CN105344391A - 一种布芯片重力/毛细流动化学发光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种布芯片重力/毛细流动化学发光方法，具体公开了一种重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片，及其在检测重金属离子中的应用。本发明的布芯片分为疏水区和亲水区，亲水区又分为加样区、检测区和流体通道区三个部分；在使用时，该布芯片要紧贴放置在一个支架上，该支架的倾斜面与水平面形成一个夹角，放置后加样区和流体通道区应在支架倾斜面上，检测区在支架的水平部分上，同时在布芯片检测区下方垫上一个疏水薄片。本发明的布芯片和检测方法与传统的流动化学发光相比，无需采用任何价格昂贵的泵装置(精密注射泵、蠕动泵等)来驱动液体流动。本发明仅通过液体自然的重力以及布纤维空隙的毛细力来驱动液体流动。

Description

一种布芯片重力/毛细流动化学发光方法

技术领域

本发明属于微流控分析领域，涉及一种布芯片重力/毛细流动化学发光方法，具体涉及一种重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片，及其在检测重金属离子中的应用。

背景技术

目前，Cr(VI)、Cr(III)、U(VI)、Te(III)、Co(III)、Se(VI)、Pu(III)、Hg(II)、Mn(VII)等重金属离子的污染事件频繁发生，这给自然环境和人类生活带来了巨大的压力，所以实现对重金属离子的快速检测在应对重大突发以及应急事件中显得至关重要。

近年来，化学发光作为一种有效的检测方法被广泛应用于重金属离子、核酸和蛋白质等物质分析。化学发光检测主要分为静态体系、流动体系和两相流测量体系。相比于其他两种方式，流动化学发光体系由于具有反应耗时短、样品实时分析、高灵敏度、高通量和高重复性等特点，受到人们极大的关注。

目前，国际上已被报道的用于分析检测的流动化学发光方法主要包括流动注射化学发光(FI-CL)、毛细管电泳化学发光(CE-CL)、离子色谱法化学发光(IC-CL)和高效液相色谱法化学发光(HPLC-CL)。然而，传统的流动化学发光方法及系统具有装置尺寸大，耗时长，耗样大，检测过程局限于实验室等缺点。

近些年，随着微流控芯片技术的出现，实现了在芯片上采用流动化学发光方法检测生化样品。这种带有高度集成功能的微流控芯片不仅减少了流动化学发光检测的耗样量及检测时间，并且使得自动化、简单和便携的流动化学发光检测装置得到一定程度的发展。

但是，这些已被报道的微流控芯片流动化学发光方法依然存在一些缺点：(1)几乎所有的化学发光芯片都是基于玻璃、硅、聚合物等衬底材料，这些材料用于微加工时过程相对复杂；(2)反应所需的较长微通道和精致设计的微混合器给芯片设计和加工增加了难度；(3)类似于大尺寸系统，PMT作为光学检测器不仅需要高电压，而且体积较大；(4)大多数流动化学发光微流控芯片系统都需要外置泵用于液体操控。另外，还需要一些管道用于连接芯片通道和外置泵。以上这些缺点极大地限制了流动化学发光芯片简单、廉价、便携式应用。

2011年以来，布芯片(也称微流控布基分析装置、布基微流控技术、图案化布基装置)(Biomicrofluidics,2013,7:051501)的研究日益引起人们的关注。然而，相比于其它种类的芯片，布芯片的研究仍然较少，仅有少量的检测方法(如比色、电化学、电化学发光等)被报道用于酶联免疫吸附试验，尿中蛋白、葡萄糖检测，以及亚硝酸离子测定等。

最近，本实验室已经研究出一种检测过氧化氢(H₂O₂)的底物预固定布基微流控化学发光方法(Biosens.Bioelectron.,2015,72:114-120；发明专利申请号：201410719841.8)。然而，在这项工作中，分析物仅仅通过多孔布纤维毛细流动从进样区流到检测区进行化学发光检测。根据毛细流动特征，分析物到达检测区的速度相当缓慢。这样的流速常常不能够用来触发需要快速溶液混合的化学发光体系，如重金属离子催化氧化剂氧化发光剂的化学发光体系。由于这个原因，到目前为止，在布芯片上还未曾发现化学发光方法检测重金属或重金属离子的报道。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片，该布芯片无需外置泵驱动流体流动、无需外接管道，装置简单、实用、廉价。

