CN105527397B - 基于智能凝胶的Pb2+微流控检测芯片及水样中Pb2+的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，包括基板、凝胶片、检测毛细管、支撑毛细管、进样头、出样头和支撑杆，所述凝胶片的材料为聚N‑异丙基丙烯酰胺‑共聚‑苯并‑18‑冠6，凝胶片垂直于检测毛细管的轴线设置在检测毛细管中，该凝胶片能选择性地络合Pb²⁺并发生体积溶胀；所述检测毛细管固定在基板上，进样头、出样头分别固定在检测毛细管两端的基板上并与检测毛细管连通，支撑毛细管位于出样头一侧且与检测毛细管同轴线固定在基板上，支撑杆穿过支撑毛细管的内孔插入检测毛细管中，它的一端与凝胶片接触，另一端固定在基板上。本发明还提供了水样中Pb²⁺的检测方法，该方法能降低水样中Pb²⁺的检测成本。

Description

基于智能凝胶的Pb2+微流控检测芯片及水样中Pb2+的检测方法

技术领域

本发明属于基于Pb²⁺的微流控检测领域，特别涉及基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片及水样中Pb²⁺的检测方法。

背景技术

许多生物、化学离子或分子，即使它们的浓度很低，对人体、环境也有着非常重要的影响和作用。例如，微量的铅离子会对人体的神经系统、造血系统产生巨大的危害，对儿童的智力及生长发育会造成不可逆的严重危害。GB25466—2010中规定，饮用水中铅离子的含量不得高于4.83×10^-8mol/L，工业废水中铅离子的浓度不得高于2.42×10^-6mol/L，因此，准确地检测出饮用水、工业废水等水样中超低浓度的铅离子，对于人体健康和环境保护都具有非常重要的意义。

由于微流控技术具有微型化、集成化、高效、快速、极微的试剂消耗量等优点，可用于生化分析、疾病检测等领域，近年来受到人们越来越多的关注。Liu,K.等将聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6凝胶固定在微米尺度的硅基底微悬臂梁上形成凝胶层，当所述凝胶响应铅离子后会发生体积溶胀，由于微悬臂梁的凝胶层与硅基底的弯曲形变强度不同，凝胶的溶胀会导致硅基底局部应力不均，从而引起微悬臂梁的弯曲。利用激光束照射微悬臂梁，当微悬臂梁发生弯曲时引起致激光光路的偏转，检测激光光路偏转的大小可定量反映铅离子浓度。该方法须借助原子力显微镜才能实现铅离子的检测，可检测浓度为10^{- 7}mol/L的铅离子(Liu,K.&Ji,H.F.Detection of Pb²⁺Using a Hydrogel SwellingMicrocantilever Sensor.Anal.Sci.20,9-11(2004).)。该方法以价格非常昂贵的原子力显微镜作为检测设备，检测成本十分高昂，且原子力显微镜需要专业技术人员进行操作，因而难以推广应用。该方法在每次测定前都必须将采集的样品注入检测池中，并且在整个检测过程中都必须保持液面稳定，不能连续进样，因而难以实现对水样中铅离子的实时在线检测和监控。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片以及水样中Pb²⁺的检测方法，以降低对水样中Pb²⁺的检测成本，降低Pb²⁺的检测限，实现对水样中Pb²⁺的在线检测。

本发明提供的基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，包括基板、凝胶片、检测毛细管、支撑毛细管、进样头、出样头和支撑杆，

所述检测毛细管为玻璃圆管，所述凝胶片的材料为聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6，凝胶片垂直于检测毛细管的轴线设置在检测毛细管中，当温度低于聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6的体积相转变温度时，凝胶片将检测毛细管的内孔分隔为两个区间；当温度高于聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6微凝胶的体积相转变温度时，凝胶片收缩，在检测毛细管中形成过流通道，此时当含Pb²⁺的水样流经检测毛细管的内孔时，凝胶片会选择性地络合Pb²⁺并发生体积溶胀，造成检测毛细管的过流通道减小；所述支撑毛细管为圆管且内径小于检测毛细管的内径，所述支撑杆为圆杆，支撑杆的外径与支撑毛细管的内径匹配；

