CN103752356A - 一种基于微流控芯片技术新型的镉柱还原系统及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种能够防止填料流失、镀铜充分、试剂消耗量小、反应耗时短以及加工简便的基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统及加工方法，其特征在于：所述系统由芯片基片、镉片以及芯片盖片三层结构组成，芯片基片上刻有凹槽，所述镉片内嵌在芯片基片的凹槽中，在所述芯片基片和镉片上刻制相互连接的微通道；所述芯片盖片位于芯片基片的上面并与芯片基片密封在一起，芯片盖片上设置有通孔，所述通孔与芯片基片和镉片上的微通道相连。本发明还公开了其加工方法和使用方法。
Description
技术领域
本发明属于水体硝酸盐镉柱还原系统领域，具体的说，涉及一种能够防止填料流失、镀铜充分、试剂消耗量小、反应耗时短以及加工简便的基于微流控芯片技术的新型的镉柱还原系统的及其加工方法。
背景技术
硝酸盐的镉柱还原-分光光度法是目前水体硝酸盐检测的最常用方法，同时也是国标规定的方法。在实际应用中，硝酸盐的检测不论是采样后的实验室分析还是商业化现场分析仪器分析，多数情况下均采用镉柱还原-分光光度法。近年来，为了实现硝酸盐现场分析仪器集成化、小型化的目标，研究者开发了一些基于微流控芯片检测水体硝酸盐的方法和仪器，究其分析方法仍是采用镉柱还原-分光光度法，但相对于传统的实验室分析和管、泵、阀体系的商业化营养盐分析仪器，基于微流控芯片技术的仪器和方法具有集成度更高、成本更低、可维护性更强等优点，因而极具发展潜力。
在硝酸盐分析过程中，镉柱还原系统是一个重要的功能单元。就现有技术而言，无论是实验室分析还是商业化仪器分析，甚至包括新兴的微流控芯片体系分析均离不开镉柱还原系统，镉柱系统还原效率的高低直接影响了硝酸盐的检测结果。现有技术中，镉柱系统一般是将高纯镉粒、镉粉、镉丝按照一定密实程度装入填充柱中，先后经过镀铜、冲洗、活化、进样还原等步骤实现硝酸盐的还原。这种形式的镉柱首先体积较大，样品和试剂消耗多，体积大，不利于仪器的集成；其次，镉柱在实际使用中存在镉填料流失、易堵塞后续分析管路、镀铜不充分、操作繁琐、耗时长(一个多小时)，寿命短、重现性差等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够减少填料流失、镀铜充分、反应耗时短以及加工简便的基于微流控芯片技术新型镉柱还原系统及其加工方法，即可用于商业化硝酸盐分析仪器也可集成到各种微流控芯片上实现高集成度的硝酸盐检测。
本发明的技术方案是：一种基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统，其特征在于：所述系统由芯片基片、镉片以及芯片盖片三层结构组成，芯片基片上刻有凹槽，所述镉片内嵌在芯片基片的凹槽中，在所述芯片基片和镉片上刻制相互连接的微通道；所述芯片盖片位于芯片基片的上面并与芯片基片密封在一起，芯片盖片上设置有通孔，所述通孔与芯片基片和镉片上的微通道相连。
所述芯片基片由高分子聚合物材料制成，所述聚合物芯片基材包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯或聚环烯烃等常见的聚合物材料。
基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统加工方法，其特征在于包括下列步骤：