本发明的另一目的在于提供上述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片的制备方法，该方法简单、易于操作。

本发明的再一目的在于提供上述的布芯片重力/毛细力驱动流体的流动化学发光(gravity/capillaryflowchemiluminescence,GCF-CL)在检测重金属离子中的应用，其可以实现水溶液中微量重金属离子的快速检测，灵敏且选择性高。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片，该布芯片分为疏水区和亲水区，亲水区又分为加样区、检测区和流体通道区三个部分；在使用时，该布芯片要紧贴放置在一个支架上，该支架的倾斜部分(即支架倾斜面)与水平面形成一个夹角，放置后加样区和流体通道区应在支架倾斜面上，检测区在支架的水平部分上，同时在布芯片检测区下方垫上一个疏水薄片；

所述支架的倾斜面和水平部分上与布芯片亲水区域对应的位置是被掏空的，以保证充分的重力/毛细流动；

设支架倾斜面与水平面形成的夹角为θ，须满足0°＜θ＜90°，夹角优选45°。

上述的布芯片的制备方法，包括如下步骤：

(a)使用绘图软件设计出亲水区的图案，然后制成网板；

(b)将网板紧贴在布片上，并在网板上涂蜡，然后用平滑器具研磨网板；将布片和网板一同放在加热板上加热数秒，蜡渗透在布片中形成疏水区，布片的其他区域即为亲水区；然后，将布片与网板从加热板上取下，剥离布片，得到布芯片；

(c)按布芯片上检测区与流体通道区的分界处折叠，然后紧贴固定在支架上，加样区和流体通道区在支架倾斜面上，检测区在支架的水平部分上，同时在检测区下方垫上一个疏水薄片，得到重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片；

所述的绘图软件优选AdobeIllustratorCS5；所述布片优选白色全棉布。

上述的布芯片可用于重金属离子的检测；

所述的重金属离子是指Cu(II)、Hg(II)、Pb(II)、Cr(III)、Ni(II)、Co(II)和Fe(II)；其中的Cu(II)是指二价的铜离子，其他的与此类同；

上述的布芯片在检测重金属离子中的应用，包括以下步骤：

(a)将固定着布芯片的支架放进暗箱中，布芯片检测区正对准CCD相机的宏观镜头，调节CCD相关参数和焦距，使成像最清晰；

(b)将含有重金属离子的测试液滴加到检测区中心位置，紧接着将过量的化学发光底液滴加到加样区以用来触发化学发光；在重力和布纤维毛细力作用下，化学发光底液向下流动，数秒后以较高流速进入检测区与测试液混合，从而触发化学发光；

(c)采用CCD相机视频成像化学发光过程，并通过VGIF(http://video-to-gif.watermark-software.com/)、MatlabR2012a(MathWorkscompany,USA)开发的图像自动处理程序、AdobePhotoshopCS4，以及Origin7.0(MicrocalSoftwareInc.,Newark,USA)对成像数据进行分析；

所述的含有重金属离子的测试液的配制方法，是将重金属离子的标准溶液储备液用去离子水稀释到所需浓度，然后与等体积的、含有掩蔽剂和增敏剂溶液均匀混合，再调节其pH值1.5-4.5，以制得测试液；

所述的掩蔽剂为乙二胺四乙酸(EDTA)或柠檬酸铵，优选乙二胺四乙酸(EDTA)；

所述的增敏剂为溴化钾(KBr)或邻啡啰啉，优选溴化钾(KBr)；

测试液中，掩蔽剂浓度优选10mM以下；pH值优选3.0；增敏剂浓度优选0.75M；

所述的化学发光底液的配制方法，是用TE缓冲液配制0.5-10mM的发光剂溶液和0.01-0.6M的氧化剂溶液，然后将发光剂溶液和氧化剂溶液等体积均匀混合，调节其pH值为10.0-13.0，制得底液；