所述检测毛细管固定在基板上，所述进样头、出样头分别固定在检测毛细管两端的基板上并与检测毛细管连通，所述支撑毛细管位于出样头一侧且与检测毛细管同轴线固定在基板上，所述支撑杆穿过支撑毛细管的内孔插入检测毛细管中，它的一端与凝胶片接触，另一端固定在基板上。

上述检测芯片中，所述凝胶片的厚度为50～200μm。

上述检测芯片中，所述检测毛细管的内径为100～500μm。

上述检测芯片中，所述支撑毛细管的内径为检测毛细管内径的0.5～0.7倍。

上述检测芯片中，检测毛细管中凝胶片的设置方法为：

①以N-异丙基丙烯酰胺、苯并-18-冠6为单体，以偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂，以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将所述单体、引发剂、交联剂和去离子水混合均匀形成凝胶前驱液，凝胶前驱液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为0.5～1.5mol/L，苯并-18-冠-6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为(1～5):20，引发剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:(10～100)，交联剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:(20～100)；

②将凝胶前驱液注入检测毛细管中，然后用带透光缝的遮光板覆盖检测毛细管，所述透光缝与检测毛细管的轴线垂直，在5～25℃用紫外光穿过透光缝照射检测毛细管并旋转检测毛细管，引发透光缝处的检测毛细管中的凝胶前驱液发生交联反应，在检测毛细管中形成凝胶片，再用去离子水洗去检测毛细管中的凝胶前驱液，即完成检测毛细管中凝胶片的设置。

在检测毛细管中设置凝胶片时，控制检测毛细管旋转的转速为30～200r/min，步骤②中优选的方法为：将装有凝胶前驱液的检测毛细管的一端与电机的动力输出轴相连、另一端放入限位管中，开启电机使检测毛细管旋转。

在检测毛细管中设置凝胶片时，所述遮光板由能避免紫外线穿过的材料制作，遮光板优选为黑色胶片。

本发明还提供了一种水样中Pb²⁺的检测方法，该方法使用恒压输送装置、流量测量装置、 热台以及上述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，将所述检测芯片置于热台上，并将检测芯片的进样头和出样头分别通过管件与恒压输送装置和流量测量装置连接，步骤如下：

①以去离子水为空白试样，使用恒压输送装置将空白试样以恒定的压力输入检测芯片中，空白试样经检测芯片和流量测量装置后排出，待检测芯片的出液流量稳定后，从流量测量装置中读取空白试样的流量值；

②将步骤①中的空白试样替换为一系列Pb²⁺浓度已知的标样，重复步骤①的操作，得到一系列标样的流量值，计算输入各标样时相对于输入空白试样时的流量变化量，以标样中Pb²⁺浓度为纵坐标、以流量变化量为横坐标绘制工作曲线，确定Pb²⁺浓度与流量变化量的换算关系式；

③将步骤①中的空白试样替换为待测试样，重复步骤①的操作，得到待测试样的流量值，计算输入待测试样时相对于输入空白试样时的流量变化量，根据步骤②确定的Pb²⁺浓度与流量变化量的换算关系式计算待测样品中Pb²⁺浓度；

步骤②、③中，完成对每一个标样或待测试样的流量测量后，向检测芯片中输入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至55～60℃并保温3～5min，然后降至20～25℃并保温3～5min，重复前述升温和降温的操作直到去除凝胶片中的金属离子后再输入下一标样或试样进行流量测量；

