CN104001562B - 一种用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控芯片及装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控芯片及装置。该圆盘微流控芯片由聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片和含有氨基官能团的毛细管整体柱构成，包含多个固相萃取单元。电机转动带动样品架上的圆盘离心芯片旋转，产生离心力，驱动溶液流动，完成整个固相微萃取过程。在酸性条件下，Cr(VI)会被毛细管整体柱选择性地萃取，而不保留的Cr(III)直接被收集；然后利用稀氨水将保留在整体柱上的Cr(VI)洗脱并收集，分别分析两个收集到的组分，从而得出样品溶液中Cr(III)和Cr(VI)的含量。与其他用于铬形态分析的固相萃取方法相比，本发明的优点在于装置简单、具有便携性；可同时处理多个样品、节约时间。

Description

一种用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控芯片及装置
技术领域
本发明涉及铬形态快速分离，具体地说，是一种用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控芯片及装置。
背景技术
铬是一种广泛存在的痕量元素，铬的污染主要来源于劣质化妆品原料、皮革制剂、金属部件镀铬部分，工业颜料以及鞣革、橡胶和陶瓷原料等等。研究表明铬的毒理学行为与其存在形态密切相关。在环境水体中，铬的存在形态主要有两种：Cr(III)和Cr(VI)。其中Cr(III)被认为是人体的一种必须元素，可视为无毒或者低毒；而Cr(VI)被认为是具有高的致癌性，很容易被人体吸收，可通过消化、呼吸道、皮肤及粘膜侵入人体。中国生活饮用水水质标准(GB5749-85)中限定了六价铬的标准为0.05mg/L。因此开展铬的形态分析工作具有重要的意义。
Cr(III)和Cr(VI)在自然界中存在并不稳定，在氧化性基质或者还原性基质中两者经常会发生相互转换，如果样品得不到及时分析，那么测定得到的结果的可信度将会降低。目前用于铬形态分析的固相萃取方法，对于一个样品通常都需要较长的前处理时间，大大降低了工作效率，同时也增加了铬形态在样品存储、运输、前处理等过程中转化的风险。因此发展一种简便的方法，在采样现场完成样品前处理具有重要的意义。
发明内容
本发明旨在设计一种能够高通量分离Cr(III)和Cr(VI)的装置。它是以一块PDMS芯片为基础，上面均匀分布有八个储液池，然后将2厘米长的毛细管整体柱插入到预留的插孔中，实现二者的集成。将集成后的芯片放置在带有电机的样品架上，设定电机的转速与时间，通过旋转产生离心力驱动芯片上液池中溶液流过毛细管整体柱，Cr(VI)被吸附在毛细管整体柱上，Cr(III)则通过毛细管整体柱被收集，随后，洗脱Cr(VI)，另收集，分别测定Cr(VI)和Cr(VI)。本方法可同时完成多个样品的固相萃取操作。
本发明的技术方案如下：
一种用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控芯片及装置，它包括以下构件组成：
1.集成毛细管整体柱的聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片
利用模塑法，在一块圆形或多边形的、均匀分布有多个扇形凸起结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板上浇注出聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖片1，随后在盖片1上的每个扇形储液池3的尖端打一小孔作为加样孔2，经等离子体处理与一块聚二甲基硅氧烷(PDMS)底片封接，制成聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片1，这样该芯片上就均匀分布有多个独立的储液池3，容积为为100-300微升，将含有氨基官能团的毛细管整体柱切成2厘米长的小段4，插入芯片上储液池3中点通向芯片外的预留的孔道中，由于PDMS的弹性，会与毛细管紧密接合，从而不会产生漏液；
2.离心驱动平台的构建