所述的发光剂是指鲁米诺(Luminol)或光泽精，优选鲁米诺(Luminol)；

所述的氧化剂是指H₂O₂或高锰酸钾，优选H₂O₂；

底液中，发光剂浓度优选3.0mM；氧化剂浓度优选0.1M；pH值优选11.5；

所述的CCD相机购自广州市明美科技有限公司，型号为MC15。

本发明的基本原理是：

Hg(II)、Pb(II)、Cr(III)、Cu(II)、Ni(II)、Co(II)和Fe(II)等重金属离子对一些基于发光剂-氧化剂的化学发光反应通常有良好的催化作用。当发光剂和氧化剂过量时，反应体系的化学发光强度一般在若干个数量级范围内与金属离子浓度成正比。

以Cr(III)-Luminol-H₂O₂-EDTA-KBr体系为例，Cr(III)在碱性介质中对Luminol-H₂O₂体系具有线性催化作用，以EDTA掩蔽剂消除其他金属离子的干扰，从而能对Cr(III)进行选择性的定量分析。另外，KBr可以增强Cr(III)催化H₂O₂氧化Luminol反应的化学发光信号，而Cr(III)浓度变化时，增强作用基本保持不变。

本发明巧妙地将布芯片、重力/毛细力流体驱动、重金属离子催化氧化剂氧化发光剂的化学发光等技术有机集成，实现一种布芯片GCF-CL方法，并对重金属离子进行定量检测，其示意图如图1所示。

本发明相比于现有技术具有如下优点和效果：

1、本发明的布芯片和检测方法与传统的流动化学发光相比，无需采用任何价格昂贵的泵装置(精密注射泵、蠕动泵等)来驱动液体流动。本发明仅通过液体自然的重力以及布纤维空隙的毛细力来驱动液体流动。

2、本发明的布芯片和检测方法使用的重力/毛细力流体驱动与传统流体驱动方法相比，显著的优势之一是基于重力加速运动的特性，液体流速随流体通道长度的增加而越快，适合需要快速液体流动的应用场合；优势之二是重力/毛细力流体驱动的有机耦合无需对衬底材料进行化学处理，因此本发明使用的重力/毛细力液流驱动方法具有简单、廉价、易于使用、便携且现场即时使用等优点。

3、本发明的布芯片和检测方法使用的芯片与传统衬底(如硅、玻璃、聚合物等)的芯片相比，布芯片材料具有廉价、普遍、用户友好、生物兼容性好、可废弃等优点，而且其加工方法简单、快速、便宜、环保、并可批量生产。因此，本发明的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片非常符合分析设备大众化、家庭化这一发展趋势。

4、本发明的布芯片和检测方法中，布芯片的良好弹性允许其沿着流体通道区与检测区相接处的折线自由折叠，这样的折叠具有的优势是：能很好地保证折叠角度与支架两叶片夹角完全一致；允许具有一定粘性的疏水薄片很好地放置在检测区底部以改善液体混合；仅通过折叠角(注：芯片适当放置时，折叠角也是流体通道相对于水平面的倾斜角)来控制化学发光底液在流体通道中的流动。

5、本发明的布芯片和检测方法中，测试液滴加到检测区后立即将化学发光底液滴加到加样区以触发化学发光，底液经流体通道流到检测区约3-4秒，化学发光经触发后整个反应过程持续约5-6s，完成检测分析时间小于20s，因此从重金属离子测试液滴加到检测的分析速度极快。本方明方法适用于水样品中重金属离子的快速、灵敏、定量分析。