1)凹槽加工及清洗：选取平整的聚合物芯片基材，借助激光雕刻机或数控机床等工具在基材表面加工一个1-3mm深的矩形凹槽，用乙醇、异丙醇依次冲洗带有凹槽的基片，清洗过程中可在凹槽中滴入氯仿、正己烷等有机溶剂对凹槽进行轻微腐蚀，去除凹槽内的毛刺，坑洼，最后用蒸馏水冲洗干净并用氮气吹干。
2)镉片清洗及嵌入：根据凹槽尺寸切割出一块高纯镉片，用280目砂纸打磨镉片使之平整并尽可能接近凹槽尺寸，随后将镉片置于异丙醇溶液中去除表面油污，随后置于3mmol/L的盐酸溶液中浸泡3-5分钟去除表面氧化物，清洗后氮气吹干嵌入预制的凹槽中，用平整的抛光金属板覆盖置于层压机中，在30-60℃条件，100-150N/cm2的压力下预压20-30分钟实现平整化，平整后用填充胶将镉片和芯片之间的缝隙填充满，并用擦去表面剩余的胶。
3)微通道加工：待填充胶固化后，利用激光雕刻机或数控机床等工具以镉片芯片基片为一个整体，在镉片和芯片上刻制一定图案的微通道并在盖片上钻出进样孔。
4)封接：在镉片表面没有图案处涂敷一层填充胶，与经过清洗的芯片盖片对齐置于层压机中热压封接或溶剂辅助封接。
所述填充胶为3-8g聚甲基丙烯酸甲酯粉末溶于100ml氯仿中，静置10分钟后搅匀。
所述镉片上刻制的微通道宽深比不小于3，微通道宽度不小于150μm，以提高液体与镉柱接触面积和防止镀铜不均匀导致的微通道堵塞。
所述镉片上微通道的图案包括蛇形混合、分开重整混合、混沌流混合等所有二维的微流控混合形式。所述镉片上微通道的图案和长度由待测样品中硝酸盐的浓度决定，一般硝酸盐浓度越高，混合图案形式越复杂，混合长度越长。
基于微流控芯片技术的新型的镉柱还原系统的使用方法，其特征在于包括下列步骤：所述在线镉柱还原系统使用方法包括第一次使用时的活化方法、样品测试以及镉柱失活后的再生方法。
其中，第一次使用前的活化处理方法包括下列步骤：首先用微量泵向镉片微通道中依次注入异丙醇和1-2mol/L盐酸溶液，停留20-60s，并以超纯水冲洗干净，用以除去微通道中的油污和镉氧化物，随后向微通道中注入5mmol/L硫酸铜溶液，充满后停留20-30s，此步骤重复3-5次至用肉眼观察到微通道中覆满均匀的黑色物质，随后依次用超纯水和氯化铵缓冲液速度冲洗2-3分钟，冲洗后以100-300μl/min的速度注入硝酸盐活化液，注入时间1-2分钟，使镉柱充分活化，最后以氯化铵缓冲液冲洗并封存。
所述氯化铵缓冲液为10g氯化铵固体溶于1000ml水中，以氨水调节pH值至9.0。
所述硝酸盐活化液为以氯化铵缓冲液为基体配置的浓度为1.5mg/L的硝酸钾溶液。
样品测试包括下列步骤：待测含有硝酸盐的样品以100-300μl/min的速度注入镉柱还原系统，如硝酸盐浓度较高，超过活化液硝酸盐浓度(1.5mg/L)则需待样品充满镉片上微通道时停留30-120s，实现硝酸盐的充分还原。使用完毕后用氯化铵缓冲液冲洗1-2min，并以氯化铵缓冲液封存，如长期不用则可用含有1％(体积比)氯仿的氯化铵缓冲液封存，防止微生物滋生。
镉柱失活后再生方法包括下列步骤：当镉柱使用一段时间其还原效率低于90％时，需要对镉柱进行再生，向镉柱中依次注入5mmol/L硫酸铜溶液，停留2分钟，2mol/L盐酸溶液，停留3min，再次注入5mmol/L硫酸铜溶液，停留6分钟，实现再生，最后用氯化铵缓冲液冲出并封存。
所述三种方法中所有试剂纯度均为优级纯，配置时均采用超纯水稀释配置，试剂在使用前需要进行超声脱气处理。