离心力的来源于一个简易的电机8，可以控制转速和时间，聚二甲基硅氧烷PDMS芯片与电机之间通过一个样品架6(图1D)连接，该样品架的设计是均匀分布有与储液池个数相同的孔，用于倾斜放置200微升的小离心管，保证溶液从毛细管整体柱末端出来后能被离心管收集，样品架6是与电机的转动轴固定在一起，PDMS芯片的底部粘有一块薄的磁铁片，通过磁铁与样品架之间的吸力能简单地实现PDMS芯片固定，同时保证在旋转过程中PDMS芯片不会发生位置改变或者脱落。
上述的用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控芯片及装置，采用含有氨基官能团的毛细管整体柱选择性萃取六价铬(参见：Anal.Chim.Acta,2008,611,173-181)。
一种以上述的用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控芯片及装置进行铬形态分离的方法，它是基于含有氨基官能团的毛细管整体柱在酸性条件下选择性萃取Cr(VI)，实现Cr(VI)与Cr(III)分离；在萃取之前，先用移液枪向的储液池3中加入100～300微升用硝酸调节至pH＝2.0～3.0的水溶液，启动电机驱动溶液通过整体柱，用以平衡柱子，萃取时，用移液枪向储液池3中加入100～300微升的样品溶液，启动电机，此时Cr(VI)被保留在整体柱上，而不被保留的Cr(III)则通过整体柱被末端的离心管所收集，随后是洗脱被保留的Cr(VI)：换上新的离心管，将100～300微升0.1mole/L的稀氨水溶液加入储液池3中，启动电机，柱上被保留的Cr(VI)被洗脱并被收集在离心管中，将两份收集的流出液用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)测定，从而可以分别得到样品溶液中Cr(III)与Cr(VI)的含量。
附图说明
图1为具体示意图。A图为集成毛细管的PDMS芯片俯视示意图。1为PDMS芯片；2为加样孔道；3为储液池；4为毛细管整体柱。B图为毛细管整体柱的放大图，是利用扫描电镜测得。C图为装置的整体侧视示意图。5为0.2毫升的离心管(Eppendorf)；6为特制的样品架；7为固定PDMS芯片的磁铁。D图为装置的实物俯视图，包括样品架与PDMS芯片。
具体实施方式
以国家标准物质GBW08607、瓶装纯净水和污水为例，测定其中的Cr(VI)和Cr(III)的含量。
实施例1.毛细管整体柱的合成
分离铬形态采用的是含有氨基官能团的毛细管整体柱，合成步骤参考文献(Anal.Chim.Acta,2008,611,173-181)，具体为：将22.2mg十六烷基溴化铵溶于225μL无水乙醇和75μL水的混合溶液中。然后依次加入160μL四乙氧基硅烷(TEOS)和40μLγ-氨丙基三乙氧基硅烷硅胶(AEAPTES)，超声1分钟。将得到的混合溶液注入经过活化的毛细管中，两端封口。40℃反应20小时后，用乙醇和水依次冲洗。
实施例2.用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控芯片及装置的制备
利用模塑法，在一块直径为7.6厘米、均匀分布有八个扇形凸起结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板上浇注出聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖片1，随后在盖片1上的每个扇形储液池3的尖端打一直径为2.5mm的小孔作为加样孔2，经等离子体处理与一块聚二甲基硅氧烷(PDMS)底片封接，制成聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片1，这样该芯片上就均匀分布有八个独立的储液池3，容积约为300微升，将实施例1制得的含有氨基官能团的毛细管整体柱切成2厘米长的小段4，插入芯片上储液池3中点通向芯片外的预留的孔道中，由于PDMS的弹性，会与毛细管紧密接合，从而不会产生漏液；
离心力的来源于一个简易的电机8，可以控制转速和时间，聚二甲基硅氧烷PDMS芯片与电机之间通过一个样品架6(图1D)连接，该样品架的设计是均匀分布有与储液池个数相同的孔，用于倾斜放置200微升的小离心管，保证溶液从毛细管整体柱末端出来后能被离心管收集，样品架6是与电机的转动轴固定在一起，PDMS芯片的底部粘有一块薄的磁铁片，(或样品架上表面固定一磁铁，PDMS芯片的底部粘一铁片。)通过磁铁与样品架之间的吸力能简单地实现PDMS芯片固定，同时保证在旋转过程中PDMS芯片不会发生位置改变或者脱落。