步骤①～③中，在输入空白试样、标样以及待测试样进行流量测量的过程中，控制热台的温度为33～35℃并保持温度恒定。

上述方法中，向检测芯片中输入空白试样、标样或待测试样时，控制输入压力为20～50kPa。

本发明所述方法检测水样中Pb²⁺的原理如下：

本发明所述检测芯片中，凝胶片垂直于检测毛细管的轴线设置在检测毛细管中，当温度低于聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6的体积相转变温度时，凝胶片将检测毛细管的内孔分隔为两个区间；当温度高于聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6微凝胶的体积相转变温度时，凝胶片收缩，此时凝胶片的直径d₀＜检测毛细管的内径D、凝胶的厚度为l₀，在检测毛细管中形成过流通道(如图5a、c所示)，此时当含Pb²⁺的水样流经检测毛细管的内孔时，聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6的18-冠-6基团会选择性地络合铅离子并形成带电的络合物，带电络合物基团之间的静电排斥作用会导致高分子链的伸展，进而引起凝胶片发生体积溶胀，同时，聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6的18-冠-6基团络合铅离子后会导致凝胶片的渗透压增大，引起凝胶片发生吸水溶胀，凝胶片溶胀后，其直径d₁＞d₀、厚度l₁ ＞l₀，使得检测毛细管的过流通道减小(如图5b、d所示)，进而引起检测芯片的出流流量减小。根据哈根-泊肃叶方程，本发明的检测芯片能将凝胶片响应Pb²⁺之后发生的微小体积变化放大四次方转换为流量信号，从而实现信号的检测。由于凝胶片体积溶胀的程度与Pb²⁺的浓度相关，而检测芯片的出流流量又与凝胶片的溶胀程度相关，因此本发明所述方法通过测定检测芯片出流流量的变化量即可实现对水样中Pb²⁺的定量测定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，该检测芯片中的凝胶片能特异性地识别Pb²⁺并发生体积溶胀，由于凝胶片垂直于检测毛细管的轴线设置在检测毛细管中，因而当凝胶片识别Pb²⁺之后，凝胶片的体积溶胀会造成检测毛细管的过流通道减小，引起检测芯片的出流流量减小，因此，将本发明的检测芯片与流量测量设备配合，即可实现对水样中铅离子的检测。

2.本发明提供了一种检测水样中Pb²⁺的新方法，该方法的检出限低至10^-10mol/L，能实现10^-10～10^-4mol/L浓度级别的铅离子的检测，检出限低、检测范围宽。

3.本发明所述方法将本发明的检测芯片与恒压输送装置、流量测量装置和热台配合使用实现了对水样中铅离子的检测，这些装置均为常见设备，价格低廉，与现有技术相比，无需使用原子力显微镜这类昂贵的设备，也无需专业技术人员操作仪器，本发明所述方法具有分析成本低廉、操作简单、适用范围广泛和易于推广应用的优势。

4.本发明所述方法可将检测芯片的进样头通过恒压进样设备与自来水管道、工业用水或者废水管道等直接相连，实现对水样中铅离子浓度的实时在线检测和监控。

附图说明

图1是本发明所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片的结构示意图；

图2是在检测毛细管中设置凝胶片的示意图；

图3是检测毛细管中凝胶片的形成过程的显微镜图片；

图4是检测芯片的制作过程示意图；

图5是本发明所述检测芯片检测Pb²⁺的原理示意图；

图6是将检测芯片与恒压输送装置、流量测量装置和热台组合使用检测Pb²⁺的示意图；

图7是实施例4绘制的工作曲线；

图8是本发明所述方法检测各种离子时的流量变化情况；

图9是本发明所述方法检测Na⁺、K⁺、Sr²⁺、Pb²⁺时的灵敏度曲线；

图中，1—基板、2—凝胶片、3—检测毛细管、4—支撑毛细管、5—进样头、6—出样头、 7—支撑杆、8—流量测量装置、8-1—流量传感器、8-2—信号转换器、8-3—计算机处理系统、9—热台、10—基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片、11—恒压输送装置、11-1—蠕动泵、11-2—缓冲罐、12—夹板、13—粘结剂、14—电机、15—限位管、16—黑色胶片、17—凝胶前驱液，D—检测毛细管的内径、d₀—凝胶片收缩后的直径、d₁—凝胶片溶胀后的直径、l₀—凝胶片收缩后的厚度、l₁—凝胶片溶胀后的厚度。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片及其制作方法，水样中Pb²⁺的检测方法作进一步说明。

实施例1

本实施例中，提供基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，其结构如图1所示，包括基板1、凝胶片2、检测毛细管3、支撑毛细管4、进样头5、出样头6和支撑杆7。

