量，实现微量水样的检测工作，降低对检测环境的要求，提高检测效率。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：

1）开启并调节取水微型泵的流量，待测水样经过取水管道进入粗滤过滤器进行粗过滤处理，再沿取水管道经过取水单向阀进入精滤过滤器进行精过滤处理，再经过流量调节阀进入有机农药微流控模块；

2）开启并调节配样微型泵的流量，使金属纳米颗粒通过配样单向阀后与步骤1）中流出的水样相汇合后，通过微流道进入缓冲液冲洗流道内，再开启并调节缓冲液微型泵的流量，在缓冲液冲洗流道内对结合了纳米颗粒的水样进行冲洗，冲洗之后的水样进入拉曼光谱分析模块；

3）开启激光器，使光束照射到步骤2）中流出的待测水样，拉曼光谱仪对散射的光信号进行采集分析，将分析结果发送至显示终端，再开启两通电磁阀，使检测后的水样流入废液回收瓶。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明结合了微流控技术和SERS技术，通过控制待测水样、纳米颗粒和缓冲液的流量，能够实现对微量水样进行拉曼光谱检测，降低水样检测的环境要求，检测速度快，准确度高。同时，本发明所述的微流控装置结构紧凑，除了设置在试验室，还能设置在其他工作环境中。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1.取样管道；2.粗滤过滤器；3.取水微型泵；4.取水单向阀；5.精滤过滤器；6.储存缸；7.卸载电磁阀；8.流量调节阀；9.水样压力表；10.纳米颗粒仓；11.配样微型泵；12.配样单向阀；13.配样压力表；14.微流道；15.微流道单向阀；16.微流道压力表；17.缓冲液冲洗流道；18.缓冲溶液压力表；19. 缓冲溶液微型泵；20.缓冲溶液瓶；21.检测池；22.拉曼光谱仪；23.显示终端；24.激光器；25.两通电磁阀；26.废液回收瓶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种有机农药检测用高通量微流控装置，所述装置包括有水体取样模块、有机农药微流控模块和拉曼光谱分析模块，水体取样模块采集到水样后输送至有机农药微流控模块，与金属纳米颗粒充分碰撞和有机结合，再输送到拉曼光谱分析模块，进行数据分析。一个水体取样模块可以对应一个、两个或多个有机农药微流控模块，同时对水体中的多种成份进行检测。

所述水体取样模块包括有取样管道1、粗滤过滤器2、取水微型泵3、取水单向阀4、精滤过滤器5、流量调节阀8和水样压力表9；取样管道1的一端与待测水样的装载容器连通，另一端与有机农药微流控模块连通，在取样管道1上，沿待测水样装载容器向有机农药微流控模块方向，依次设置有粗滤过滤器2、取水微型泵3、取水单向阀4、精滤过滤器5、流量调节阀8和水样压力表9。在取水单向阀4和取水微型泵3之间的取样管道1上设置有与其连通的支管道，在支管道上设置有卸载电磁阀7，支管道的出口设置有储存缸6。

所述粗滤过滤器2的滤芯采用金属网滤芯或金属粉末烧结滤芯，主要过滤水中的泥沙、微生物、水草、悬浮物等体积较大的杂质，以防堵塞整个检测管道；精滤过滤器5进一步滤除水中杂质，过滤精度到1μm左右，保证待测水样与金属纳米颗粒结合后能顺畅通过微流道14，同时在精滤过滤器上增设一层反渗透膜，滤除砷、钴、镉、汞等重金属离子，以减轻后续分析处理的复杂度；所述取水微型泵3为可调流速泵，流量可调范围为1-10ml/min，可根据需求进行流量设定；取水单向阀4设置有一定的背压，用以避免待检水样倒流。所述取样管道1采用硬质PVC或PPR管，也可以是其他耐酸碱腐蚀的硬质管道，管道内径可以是5-10毫米。

取样过程中，首先开启取水微型泵3，待测水样经过取水管道1进入粗滤过滤器2，将泥沙、微生物、水草、悬浮物等体积较大的杂质滤除后，通过取水单向阀4进入精滤过滤器5进行二次过滤，然后由流量调节阀8控制进入微流道14的待测水样流量。当水体取样系统的压力超过设定值或抽取的水样过多时，处于常闭状态的卸载电磁阀7打开，排泄多余的水样至储存缸6，避免取水微型泵3长期处于启停切换状态，从而提高取水微型泵3的使用寿命。流量调节阀8根据水样压力表9读出的数据调节水样的出水流速，使水样的出水流速在预设范围之内。