本发明提供了一种新型的镉柱还原系统及其加工和使用方法，相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1)借助微流控芯片加工技术改变了原有填充柱式的镉柱还原系统，大大降低了因镉填料流失导致的分析仪器管路堵塞、还原效率下降等问题；此外，按照微流控芯片形式加工镉柱降低了原有镉柱的样品和试剂需要量、增加了镉柱的使用寿命，提高了还原反应和镉柱活化再生的时间。
2)相对于现有技术中镉柱独立于硝酸盐检测系统以外，本发明提供的镉柱系统集成性更强，可有效的集成在微流控芯片上实现一体化的硝酸盐分析体系。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的生产流程框图；
图3是集成在微流控芯片上的低浓度镉柱还原系统结构示意图；
图4是集成在微流控芯片上的低浓度镉柱还原系统结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图1-4并结合实例详细叙述本发明集成于微流控芯片系统实现硝酸盐检测的应用实例。应理解，本发明除集成于芯片系统外还可以独立使用或结合现有商业化营养盐分析仪使用，以下实例仅用于说明发明内容而非限定本发明所保护的范围。实例中镉片及芯片雕刻采用德国LPKF S62型PCB电路板雕刻机，所涉及的化学试剂均为优级纯，配置试剂均采用Milli-Q超纯水，试剂在使用前均需经过0.45μm膜过滤并超声脱气处理。
图1中，一种基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统，系统由芯片基片7、镉片2以及芯片盖片9三层结构组成，芯片基片7上刻有凹槽6，镉片2内嵌在芯片基片的凹槽6中，在芯片基片7和镉片2上刻制相互连接的微通道6；所述芯片盖片9位于芯片基片7的上面并与芯片基片密封在一起，芯片盖片9上设置有通孔4，所述通孔4与芯片基片7和镉片2上的微通道6相连，通孔4可以用作出液孔或进液孔，芯片基片7由高分子聚合物材料制成，
图2中，基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统的加工方法，包括下列步骤：
1)凹槽加工及清洗：选取平整的聚合物芯片基片7，借助激光雕刻机或数控机床等工具在基材表面加工一个1-3mm深的矩形凹槽6，用乙醇、异丙醇依次冲洗带有凹槽的基片，清洗过程中可在凹槽中滴入氯仿、正己烷等有机溶剂对凹槽进行轻微腐蚀，去除凹槽内的毛刺，坑洼，最后用蒸馏水冲洗干净并用氮气吹干。
2)镉片清洗及嵌入：根据凹槽尺寸切割出一块高纯镉片2，用280目砂纸打磨镉片使之平整并尽可能接近凹槽尺寸，随后将镉片置于异丙醇溶液中去除表面油污，随后置于3mmol/L的盐酸溶液中浸泡3-5分钟去除表面氧化物，清洗后氮气吹干嵌入预制的凹槽中，用平整的抛光金属板8覆盖置于层压机中，在30-60℃条件，100-150N/cm2的压力下预压20-30分钟实现平整化，平整后用填充胶将镉片和芯片之间的缝隙填充满，并用擦去表面剩余的胶。
3)微通道加工：待填充胶固化后，利用激光雕刻机或数控机床等工具以镉片芯片基片为一个整体，在镉片和芯片上刻制一定图案的微通道并在盖片上钻出进样孔。
4)封接：在镉片表面没有图案处涂敷一层填充胶，与经过清洗的芯片盖片对齐置于层压机中热压封接或溶剂辅助封接。
所述填充胶为3-8g聚甲基丙烯酸甲酯粉末溶于100ml氯仿中，静置10分钟后搅匀。
所述镉片上刻制的微通道宽深比不小于3，微通道宽度不小于150μm，以提高液体与镉柱接触面积和防止镀铜不均匀导致的微通道堵塞。