6、本发明检测方法所描述的操作流程简单，不需要专业人员操作。

7、本发明的布芯片和检测方法减少了对环境的污染，测试分析完成后布芯片可通过燃烧的方法处理掉。

8、本发明检测方法的化学发光体系具有稳定性好、检测动态范围宽等优点，能直接测定重金属离子，这在环境监测、食品安全检测等领域有极其重要的研究意义。

附图说明

图1是布芯片GCF-CL方法示意图。

图2是布芯片亲水区域的图案。

图3是蜡网印而成的布芯片(含有4个单元的亲水区域和蜡疏水区域)。

图4是布芯片、双面胶、塑料支架的组装实物图。

图5是布芯片流体通道倾斜角度与流动时间的关系图。

图6是流体通道倾斜角度与GCF-CL相对光强度的关系图。

图7是测试液体积与GCF-CL相对光强度的关系图。

图8是底液体积与GCF-CL相对光强度的关系图。

图9是EDTA浓度与GCF-CL相对光强度的关系图。

图10是底液pH值与GCF-CL相对光强度的关系图。

图11是测试液pH值与GCF-CL相对光强度的关系图。

图12是Luminol浓度与GCF-CL相对光强度的关系图。

图13是H₂O₂浓度与GCF-CL相对光强度的关系图。

图14是KBr浓度与GCF-CL相对光强度的关系图。

图15是去离子水中Cr(III)浓度与GCF-CL相对光强度的关系图。

图16是1mMEDTA条件下六种典型干扰离子浓度1倍或5倍于50μg/mLCr(III)时的GCF-CL相对光强度。

图17是10mMEDTA条件下六种典型干扰离子浓度10倍或50倍于50μg/mLCr(III)时的GCF-CL相对光强度。

图18是10mMEDTA条件下Ca(II)离子浓度100倍、500倍或1000倍于1或5μg/mLCr(III)浓度时的GCF-CL相对光强度。

图19是四种水中含有0.5或5μg/mLCr(III)时的GCF-CL相对光强度。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片的制备方法，包括如下步骤：

(a)使用AdobeIllustratorCS5软件设计出如图2所示的布芯片亲水区图案(白色区域为亲水区)，然后基于这些图案由广州联畅印刷器材店加工制成300目网纱网板。

(b)取一块尺寸为50mm×60mm的白色全棉布片，将网板紧贴在布上，用紫色蜡笔在网板上涂刷，并进一步用平滑碾磨勺均匀用力研磨；研磨后，将布和网板一同放在温度设置为90℃的加热板(型号YH-946B)上加热大约5秒(带棉布的一面朝向加热板)，蜡渗透在布片中形成疏水区，其他区域为亲水区。然后，将布片与网板从加热板上取下，将布片剥离，得到布芯片，包括4个单元的亲水区域(加样区，流体通道区以及检测区)和蜡疏水区域，如图3所示。

(c)制成的布芯片被裁剪成4个含单个亲水区域的芯片，每个布芯片使用前，首先沿着流体通道区与检测区相接处的折线进行折叠，使得流体通道区与检测区所在水平面的锐角夹角为0°-90°；然后使用双面胶覆盖检测区下方，并被固定在一个PET塑料支架上，如图4所示，该支架上位于布芯片亲水区域下方是被掏空的，以保证充分的重力/毛细流动；制得重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片。

以超纯水中加入少量柠檬黄配制而成的溶液模拟测试液(黄色)、TE中加入少量柠檬黄和亮蓝配制而成的溶液模拟底液(蓝绿色)，30μL模拟测试液和底液先后滴加到布芯片的检测区和加样区，通过电子秒表记录蓝绿色溶液从加样区流到检测区所需要的时间，每个实验重复5次做统计，其测试的重力/毛细流动时间与流体通道倾斜角度之间的关系如图5所示。

从图中结果可以看出：倾斜角度为0°，即仅仅在毛细力作用下，流动时间长达18s左右。然而，随着倾斜角度增大，即在重力/毛细力耦合作用下，流动时间逐渐缩短。当倾斜角度为60°时，流动时间不到3s，其平均流速是倾斜角度为0°时的6倍多。进一步增大倾斜角度，流动时间会进一步缩短。比如，当倾斜角度为70°时，流动时间仅约为1s；当倾斜角度增大到85°时，流动时间约为0.2s。

实施例2

实施例1的布芯片在检测Cr(III)中的应用，包括以下步骤：

(a)将组装有布芯片的PET塑料支架放进暗箱中，布芯片检测区正对准CCD相机(型号MC15)的宏观镜头(型号M1614-MP)，调节CCD相关参数(如曝光时间、蓝色光增益等)和焦距，使成像最清晰。