所述检测毛细管3为玻璃圆管，其内径为250μm、外径为960μm，所述凝胶片2的材料为聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6，凝胶片垂直于检测毛细管的轴线设置在检测毛细管3中，凝胶片的厚度为130μm，当温度低于聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6的体积相转变温度时，凝胶片2将检测毛细管的内孔分隔为两个区间；当温度高于聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6微凝胶的体积相转变温度时，凝胶片2收缩，在检测毛细管中形成过流通道，此时当含Pb²⁺的水样流经检测毛细管的内孔时，凝胶片2会选择性地络合Pb^{2 +}并发生体积溶胀，造成检测毛细管3的过流通道减小；所述支撑毛细管4为玻璃圆管，其内径为170μm、外径为960μm；所述支撑杆7是直径为165μm的不锈钢圆杆；所述进样头5和出样头6为注射针头。

所述检测毛细管3通过粘结剂13固定在基板1上，所述进样头5、出样头6分别通过粘结剂13固定在检测毛细管3两端的基板1上并与检测毛细管连通，所述支撑毛细管4位于靠近出样头6处且通过粘结剂与检测毛细管3同轴线固定在基板上，所述支撑杆7穿过支撑毛细管的内孔插入检测毛细管中，它的一端与凝胶片接触，另一端通过粘结剂固定在基板上，支撑毛细管远离出样头的一端端部通过粘结剂密封。

上述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片的制备方法如下：

①以N-异丙基丙烯酰胺、苯并-18-冠6为单体，以偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂，以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将所述单体、引发剂、交联剂和去离子水加入容器中，混合均匀形成凝胶前驱液，凝胶前驱液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为1.0mol/L，苯并-18-冠-6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为3:20，引发剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:50，交 联剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:50；

②在黑色胶片上设置一缝隙宽度为130μm的矩形透光缝，将凝胶前驱溶液注入检测毛细管3中，然后将检测毛细管3的一端与电机14的动力输出轴相连、另一端放入内径为1000μm的限位管15中，所述电机14为减速电机，将上述带透光缝的黑色胶片16置于检测毛细管3上方，使透光缝与检测毛细管的轴线垂直，启动电机带动检测毛细管以100r/min的转速绕检测毛细管的轴线旋转，同时在25℃用紫外光从黑色胶片的上方穿过透光缝照射检测毛细管，引发透光缝处的检测毛细管中的凝胶前驱液发生交联反应即在检测毛细管中形成厚度为130μm的凝胶片，用去离子水洗去检测毛细管中未反应的凝胶前驱液17，在洗涤时，用支撑杆7抵住凝胶块以防止洗涤时造成凝胶块脱落，见图2、图3。

③将步骤②制备的带凝胶片2的检测毛细管3用粘结剂13粘结在基板1上，在检测毛细管的外壁上夹上两块与检测毛细管平行的夹板12，所述夹板延伸至检测毛细管的端部之外，将支撑毛细管放入两块夹板之间，在检测毛细管与支撑毛细管之间留一用于粘结出样头的位置，用粘结剂将支撑毛细管固定在基板上，将支撑杆穿过支撑毛细管的内孔插入检测毛细管中，使它的一端与凝胶片接触，另一端用粘结剂固定在基板上，同时用粘结剂将支撑毛细管远离出样头的一端端部密封，取掉夹板12，由于检测毛细管与支撑毛细管的外径相同，因而上述操作能保证支撑毛细管和检测毛细管同轴线固定在基板上，见图4，最后将进样头和出样头分别粘结固定在检测毛细管两端的基板上。

实施例2

本实施例中，基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片的结构、制备方法基本相同，不同之处为：检测毛细管的内径为500μm，支撑毛细管的内径为350μm，凝胶片的厚度为200μm，所述凝胶前驱溶液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为0.5mol/L，苯并-18-冠-6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:20，引发剂偶氮二异丁基脒二盐酸盐与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:100，交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:100。

实施例3

本实施例中，基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片的结构、制备方法基本相同，不同之处为：检测毛细管的内径为100μm，支撑毛细管的内径为50μm，凝胶片的厚度为50μm，所述凝胶前驱溶液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为1.5mol/L，苯并-18-冠-6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为5:20，引发剂偶氮二异丁基脒二盐酸盐与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:10，交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:20。

