CN105548589A - 微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造涉及微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统及检测方法。由微流控芯片、液液萃取系统和液液波导检测系统组成。所述的液液萃取-液液波导系统是：萃取通道的入口端分别与注入离子液体、含有试样的无机盐溶液和无机盐溶液的入口Ⅰ-Ⅴ连通，萃取通道的螺旋部出口端与直线型检测通道的入口端连通，检测通道的两端分别设有入射/接收光纤，入射端/接收端准直透镜。本发明创造，选择离子液体作为液芯，无机盐溶液作为包层，萃取后的多相层流直接流入检测通道，利用液液界面上产生的全反射现象，构建液液波导吸光度检测系统，采用吸光度检测方法，测定液芯中试样的吸光度，既提高了萃取物质的富集倍数，又增加了有效光程，同时也避免了样品污染。

Description

微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统及检测方法

技术领域

本发明创造属于化学检测领域，具体地涉及一种采用微流控技术，将液液萃取和液液波导检测集成化的检测系统和检测方法。

背景技术

微流控技术由于具有样品用量少的优点，越来越在检测分析领域得到广泛的应用。目前建立的微流控芯片液液萃取方法具有萃取试剂和样品消耗量仅为微升、皮升甚至纳升级，萃取时间仅为几分钟甚至数秒的优点，而得到广泛的应用。但其存在的问题是：建立的微流控芯片液液萃取方法通常是将萃取物从微通道中分离出来再进行下一步骤的检测，也就是分析检测在芯片外进行，需要将萃取物引入到常规仪器中进行检测，这样仍需消耗较多样品，而且试样在转移过程中，容易污染，极大地降低了微流控技术的优点，突显不出微萃取的优势。

液芯波导检测，能够有效增加吸收光程，在微流控分析系统中有良好的应用前景。然而，由于常见非水溶剂的折射率大于待测物水溶液的折射率，使得难以形成以待测物水溶液为液芯的液液光波导系统，同时由于难以形成清晰而稳定的两相界面、折射率差较小、轴向检测时背景光干扰严重等原因，基于液芯/液层光波导的光学检测方法没有得到广泛应用。

吸收光度检测是最常用的检测技术之一，也是最早用于微全分析系统的检测技术。但由于微流控芯片通道检测区的体积小、吸收光程短，故导致检测灵敏度低，严重制约了吸收光度检测技术在微流控分析中的应用。

发明内容

本发明创造的目的是提供一种将液液萃取和液液波导检测集成为一体，既提高了萃取物质的富集倍数，又增加了有效光程，从而提高吸光度检测方法的灵敏度，同时也避免了样品污染的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统。

本发明创造的另一目的是提供一种微流控液液萃取-液液波导集成化检测方法。

本发明创造采用的技术方案是：微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，由微流控芯片、液液萃取系统和液液波导检测系统组成。

所述的液液萃取系统是：萃取通道的入口端分别与注入离子液体的入口Ⅰ、注入含有试样的无机盐溶液的入口Ⅱ和入口Ⅲ、注入不含试样的无机盐溶液的入口Ⅳ和入口Ⅴ连通；入口Ⅰ、入口Ⅱ、入口Ⅲ、入口Ⅳ和入口Ⅴ分别连接一个注射器和注射泵，萃取通道置于微流控芯片内，入口Ⅰ、入口Ⅱ、入口Ⅲ、入口Ⅳ和入口Ⅴ的入口端设在微流控芯片表面。

所述的液液波导检测系统是：设在微流控芯片内的直线型检测通道的入口端与萃取通道的出口端连通，钨灯光源与入射光纤连接，入射光纤与入射端准直透镜连接并通过入射光纤耦合器固定，入射端准直透镜与检测通道的入口端相对应；检测通道的出口端设有两个出口，与检测通道的出口端相对应设有接收端准直透镜，接收端准直透镜与接收光纤连接并通过入射光纤耦合器固定，接收光纤与光纤光谱仪连接。

上述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，萃取通道由螺旋部和直线部构成，直线部上设有交汇点A和B，入口Ⅰ设在直线部的延长线上，入口Ⅱ和入口Ⅲ对称设置在直线部的两侧并分别从交汇点A处的两侧与交汇点A连通，入口Ⅳ和入口Ⅴ对称设置在直线部的两侧并分别从交汇点B处的两侧与交汇点B连通。

上述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，萃取通道的总长度为170-190mm；检测通道长度为12-14mm。

上述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，入口Ⅰ与交汇点A之间、入口Ⅱ和入口Ⅲ与交汇点A之间、入口Ⅳ和入口Ⅴ与交汇点B之间的通道宽度为190-210μm；交汇点A和交汇点B之间的通道宽度为580-620μm；萃取通道和检测通道的宽度为780-820μm；所有通道的深度均为80-120μm。