所述有机农药微流控模块包括有用于结合并输送纳米颗粒和水样的输送管道、纳米颗粒仓10、配样微型泵11、配样单向阀12、配样压力表13、微流道14、微流道单向阀15、微流道压力表16和缓冲液冲洗流道17；输送管道一端与纳米颗粒仓10连通，另一端与拉曼光谱分析模块连通；在输送管道上，沿纳米颗粒仓10到拉曼光谱分析模块的方向，依次设置有配样微型泵11、配样单向阀12、配样压力表13、微流道14、微流道单向阀15、微流道压力表16和缓冲液冲洗流道17；水体取样模块的输出端设置在输送管道上，位于配样压力表13与微流道14之间；有机农药微流控模块还包括有缓冲溶液瓶20、缓冲溶液微型泵19和缓冲溶液压力表18，缓冲溶液瓶20的输出管道与输送管道连通，位于微流道压力表16和缓冲液冲洗流道17之间，缓冲溶液微型泵19和缓冲溶液压力表18设置在缓冲溶液瓶的输出管道上。纳米颗粒可以是Au、Ag或Pt等颗粒，或是修饰的Au、Ag或Pt等金属纳米颗粒，修饰分子为能与待测物质特异性结合的生物或化学分子，通过配样微型泵控制其流速。缓冲溶液可以是Bis-Tris，pH=6.8或HEPES，pH=6.8或纯乙醇溶液等。

所述微流道14两个，两个微流道14首尾相接，微流道14的结构为Z形结构、S形结构、螺旋结构、平行结构、圆形结构或V形结构，也可以是其他结构，微流道14的宽度为50-200um，微流道14的制作材料包括有玻璃、硅片、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸脂、聚酶亚胺、聚氨脂或聚甲基丙烯酸等。

所述配样微型泵11和缓冲溶液微型泵19采用可调流速泵，流量可以是50-200ml/min。

结合过程中，开启配样微型泵11，然后调节合适的流量，使金属纳米颗粒通过配样单向阀12进入微流通道，配样单向阀12可以防止水样流回纳米颗粒仓10。配样压力表13实时监测金属纳米颗粒的压力，预防其压力低于待测水样压力而导致金属纳米颗粒回流。在S型微流通道和V型微流通道内，金属纳米颗粒和待测水样充分碰撞和有机结合。S型微流通道及V型微流通道的横截面形状可以相同或不同，以实现不同流速、流量的控制。待测水样通过微流通道后，通过微流道单向阀15和微流道压力表16进入缓冲液冲洗流道17，微流道单向阀15可以防止水样回流，微流道压力表16可以测量从微流道14流出的水样的水速，从而与缓冲液的流速相配合，防止倒流。再打开缓冲溶液微型泵19，根据微流道压力表16的数值，调节缓冲溶液的流速从而控制其压力，防止缓冲溶液压力过高而倒流至微流道14内。缓冲溶液把未与待测水样充分结合的金属纳米颗粒在缓冲溶液冲洗流道17内冲刷干净，再流入检测池。

所述拉曼光谱分析模块包括有检测池21、两通电磁阀25、废液回收瓶26、拉曼光谱仪22、激光器24和显示终端23，有机农药微流控模块的输出端依次通过检测池21、两通电磁阀25与废液回收瓶26连通，激光器24发出的光束照射在检测池21中的待测水样上，拉曼光谱仪22采集散射的光信号，并对光信号进行处理分析，将结果发送至显示终端23。激光器24发射波长可以是532nm、633nm、785nm或1064nm等。显示终端23可以是PC机，也可以是显示器。

检测分析过程中，拉曼光谱仪22将激光器24发出的激发光照射到检测池21中的待测水样上，再将散射信号采集处理，对水体农药成分进行分析比对，通过USB总线将检测结果在显示终端23进行图形化显示，也可以无线发送，在网络管理中心进行联机监测。检测后的废液通过处于常开状态的两通电磁阀25进入废液回收瓶中，避免二次污染。当废液回收瓶装满时，两通电磁阀25报警并自动关闭，然后更换废液回收瓶26。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种有机农药检测用高通量微流控装置，其特征在于：所述装置包括有水体取样模块、有机农药微流控模块和拉曼光谱分析模块，水体取样模块采集到水样后输送至有机农药微流控模块，与金属纳米颗粒充分碰撞和有机结合，再输送到拉曼光谱分析模块，进行数据分析；所述水体取样模块包括有取样管道、粗滤过滤器、取水微型泵、取水单向阀、精滤过滤器、流量调节阀和水样压力表；取样管道的一端与待测水样的装载容器连通，另一端与有机农药微流控模块连通，在取样管道上，沿待测水样装载容器向有机农药微流控模块方向，依次设置有粗滤过滤器、取水微型泵、取水单向阀、精滤过滤器、流量调节阀和水样压力表。