所述镉片上微通道的图案包括蛇形混合、分开重整混合、混沌流混合等所有二维的微流控混合形式。所述镉片上微通道的图案和长度由待测样品中硝酸盐的浓度决定，一般硝酸盐浓度越高，混合图案形式越复杂，混合长度越长。
图3中，较低浓度硝酸盐镉柱还原微流控芯片分析系统
本系统将镉柱系统集成于微流控芯片体系，，10为样品进样□，11为镉柱还原系统活化再生所需试剂入□，待测样品经样品进样□10进入，流经芯片微通道进入镉柱还原系统18实现硝酸盐向亚硝酸盐的转变，随后与由进样□12流入的显色剂混合，经芯片上的蛇形混合通道14混合显色，流入检测通道17，检测通道17两端分别是与光纤耦合的LED光源15和光电二极管16，实现分光光度法分析，检测完毕后从废液□13流出，本实例适用于硝酸盐浓度低于1.5mg/L的硝酸盐的分析，芯片基材选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，由于硝酸盐浓度较低，镉柱上采用图1形式，其微通道3为较为简单的蛇形混合形式。该系统加工方法如图2，具体如下：
1、选取一片平整的PMMA基材6，尺寸为40mm×80mm，；经乙醇、异丙醇、蒸馏水依次冲洗后，氮气吹干，置于电路板雕刻机中，刻制一个深度为1.5mm，直径为20mm的圆形凹槽7，完成后取出在凹槽中滴加1-2ml氯仿，旋转芯片使氯仿与凹槽内壁充分接触，停留1-2min，用以平整凹槽内壁，随后用乙醇、异丙醇冲洗凹槽及整个芯片，最后用蒸馏水超声清洗并用氮气吹干待用；
2、选取一片与凹槽形状一致的圆形镉片2，用280目砂纸打磨表面，是表面光滑且能够刚好嵌入凹槽中，将镉片置于异丙醇溶液中去除表面油污，随后置于3mmol/L的盐酸溶液中浸泡3-5分钟去除表面氧化物，清洗后保存在乙醇中待用，防止表面过度氧化；
3、将镉片嵌入芯片基片的凹槽7中，用一块尺寸相当的平整的抛光金属板8(或平整玻璃板)覆盖在基片上，在55℃条件下，100N/cm2的压力下预压20分钟，其目的是使镉片2平整的嵌入凹槽7中化，平整后用填充胶将镉片和芯片之间的细小缝隙填充满，并用擦去表面溢出的胶，防止使用过程中样品或试剂从流入缝隙形成比较大的体积。
所述的填充胶为5g聚甲基丙烯酸甲酯粉末溶于100ml氯仿中，静置10分钟，倾出上清液，搅匀剩余的胶状物质。
4、待填充胶固化后，将芯片连同镉片作为一个整体，置于电路板雕刻机中绘制整体绘制微通道，如图3所示，其中镉片上微通道宽度为600mm，深度为200μm，宽深比为3，微通道总长度为153mm，较大宽深比的作用在于：1)防止后续镉片镀铜时堵塞微通道；2)增大待测液体与镉片的接触面积，芯片上微通道尺寸为250μm×250μm，检测光路微通道尺寸为300μm×300μm。
5、加工完毕后在镉片上没有微通道的区域涂敷一层填充胶，涂敷厚度不超过0.5mm，其作用时增强镉片与芯片盖片的封接强度，随后将芯片盖片9对其覆盖，置于层压机中于140N/cm2，80℃的条件下热压30分钟实现芯片封接。
镉柱系统第一次使用前的活化处理方法：封住进样□10和进样□12，用微量注射泵从进样□11依次向镉片微通道中注入异丙醇和2mol/L盐酸溶液，随后以超纯水冲洗干净，其目的是用以除去微通道中的油污和镉氧化物，随后向微通道中注入5mmol/L硫酸铜溶液，充满后停留30s，此步骤重复3-5次至用肉眼观察到微通道中覆满均匀的黑色物质，其目的是在微通道表面镀铜，对硝酸盐的还原其催化作用，镀铜结束后，依次用超纯水和氯化铵缓中液速度冲洗2-3分钟，冲洗后以150μl/min的速度注入硝酸盐活化液，持续1-2分钟，使镉柱充分活化，最后以氯化铵缓冲液冲洗并封存。