实施例3.样品的分析
用实施例2制备的芯片及装置进行铬形态的快速分离和测定：
将样品溶液用稀硝酸调节pH至2.5。电机转速设定为1600rpm，设定每次旋转2min。上样品之前，先用移液枪吸取200微升纯水溶液(用硝酸调节pH至2.5)加入到各个样品池中，启动电机旋转。然后用移液枪分别吸取200微升各个样品分别加到各个样品储液池3中，启动电机旋转，收集流出液(Cr(III))。换上新的离心管，用移液枪吸取200微升0.1M氨水分别加到各个样品池中，启动电机旋转，收集洗脱液(Cr(VI))。最后用ICP-MS测定收集的溶液，测定结果如表1所示。此外进行加标回收实验，加标浓度如表1中所示。
表1标准物质及实际样品中Cr(VI)与Cr(III)的测定结果
标准物质GBW08607给定的总铬含量为0.520±0.010μgmL-1，但未给出铬形态具体值。用本方法实际只测到Cr(III)，结果与理论值相差不大。标准物质中Cr(III)经双氧水氧化为Cr(VI)后，用本方法只测到Cr(VI)，结果与理论值相差不大。此外，瓶装纯水和污水的加标回收结果均较理想。因此可以证明基于本装置的铬形态分析方法准确、可行。

Claims (2)

1.一种用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控装置，其特征是它包括以下构件组成：
(1)集成毛细管整体柱的聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片
利用模塑法，在一块圆形或多边形的、均匀分布有多个扇形凸起结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板上浇注出聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖片(1)，随后在盖片(1)上的每个扇形储液池(3)的尖端打一小孔作为加样孔(2)，经等离子体处理与一块聚二甲基硅氧烷(PDMS)底片封接，制成聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片(1)，这样该芯片上就均匀分布有多个独立的储液池(3)，容积为100-300微升，将含有氨基官能团的毛细管整体柱切成2厘米长的小段(4)，插入芯片上储液池(3)中点通向芯片外的预留的孔道中，由于PDMS的弹性，会与毛细管紧密接合，从而不会产生漏液；
(2)离心驱动平台
离心力的来源于一个简易的电机(8)，可以控制转速和时间，聚二甲基硅氧烷PDMS芯片与电机之间通过一个样品架(6)连接，该样品架的设计是均匀分布有与储液池个数相同的孔，用于倾斜放置200微升的小离心管，保证溶液从毛细管整体柱末端出来后能被离心管收集，样品架(6)是与电机的转动轴固定在一起，PDMS芯片的底部粘有一块薄的磁铁片，通过磁铁与样品架之间的吸力能简单地实现PDMS芯片固定，同时保证在旋转过程中PDMS芯片不会发生位置改变或者脱落。
2.一种以权利要求1所述的用于铬形态快速分离的圆盘离心式微流控装置进行铬形态分离和分析的方法，其特征是：它是基于含有氨基官能团的毛细管整体柱在酸性条件下选择性萃取Cr(VI)，实现Cr(VI)与Cr(III)分离；在萃取之前，先用移液枪向储液池(3)中加入100～300微升用硝酸调节至pH＝2.0～3.0的水溶液，启动电机驱动溶液通过整体柱，用以平衡柱子，萃取时，用移液枪向液池中加入100～300微升的样品溶液，启动电机，此时Cr(VI)被保留在整体柱上，而不被保留的Cr(III)则通过整体柱被末端的离心管所收集；随后是洗脱被保留的Cr(VI)：换上新的离心管，将100～300微升0.1mol/L的稀氨水溶液加入储液池(3)中，启动电机，柱上被保留的Cr(VI)被洗脱并被收集在离心管中，将两份收集的流出液用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)测定，从而可以分别得到样品溶液中Cr(III)与Cr(VI)的含量。
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