实施例4

本实施例中，配制Pb²⁺浓度为1×10^-8mol/L作为待测试样，采用本发明所述方法测定该待测试样中的Pb²⁺浓度，该方法使用恒压输送装置11、流量测量装置8、热台9、实施例1这的基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片10，所述流量测量装置包括电子式的流量传感器8-1、信号转换器8-2和计算机处理系统8-3，所述恒压输送装置11包括蠕动泵11-1、缓冲罐11-2，

如图6所示，将蠕动泵11-1的出口通过管件与缓冲罐11-2的进液管连通，将缓冲罐的出液管通过管件与检测芯片10的进样头5连通，缓冲罐上还设有进气管，将检测芯片的出样头6通过管件与流量传感器8-1的入口连通，将流量传感器8-1的信号线缆与信号转换器8-2连接，将信号转换器与计算机处理系统8-3连接，使用时，流量传感器将其检测到的信号传输给信号转换器、信号转换器将转换后的信号传输给计算机处理系统，从计算机处理系统中可读取流量值，将检测芯片10置于热台9上，步骤如下：

①以去离子水为空白试样，通过蠕动泵将去离子水泵入缓冲罐中，使缓冲罐的出液管位于液面以下，缓冲罐的进气管位于液面以上，从缓冲罐的进气管以50kPa的恒定压力输入空气，将缓冲罐的去离子水输入检测芯片中，去离子水经检测芯片和流量传感器后排出，15min后，检测芯片的出液流量稳定，从计算机处理系统中读取空白试样的流量值，记作J₀；该步骤中，控制热台的温度保持在34℃；

②用去离子水配制Pb²⁺浓度分别为1×10^-10mol/L、1×10^-9mol/L、1×10^-8mol/L、1×10^-7mol/L、1×10^-6mol/L、1×10^-5mol/L、1×10^-4mol/L的标样，分别记作1#～7#标样。

依次用1#～7#标样替换步骤①中的空白试样，重复步骤①的操作，将测得的标样的流量值依次记作J₁，J₂，J₃，J₄，J₅，J₆，J₇，计算输入各标样时相对于输入空白试样时的流量变化量ΔJ_i＝J₀-J_i，i＝1,2…,6,7，以标样中Pb²⁺浓度为纵坐标、以流量变化量为横坐标绘制工作曲线，如图7所示，得到Pb²⁺浓度与流量变化量的换算关系式为C＝3×10^-14(ΔJ)⁴ _. ³，式中，C为Pb²⁺浓度、单位为mol/L，ΔJ为流量变化量、单位为μL/min；该步骤在对1#～7#标样进行流量测量时，控制热台的温度保持在34℃；

该步骤中，完成对每一个标样的流量测量后，向检测芯片中通入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至55℃并保温3min，然后降至25℃并保温3min，重复前述升温和降温的操作，直到按照步骤①的操作向检测芯片中通入去离子水，测得的流量值与J₀相同，说明此时凝胶片中的铅离子已完全去除，再输入下一标样或试样进行流量测量；

③使用待测试样代替步骤①中的空白试样，重复步骤①的操作，测得待测试样的流量值，计算输入待测试样时相对于输入空白试样时的流量变化量，根据步骤②确定的Pb²⁺浓度与流 量变化量的换算关系式计算出待测样品中Pb²⁺浓度，结果为1×10^-8mol/L。

实施例5

本实施例中，考察本发明所述方法检测多种离子时的流量变化情况和对Na⁺、K⁺、Sr²⁺、Pb²⁺检测的灵敏度。

如图6所示，将蠕动泵11-1的出口通过管件与缓冲罐11-2的进液管连通，将缓冲罐的出液管通过管件与检测芯片10的进样头5连通，缓冲罐上还设有进气管，将检测芯片的出样头6通过管件与流量传感器8-1的入口连通，将流量传感器8-1的信号线缆与信号转换器8-2连接，将信号转换器与计算机处理系统8-3连接，使用时，流量传感器将其检测到的信号传输给信号转换器、信号转换器将转换后的信号传输给计算机处理系统，从计算机处理系统中可读取流量值，将检测芯片10置于热台9上，步骤如下：