(b)5-30μLCr(III)测试液滴加到布芯片检测区中心位置，紧接着将5-40μL化学发光底液滴加到加样区以用来触发化学发光。

(c)采用CCD相机视频成像GCF-CL过程，视频成像参数为每秒15帧、比特率为3000，并通过VGIF(http://video-to-gif.watermark-software.com/)软件处理暗箱关闭至化学发光结束期间的成像视频，每100ms截取一张图片。然后，所得的批量图片经过MatlabR2012a(MathWorkscompany,USA)开发的图像自动处理程序来分析，从而得到化学发光强度最大的的图片。接着，采用AdobePhotoshopCS4、Matlab软件分别截取和分析图片上包含有化学发光区域的、300像素×300像素的正方形区域，以得到相对光强度(即灰度值)。最后，采用Origin7.0(MicrocalSoftwareInc.,Newark,USA)对相对光强度进行数据分析。

Cr(III)测试液的配制：将1000μg/mLCr(III)标准溶液储备液用水(除非指出，否则所用水为去离子水)稀释到所需浓度(0-200μg/mL)，然后与同体积含EDTA(0-50mM)的KBr(0-3M)溶液混合、摇匀，再调节其pH值1.5-4.5，以制得所需Cr(III)测试液。

化学发光底液的配制：是用TE缓冲液配制0.5-10mM的Luminol溶液和0.01-0.6mM的H₂O₂溶液，并等体积混合、摇匀，再调节其pH值10-13，以制得化学发光底液。

现以检测区中Cr(III)浓度50μg/mL、EDTA浓度1mM、KBr浓度0.75M，以及加样区中Luminol浓度1mM、H₂O₂浓度0.1M为例，采用布芯片GCF-CL检测过程来测试GCF-CL相对光强度分别与布芯片流体通道倾斜角度(图6)、测试液体积(图7)以及底液体积(图8)之间的关系。在这些测试例子中，测试液和底液体积分别固定为30μL和/或35μL。

从图6可以看出，布芯片流体通道倾斜角度为0°时，CL相对光强度几乎为0；随着流体通道倾斜角度从0°逐渐增大到45°，CL相对光强度逐渐增大；接着逐渐增加流体通道倾斜角度，CL相对光强度几乎保持恒定。鉴于此，本发明方法优选布芯片流体通道倾斜角度为45°。

从图7可以看出，其他条件保持不变时，布芯片检测区中测试液体积从30μL逐渐减少到5μL，对应的CL相对光强度从172.8减小到81.9，这样的光强度仍然较高。因此，本发明方法可以进行不同测试液体积的GCF-CL检测。鉴于其发光强度最大，本发明方法30μL优选为测试液体积。

从图8可以看出，其他条件保持不变时，布芯片加样区中化学发光底液体积从40μL逐渐减少到5μL，对应的CL相对光强度从181.0减小到0。5μL底液不能将布芯片流体通道充满，从而没有底液流到检测区来触发GCF-CL；当底液体积为40μL时，尽管其相对光强度最大，但是会导致液体流到检测区外。鉴于其发光强度较大，且能稳定流到检测区，本发明方法35μL优选为底液体积。

实施例3

对影响实施例2中布芯片GCF-CL发光强度的若干重要因素(测试液和底液pH值、成分浓度)进行优选

a)优选EDTA浓度

1、30μL测试液成分：Cr(III)浓度为50μg/mL、KBr浓度为0.75M、EDTA浓度待定、pH值3.0；35μL底液成分：Luminol浓度为3mM、H₂O₂浓度为0.1M、pH值11.5。

2、设置若干实验组：GCF-CL测试液中EDTA的浓度设置为几个不同值(0mM、1mM、5mM、10mM、15mM、20mM、25mM)。

3、布芯片GCF-CL检测过程同实施例2，测试结果如图9所示。

从实验结果可以看出：EDTA浓度小于等于10mM时，其GCF-CL相对光强度几乎保持恒定。这意味着低浓度EDTA可用来屏蔽较低外源重金属离子对GCF-CL干扰，而高浓度EDTA可用来屏蔽较高外源重金属离子对GCF-CL干扰。

b)优选底液pH值

1、30μL测试液成分：Cr(III)浓度为50μg/mL、KBr浓度为0.75M、EDTA浓度选1mM、pH值3.0；35μL底液成分：Luminol浓度为3mM、H₂O₂浓度为0.1M、pH值待定。