2.如权利要求1所述的一种有机农药检测用高通量微流控装置，其特征在于：在取水单向阀和取水微型泵之间的取样管道上设置有与其连通的支管道，在支管道上设置有卸载电磁阀，支管道的出口设置有储存缸。

3.如权利要求1所述的一种有机农药检测用高通量微流控装置，其特征在于：所述粗滤过滤器的滤芯采用金属网滤芯或金属粉末烧结滤芯；在精滤过滤器上增设一层反渗透膜；所述取水微型泵为可调流速泵。

4.如权利要求1或2所述的一种有机农药检测用高通量微流控装置，其特征在于：所述取样管道采用耐酸碱腐蚀的硬质PVC或PPR管。

5.如权利要求1所述的一种有机农药检测用高通量微流控装置，其特征在于：所述有机农药微流控模块包括有用于结合并输送纳米颗粒和水样的输送管道、纳米颗粒仓、配样微型泵、配样单向阀、配样压力表、微流道、微流道单向阀、微流道压力表和缓冲液冲洗流道；输送管道一端与纳米颗粒仓连通，另一端与拉曼光谱分析模块连通；在输送管道上，沿纳米颗粒仓到拉曼光谱分析模块的方向，依次设置有配样微型泵、配样单向阀、配样压力表、微流道、微流道单向阀、微流道压力表和缓冲液冲洗流道；水体取样模块的输出端设置在输送管道上，位于配样压力表与微流道之间；有机农药微流控模块还包括有缓冲溶液瓶、缓冲溶液微型泵和缓冲溶液压力表，缓冲溶液瓶的输出管道与输送管道连通，位于微流道压力表和缓冲液冲洗流道之间，缓冲溶液微型泵和缓冲溶液压力表设置在缓冲溶液瓶的输出管道上。

6.如权利要求5所述的一种有机农药检测用高通量微流控装置，其特征在于：所述微流道两个，两个微流道首尾相接，微流道的结构为Z形结构、S形结构、螺旋结构、平行结构、圆形结构或V形结构，微流道的制作材料包括有玻璃、硅片、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸脂、聚酶亚胺、聚氨脂或聚甲基丙烯酸。

7.如权利要求5所述的一种有机农药检测用高通量微流控装置，其特征在于：所述配样微型泵和缓冲溶液微型泵采用可调流速泵。

8.如权利要求1所述的一种有机农药检测用高通量微流控装置，其特征在于：所述拉曼光谱分析模块包括有检测池、两通电磁阀、废液回收瓶、拉曼光谱仪、激光器和显示终端，有机农药微流控模块的输出端依次通过检测池、两通电磁阀与废液回收瓶连通，激光器发出的光束照射在检测池中的待测水样上，拉曼光谱仪采集散射的光信号，并对光信号进行处理分析，将结果发送至显示终端。

9.一种有机农药检测用高通量微流控装置进行水样检测的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）开启并调节取水微型泵的流量，待测水样经过取水管道进入粗滤过滤器进行粗过滤处理，再沿取水管道经过取水单向阀进入精滤过滤器进行精过滤处理，再经过流量调节阀进入有机农药微流控模块；

2）开启并调节配样微型泵的流量，使金属纳米颗粒通过配样单向阀后与步骤1）中流出的水样相汇合后，通过微流道进入缓冲液冲洗流道内，再开启并调节缓冲液微型泵的流量，在缓冲液冲洗流道内对结合了纳米颗粒的水样进行冲洗，冲洗之后的水样进入拉曼光谱分析模块；

3）开启激光器，使光束照射到步骤2）中流出的待测水样，拉曼光谱仪对散射的光信号进行采集分析，将分析结果发送至显示终端，再开启两通电磁阀，使检测后的水样流入废液回收瓶。