①以去离子水为空白试样，通过蠕动泵将去离子水泵入缓冲罐中，使缓冲罐的出液管位于液面以下，缓冲罐的进气管位于液面以上，从缓冲罐的进气管以50kPa的恒定压力输入空气，将缓冲罐的去离子水输入检测芯片中，去离子水经检测芯片和流量传感器后排出，15min后，检测芯片的出液流量稳定，从计算机处理系统中读取空白试样的流量值，记作J₀；该步骤中，控制热台的温度保持在34℃；

②分别配制浓度为1×10^-6mol/L的Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Cr³⁺、Co²⁺、Ni^{2 +}、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺溶液，记作1#～14#试样；

依次用1#～14#试样替换步骤①中的去离子水，重复步骤①的操作，测定输入各试样时的流量值，在对1#～14#试样进行流量测量时，控制热台的温度保持在34℃。该步骤中，完成对每一个试样的流量测量后，向检测芯片中通入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至50℃并保温5min，然后降至20℃并保温5min，重复前述升温和降温的操作，直到按照步骤①的操作向检测芯片中通入去离子水，测得的流量值与J₀相同，说明此时凝胶片中的金属离子已完全去除，再输入下一试样进行流量测量；

计算输入1#～14#试样时相对于输入空白试样时的流量变化量，结果如图8所示。由图8可知，除K⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Pb²⁺外，其他离子在该浓度下的流量变化量几乎为0，不会干扰Pb²⁺的测定，而K⁺、Sr²⁺、Ba²⁺的流量变化量与Pb²⁺的流量变化量相差数十倍，也不会干扰Pb²⁺的测定。

③分别配制浓度为1×10^-10mol/L、1×10^-9mol/L、1×10^-8mol/L、1×10^-7mol/L、1×10^-6mol/L、1×10^-5mol/L、1×10^-4mol/L、1×10^-3mol/L的Na⁺、K⁺、Sr²⁺、Pb²⁺水溶液，共32个样品，记作15#～46#试样；

依次用15#～46#试样替换步骤①中的去离子水，重复步骤①的操作，测定输入各试样时的流量值，在对15#～46#试样进行流量测量时，控制热台的温度保持在34℃。该步骤中，完成每一个试样的流量测量后，向检测芯片中通入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至50℃并保温5min，然后降至20℃并保温5min，重复前述升温和降温的操作，直到按照步骤①的操作向检测芯片中通入去离子水，测得的流量值与J₀相同，说明此时凝胶片中的金属离子已完全去除，再输入下一试样进行流量测量。

结果发现1×10^-10～1×10^-3mol/L以试样中离子浓度为横坐标、以流量值为纵坐标绘制流量随离子浓度变化曲线，结果如图9所示。由图9可知，本发明所述方法能够对浓度为1×10^-10～1×10^-4mol/L的Pb²⁺进行检测，Na⁺不会对Pb²⁺的测定造成干扰，K⁺、Sr²⁺的浓度不超过1×10^-4mol/L时，不会对Pb²⁺的测定造成干扰，Ba²⁺的浓度不超过1×10^-5mol/L时，基本不会对Pb²⁺的测定造成干扰。

Claims (9)

1.一种基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，其特征在于包括基板(1)、凝胶片(2)、检测毛细管(3)、支撑毛细管(4)、进样头(5)、出样头(6)和支撑杆(7)，

所述检测毛细管(3)为玻璃圆管，所述凝胶片(2)的材料为聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6，凝胶片垂直于检测毛细管的轴线设置在检测毛细管(3)中，当温度低于聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6的体积相转变温度时，凝胶片(2)将检测毛细管的内孔分隔为两个区间；当温度高于聚N-异丙基丙烯酰胺-共聚-苯并-18-冠6微凝胶的体积相转变温度时，凝胶片(2)收缩，在检测毛细管中形成过流通道，此时当含Pb²⁺的水样流经检测毛细管的内孔时，凝胶片(2)会选择性地络合Pb²⁺并发生体积溶胀，造成检测毛细管(3)的过流通道减小；所述支撑毛细管(4)为圆管且内径小于检测毛细管(3)的内径，所述支撑杆(7)为圆杆，支撑杆的外径与支撑毛细管的内径匹配；