2、设置若干实验组：GCF-CL底液pH设置为几个不同值(10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0)。

3、布芯片GCF-CL检测过程同实施例2，测试结果如图10所示。

从实验结果可以看出：当底液pH值为11.5，布芯片GCF-CL相对光强度最大；pH值超过11.5时，CL相对光强度随pH值增大而下降。

c)优选测试液pH值

1、30μL测试液成分：Cr(III)浓度为50μg/mL、KBr浓度为0.75M、EDTA浓度选1mM、pH值待定；35μL底液成分：Luminol浓度为3mM、H₂O₂浓度为0.1M、pH值11.5。

2、设置若干实验组：GCF-CL测试液pH设置为几个不同值(1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5)。

3、布芯片GCF-CL检测过程同实施例2，测试结果如图11所示。

从实验结果可以看出：当测试液pH值为3.0，布芯片GCF-CL相对光强度最大；pH值超过3.0时，CL相对光强度随pH值增大而下降。

d)优选Luminol浓度

1、30μL测试液成分：Cr(III)浓度为50μg/mL、KBr浓度为0.75M、EDTA浓度选1mM、pH值3.0；35μL底液成分：Luminol浓度待定、H₂O₂浓度为0.1M、pH值11.5。

2、设置若干实验组：GCF-CL底液中Luminol的浓度设置为几个不同值(0.25mM、0.5mM、1mM、2mM、3mM、4mM、5mM)。

3、布芯片GCF-CL检测过程同实施例2，测试结果如图12所示。

从实验结果可以看出：Luminol浓度为3mM时GCF-CL相对光强度最大，其浓度超过3mM时，随着浓度增大，相对光强度反而减小。

e)优选H₂O₂浓度

1、30μL测试液成分：Cr(III)浓度为50μg/mL、KBr浓度为0.75M、EDTA浓度选1mM、pH值3.0；35μL底液成分：Luminol浓度为3mM、H₂O₂浓度待定、pH值11.5。

2、设置若干实验组：GCF-CL底液中H₂O₂的浓度设置为几个不同值(0.005M、0.01M、0.02M、0.05M、0.1M、0.2M、0.3M)。

3、布芯片GCF-CL检测过程同实施例2，测试结果如图13所示。

从实验结果可以看出：H₂O₂浓度为0.1M时GCF-CL相对光强度最大，其浓度超过0.1M时，随着浓度增大，相对光强度反而减小。

f)优选KBr浓度

1、30μL测试液成分：Cr(III)浓度为50μg/mL、KBr浓度待定、EDTA浓度选1mM、pH值3.0；35μL底液成分：Luminol浓度为3mM、H₂O₂浓度为0.1M、pH值11.5。

2、设置若干实验组：GCF-CL测试液中KBr的浓度设置为几个不同值(0M、0.1M、0.25M、0.5M、0.75M、1.0M、1.5M)。

3、布芯片GCF-CL检测过程同实施例2，测试结果如图14所示。

从实验结果可以看出：KBr浓度为0.75M时GCF-CL相对光强度最大，其浓度超过0.75M时，随着浓度增大，相对光强度反而减小。

实施例4

以实施例3摸索到的优选条件进行布芯片GCF-CL检测去离子水中Cr(III)

(a)采用实施例3优选的反应试剂浓度(即测试液中KBr浓度0.75M、EDTA浓度1mM；底液中Luminol浓度3mM、H₂O₂浓度0.1M)。另外，底液和测试液pH值分别为11.5和3.0。

(b)设置若干实验组：GCF-CL测试液中Cr(III)的浓度设置为几个不同值(0μg/mL、0.01μg/mL、0.025μg/mL、0.04μg/mL、0.05μg/mL、0.1μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、5μg/mL、10μg/mL、50μg/mL、100μg/mL)。