所述氯化铵缓冲液为10g氯化铵固体溶于1000ml水中，以氨水调节pH值至9.0。
所述硝酸盐活化液为以氯化铵缓冲液为基体配置的浓度为1.5mg/L的硝酸钾溶液。
样品测试：待测含有硝酸盐的样品以200μl/min的速度注入镉柱还原系统，其测定流程如前所述。测定完毕后用氯化铵缓冲液冲洗2min，并以氯化铵缓冲液封存，如长期不用则可用含有1％(体积比)氯仿的氯化铵缓冲液封存，防止微生物滋生。
失活后再生方法：当镉柱使用一段时间其还原效率低于90％时，需要对镉柱进行再生，向镉柱中依次注入5mmol/L硫酸铜溶液，停留2分钟，2mol/L盐酸溶液，停留3min，再次注入5mmol/L硫酸铜溶液，停留6分钟，实现再生，最后用氯化铵缓冲液冲出并封存。
图4中，较高浓度硝酸盐镉柱还原微流控芯片分析系统
本系统适用于硝酸盐浓度高于1.5mg/L的硝酸盐样品的还原检测，本系统也是将镉柱系统集成于微流控芯片中，芯片系统材质、检测方式、试验中试剂配置方法、所使用仪器等与图3一致，所不同的是为了适用于高浓度硝酸盐样品，本系统中镉柱还原系统上的混合形式19为分开重整混合，样品由进样□10进入后，流经镉柱还原系统，在微通道内不断的分开、汇合，大大提高了镉柱系统的还原效率。本实例中，镉片上微通道的宽度为800μm，深度，200微米，宽深比为4，微通道总长度为231mm，更大的宽深比和更长的微通道有利于样品与镉片的充分接触。芯片上的混合显色微通道14采用拐角更多的蛇形混合，以提高混合显色效率。
本系统中镉片还原系统的加工方法与图3相似，也是采用镉片、芯片整体化加工方式。所不同的是，由于本实例中镉片上微通道占据的面积较大，即有效的与芯片盖片键合的面积更小，为保证封接质量，本实例采用溶剂辅助封接，具体如下：当镉片、芯片通道加工完毕后，如实例1所述在镉片上没有微通道出涂敷填充胶，同时在芯片盖片封接面上均匀涂敷一层氯仿，迅速将盖片基片对齐封接，用手垂直按压5分钟，随后置于阴凉处放置1小时即可使用。
本系统所述镉片的活化、使用方法同图3，不在赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。凡未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统，其特征在于：所述系统由芯片基片、镉片以及芯片盖片三层结构组成，芯片基片上刻有凹槽，所述镉片内嵌在芯片基片的凹槽中，在所述芯片基片和镉片上刻制相互连接的微通道；所述芯片盖片位于芯片基片的上面并与芯片基片密封在一起，芯片盖片上设置有通孔，所述通孔与芯片基片和镉片上的微通道相连。
2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统，其特征在于：所述芯片基片由高分子聚合物材料制成，
3.一种如权利要求1或2所述的基于微流控芯片技术的新型的镉柱还原系统的加工方法，其特征在于包括下列步骤：
1)凹槽加工及清洗：选取平整的聚合物芯片基材，借助激光雕刻机或数控机床在基材表面加工一个1-3mm深的矩形凹槽，用乙醇、异丙醇依次冲洗带有凹槽的基片，清洗过程中在凹槽中滴入氯仿、正己烷有机溶剂对凹槽进行轻微腐蚀，去除凹槽内的毛刺，坑洼，用蒸馏水冲洗干净并用氮气吹干；