所述检测毛细管(3)固定在基板(1)上，所述进样头(5)、出样头(6)分别固定在检测毛细管(3)两端的基板(1)上并与检测毛细管连通，所述支撑毛细管(4)位于出样头(6)一侧且与检测毛细管(3)同轴线固定在基板上，所述支撑杆(7)穿过支撑毛细管的内孔插入检测毛细管中，它的一端与凝胶片接触，另一端固定在基板上；

检测毛细管中凝胶片的设置方法为：

①以N-异丙基丙烯酰胺、苯并-18-冠6为单体，以偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂，以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将所述单体、引发剂、交联剂和去离子水混合均匀形成凝胶前驱液，凝胶前驱液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为0.5～1.5mol/L，苯并-18-冠-6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为(1～5):20，引发剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:(10～100)，交联剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:(20～100)；

②将凝胶前驱液注入检测毛细管中，然后用带透光缝的遮光板覆盖检测毛细管，所述透光缝与检测毛细管的轴线垂直，在5～25℃用紫外光穿过透光缝照射检测毛细管并旋转检测毛细管，引发透光缝处的检测毛细管中的凝胶前驱液发生交联反应，在检测毛细管中形成凝胶片，再用去离子水洗去检测毛细管中的凝胶前驱液，即完成检测毛细管中凝胶片的设置。

2.根据权利要求1所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，其特征在于所述凝胶片(2)的厚度为50～200μm。

3.根据权利要求1或2所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，其特征在于所述检测毛细管的内径为100～500μm。

4.根据权利要求1或2所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，其特征在于所述支撑毛细管的内径为检测毛细管内径的0.5～0.7倍。

5.根据权利要求1所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，其特征在于控制检测毛细管旋转的转速为30～200r/min。

6.根据权利要求5所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，其特征在于步骤②中，将装有凝胶前驱液的检测毛细管的一端与电机的动力输出轴相连、另一端放入限位管中，开启电机使检测毛细管旋转。

7.根据权利要求1所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片，其特征在于所述遮光板由能避免紫外线穿过的材料制作。

8.一种水样中Pb²⁺的检测方法，其特征在于该方法使用恒压输送装置(11)、流量测量装置(8)、热台(9)以及权利要求1至7中任一权利要求所述基于智能凝胶的Pb²⁺微流控检测芯片(10)，将所述检测芯片(10)置于热台上，并将检测芯片的进样头(5)和出样头(6)分别通过管件与恒压输送装置(11)和流量测量装置(8)连接，步骤如下：

①以去离子水为空白试样，使用恒压输送装置将空白试样以恒定的压力输入检测芯片中，空白试样经检测芯片和流量测量装置后排出，待检测芯片的出液流量稳定后，从流量测量装置中读取空白试样的流量值；

②将步骤①中的空白试样替换为一系列Pb²⁺浓度已知的标样，重复步骤①的操作，得到一系列标样的流量值，计算输入各标样时相对于输入空白试样时的流量变化量，以标样中Pb²⁺浓度为纵坐标、以流量变化量为横坐标绘制工作曲线，确定Pb²⁺浓度与流量变化量的换算关系式；

③将步骤①中的空白试样替换为待测试样，重复步骤①的操作，得到待测试样的流量值，计算输入待测试样时相对于输入空白试样时的流量变化量，根据步骤②确定的Pb²⁺浓度与流量变化量的换算关系式计算待测样品中Pb²⁺浓度；

步骤②、③中，完成对每一个标样或待测试样的流量测量后，向检测芯片中输入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至55～60℃并保温3～5min，然后降至20～25℃并保温3～5min，重复前述升温和降温的操作直到去除凝胶片中的金属离子后再输入下一标样或试样进行流量测量；

步骤①～③中，在输入空白试样、标样以及待测试样进行流量测量的过程中，控制热台的温度为33～35℃并保持温度恒定。

9.根据权利要求8所述水样中Pb²⁺的检测方法，其特征在于向检测芯片中输入空白试样、标样或待测试样时，控制输入压力为20～50kPa。