(c)取测试液和底液体积分别为30μL和35μL，布芯片GCF-CL检测过程同实施例2，检测结果见图15。

从结果可以看出：GCF-CL相对光强度随着Cr(III)浓度升高而增大。在Cr(III)浓度从0.05μg/mL变化到100μg/mL时，GCF-CL相对光强度与Cr(III)浓度的对数呈一定线性关系。然而，在Cr(III)浓度较低(0.01-0.05μg/mL)时，GCF-CL相对光强度直接与Cr(III)浓度呈一定线性关系。

根据图15所示的低浓度下Cr(III)的校正曲线(Y＝53.019X-0.280)，以及未加Cr(III)时的空白值加上其标准偏差三倍作为GCF-CL相对光强度，算出本发明方法对离子水中Cr(III)的检测极限为0.0062μg/mL。

结合图5布芯片重力/毛细流动性能测试结果可知：当使用图2和图3所示的布芯片以及芯片流体通道倾斜角度为45°时，GCF-CL底液从加样区流到检测区约4-5秒，整个化学发光反应过程持续约5-6s，因此完成Cr(III)成像检测所需时间(包括测试液和底液添加时所用时间)小于20s，具有较高的分析速度。

从图15可以看出，本发明方法可以实现较宽范围的Cr(III)定量检测，且具有良好的线性。

实施例5

外源重金属离子对布芯片GCF-CL检测Cr(III)的干扰性评价

(a)采用实施例3优选的测试液中KBr浓度为0.75M、EDTA浓度为1mM或10mM；底液中Luminol浓度为3mM、H₂O₂浓度为0.1M。另外，底液和测试液pH值分别为11.5和3.0。

(b)设置3组实验来评价外源重金属离子(即干扰离子)对布芯片GCF-CL检测Cr(III)的干扰性。第1组实验：测试液中EDTA浓度为1mM，外源重金属离子(Fe(III)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)、Ni(II)或Ca(II))浓度0倍、1倍或5倍于50μg/mLCr(III)浓度；第2组实验：测试液中EDTA浓度为10mM，外源重金属离子(Fe(III)、Cu(II)、Pb(II)、Cd(II)、Ni(II)或Ca(II))浓度0倍、10倍或50倍于50μg/mLCr(III)浓度；第3组实验：测试液中EDTA浓度为10mM，外源Ca(II)干扰离子浓度0倍、100倍、500倍或1000倍于1或5μg/mLCr(III)浓度。

(c)取测试液和底液体积分别为30μL和35μL，布芯片GCF-CL检测过程同实施例2。第1、第2和第3实验组的测试结果分别如图16、图17和图18所示。

在无干扰离子(即0倍于Cr(III)浓度)的情况下，Cr(III)测试的标准偏差设为s。如果测试液中干扰离子对GCF-CL相对光强度的影响小于±3s时，本发明方法则认为外源重金属离子对GCF-CL检测无干扰。鉴于此，图16表明在EDTA浓度为1mM时，浓度1倍于50μg/mLCr(III)的各种外源重金属离子都对GCF-CL检测无干扰，然而浓度5倍于50μg/mLCr(III)的表现出对GCF-CL检测都有明显干扰。

图17表明当EDTA浓度提高为10mM时，浓度10倍于50μg/mLCr(III)的各种外源重金属离子对GCF-CL检测无干扰，然而浓度50倍于50μg/mLCr(III)的对GCF-CL检测有明显干扰。

图18表明当测试液中Cr(III)浓度减少到5μg/mL时，10mMEDTA能使得浓度100倍于5μg/mLCr(III)的外源Ca(II)离子对GCF-CL检测无干扰；进一步减少测试液中Cr(III)浓度为1μg/mL时，10mMEDTA能使得浓度500倍于1μg/mLCr(III)的外源Ca(II)离子对GCF-CL检测无干扰。

这些结果表明本发明的方法可以对具有不同外源重金属离子干扰程度的Cr(III)实现高选择性检测。

实施例6

布芯片GCF-CL检测不同水样中的Cr(III)

(a)采用实施例3优选的测试液中KBr浓度为0.75M、EDTA浓度为5mM；底液中Luminol浓度为3mM、H₂O₂浓度为0.1M。另外，底液和测试液pH值分别调为11.5和3.0。