2)镉片清洗及嵌入：根据凹槽尺寸切割出一块高纯镉片，用280目砂纸打磨镉片使之平整并尽可能接近凹槽尺寸，随后将镉片置于异丙醇溶液中去除表面油污，随后置于3mmol/L的盐酸溶液中浸泡3-5分钟去除表面氧化物，清洗后氮气吹干嵌入预制的凹槽中，用平整的抛光金属板覆盖置于层压机中，在30-60℃条件，100-150N/cm2的压力下预压20-30分钟实现平整化，平整后用填充胶将镉片和芯片之间的缝隙填充满，并用擦去表面剩余的胶；
3)微通道加工：待填充胶固化后，利用激光雕刻机或数控机床以镉片芯片基片为一个整体，在镉片和芯片上刻制一定图案的微通道并在盖片上钻出进样孔；
4)封接：在镉片表面没有图案处涂敷一层填充胶，与经过清洗的芯片盖片对齐置于层压机中热压封接或溶剂辅助封接，所述填充胶为3-8g聚甲基丙烯酸甲酯粉末溶于100ml氯仿中，静置10分钟后搅匀。
4.根据权利要求3所述的基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统的加工方法，其特征在于：所述镉片上刻制的微通道宽深比不小于3，微通道宽度不小于150μm。
5.根据权利要求3所述的基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统的加工方法，其特征在于：所述镉片上微通道的图案包括蛇形混合、分开重整昆合、混沌流混合在内的所有二维的微流控混合形式，所述镉片上微通道的图案和长度由待测样品中硝酸盐的浓度决定，硝酸盐浓度越高，混合图案形式越复杂，混合长度越长。
6.一种如权利要求1或2所述的基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统的使用方法，其特征在于包括下列步骤：第一次使用时的活化方法、样品测试以及镉柱失活后的再生方法，其中，第一次使用前的活化方法包括下列步骤：用微量泵向镉片微通道中依次注入异丙醇和1-2mol/L盐酸溶液，停留20-60s，并以超纯水冲洗干净，随后向微通道中注入5mmol/L硫酸铜溶液，充满后停留20-30s，此步骤重复3-5次至用肉眼观察到微通道中覆满均匀的黑色物质，随后依次用超纯水和氯化铵缓冲液速度冲洗2-3分钟，冲洗后以100-300μl/min的速度注入硝酸盐活化液，注入时间1-2分钟，使镉柱充分活化，最后以氯化铵缓冲液冲洗并封存。
7.根据权利要求6所述的基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统的使用方法，其特征在于：所述氯化铵缓冲液为10g氯化铵固体溶于1000ml水中，以氨水调节pH值至9.0。
8.根据权利要求6所述的基于微流控芯片技术的新型镉柱还原系统的使用方法，其特征在于：硝酸盐活化液为以氯化铵缓冲液为基体配置的浓度为1.5mg/L的硝酸钾溶液。
9.根据权利要求6所述的基于微流控芯片技术的新型的镉柱还原系统的使用方法，其特征在于：所述样品测试包括下列步骤：待测含有硝酸盐的样品以100-300μl/min的速度注入镉柱还原系统，如硝酸盐浓度较高，超过活化液硝酸盐浓度(1.5mg/L)则需待样品充满镉片上微通道时停留30-120s，实现硝酸盐的充分还原。使用完毕后用氯化铵缓冲液冲洗1-2min，并以氯化铵缓冲液封存。
10.根据权利要求6所述的基于微流控芯片技术的新型的镉柱还原系统的使用方法，其特征在于：所述镉柱失活后的再生方法包括下列步骤：向镉柱中依次注入5mmol/L硫酸铜溶液，停留2分钟，2mol/L盐酸溶液，停留3min，再次注入5mmol/L硫酸铜溶液，停留6分钟，实现再生，最后用氯化铵缓冲液冲出并封存。
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