(b)设置2组实验来验证布芯片GCF-CL检测不同水样中Cr(III)：第1组实验：采用去离子水、纯净水、自来水和湖水制备测试液，其中添加Cr(III)浓度为0.5μg/mL；第2组实验：采用去离子水、纯净水、自来水和湖水制备测试液，其中添加Cr(III)浓度为5μg/mL。

(c)取测试液和底液体积分别为30μL和35μL，布芯片GCF-CL检测过程同实施例2，检测结果见图19。

从结果可以看出：相比于去离子水制备的Cr(III)测试液(对照实验)，纯净水、自来水和湖水制备的Cr(III)测试液表现出与对照实验几乎相同的相对发光强度，因此本发明的方法可以检测不同水样中的Cr(III)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片，其特征在于：该布芯片分为疏水区和亲水区，亲水区又分为加样区、检测区和流体通道区三个部分；在使用时，该布芯片要紧贴放置在一个支架上，该支架的倾斜面与水平面形成一个夹角，放置后加样区和流体通道区应在支架倾斜面上，检测区在支架的水平部分上，同时在布芯片检测区下方垫上一个疏水薄片。

2.根据权利要求1所述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片，其特征在于：所述支架的倾斜面和水平部分上与布芯片亲水区域对应的位置是被掏空的。

3.根据权利要求1所述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片，其特征在于：设支架倾斜面与水平面形成的夹角为θ，须满足0°＜θ＜90°。

4.权利要求1-3任一项所述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)使用绘图软件设计出亲水区的图案，然后制成网板；

(b)将网板紧贴在布片上，并在网板上涂蜡，然后用平滑器具研磨网板；将布片和网板一同放在加热板上加热数秒，蜡渗透在布片中形成疏水区，布片的其他区域即为亲水区；然后，将布片与网板从加热板上取下，剥离布片，得到布芯片；

(c)按布芯片上检测区与流体通道区的分界处折叠，然后紧贴固定在支架上，加样区和流体通道区在支架倾斜面上，检测区在支架的水平部分上，同时在检测区下方垫上一个疏水薄片，得到重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片。

5.权利要求1-3任一项所述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片在重金属离子检测中的应用。

6.根据权利要求5所述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片在重金属离子检测中的应用，其特征在于：所述的重金属离子是指Cu(II)、Hg(II)、Pb(II)、Cr(III)、Ni(II)、Co(II)和Fe(II)。

7.根据权利要求5所述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片在重金属离子检测中的应用，其特征在于包括以下步骤：

(a)将固定着布芯片的支架放进暗箱中，布芯片检测区正对准CCD相机的宏观镜头，调节CCD相关参数和焦距，使成像最清晰；

(b)将含有重金属离子的测试液滴加到检测区中心位置，紧接着将过量的化学发光底液滴加到加样区以用来触发化学发光；

(c)采用CCD相机视频成像化学发光过程，并通过VGIF、MatlabR2012a开发的图像自动处理程序、AdobePhotoshopCS4，以及Origin7.0对成像数据进行分析。

8.根据权利要求7所述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片在重金属离子检测中的应用，其特征在于：

所述的含有重金属离子的测试液的配制方法，是将重金属离子的标准溶液储备液用去离子水稀释到所需浓度，然后与等体积的、含有掩蔽剂和增敏剂溶液均匀混合，再调节其pH值1.5-4.5，以制得测试液；

所述的掩蔽剂为乙二胺四乙酸或柠檬酸铵；

所述的增敏剂为溴化钾或邻啡啰啉。

9.根据权利要求7所述的重力/毛细力耦合驱动流体的布芯片在重金属离子检测中的应用，其特征在于：

所述的化学发光底液的配制方法，是用TE缓冲液配制0.5-10mM的发光剂溶液和0.01-0.6M的氧化剂溶液，然后将发光剂溶液和氧化剂溶液等体积均匀混合，调节其pH值为10.0-13.0，制得底液；

所述的发光剂是指鲁米诺或光泽精；

所述的氧化剂是指H₂O₂或高锰酸钾。