上述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，萃取通道的出口端折转90°后与直线型检测通道的入口端连接。

上述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，入射光纤发出的光与检测通道在一个水平面内，入射端准直透镜距离检测通道入口端5-9mm；接收端准直透镜对准检测通道的出口端，距离检测通道的出口端1-3mm。

上述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，入射光的入射角为13-15°。

一种微流控液液萃取-液液波导集成化检测方法，采用上述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，包括如下步骤：

1)将离子液体从入口Ⅰ的入口端注入，含有试样的无机盐溶液从入口Ⅱ和入口Ⅲ的入口端注入，不含试样的无机盐溶液从入口Ⅳ和入口Ⅴ的入口端注入。优选的，离子液体，含有试样的无机盐溶液和不含试样的无机盐溶液的流速分别为4μL/min、10μL/min和4μL/min。

2)离子液体、含有试样的无机盐溶液和不含试样的无机盐溶液，在萃取通道内形成无机盐溶液-离子液体溶液-无机盐溶液的三相层流，在层流行进过程中，试样从两侧的无机盐溶液相中被萃取到中间的离子液体相中。

3)在萃取通道的螺旋部内，萃取完成后，在萃取通道的出口端，三相层流转过90°角进入直线型检测通道。

4)在检测通道内，作为液芯的离子液体相构成样品吸收池，打开钨灯光源，入射光以13-15°的入射角照射液芯，采用吸光度检测方法进行检测。

上述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测方法，所述的离子液体是溴化1-丁基-3-甲基咪唑，所述的无机盐是Na₂CO₃。

本发明创造中，为了建立用于吸收光度检测的液芯/液层光波导系统，利用离子液体折射率高和萃取性能优异的特点，选取亲水性离子液体溴化1-丁基-3-甲基咪唑为萃取剂和液芯，Na₂CO₃溶液为包层溶液，在多相层流通道中实现了双水相萃取。将离子液体双水相体系用于建立微流控多相层流系统，在微通道内形成无机盐溶液/离子液体溶液/无机盐溶液的三相层流。选用折射率较大的亲水性离子液体为层流的液芯，溶有试样的无机盐溶液在液芯的两侧，在层流过程中，试样从两侧的水相中被萃取到中间的离子液体相中。芯片中螺旋形通道为萃取通道，萃取完成后，多相层流转过90°角进入相同宽度和深度的直线型检测通道，即多相层流通道的下游设计为检测通道，采用吸光度检测方法，以检测通道的液芯为样品吸收池。当入射光从检测通道的一端以一定角度照射时，由于内芯的折射率大于外层溶液的折射率，入射光在离子液体和无机盐溶液的液液界面上发生全内反射，沿液芯轴向传导，从而可以测定液芯中试样的吸光度。在该系统中，利用离子液体优异的萃取能力，将试样从两侧的水相溶液中萃取到离子液体液芯中，不仅可以对试样起到一定的富集作用，更重要的是能够构建液液光波导检测系统，不再受待测物水相溶液折射率小的限制。而且该多相层流体系具有异常稳定的层流界面，几乎不受流速和通道长度的影响，这得益于所选择的离子液体双水相体系。用于液芯波导时，由于两相界面为稳定的液面，具有光学平滑性，将减少因折射和散射而导致的光损失。

本发明创造的有益效果是：

1.本发明创造，首次利用液液萃取和液芯波导技术，将萃取和检测集成在一个芯片上，不仅简化了操作过程，避免了试样污染，而且减少了试样和试剂消耗。

2.本发明创造，设计了双包层萃取体系，即离子液体两侧以含有待测试样的无机盐溶液作为内包层，以不含待测试样的无机盐溶液作为外包层，完全解决了离子液体萃取剂易贴壁流动的现象。

3.液液萃取体系中萃取剂与待萃取物溶液之间往往存在不易形成稳定的层流，萃取率低，萃取速率低的问题。本发明创造，具有较高的萃取率，选取亲水性离子液体溴化1-丁基-3-甲基咪唑为萃取剂和液芯，Na₂CO₃溶液为包层溶液，在多相层流通道中实现了双水相萃取，离子液体和无机盐溶液的双水相体系，具有异常稳定的层流，延长通道长度仍能保持层流稳定。当外界条件不变时，层流可长时间保持稳定，萃取率及萃取速率高，可在较短通道内实现高效萃取。

4.液液萃取体系中，常见非水溶剂的折射率大于待测物水溶液的折射率，因此难以形成以待测物水溶液为液芯的液液光波导系统。本发明创造，离子液体折射率大于包层的无机盐溶液，将离子液体萃取剂设计为液芯，解决了无法将萃取体系直接进行液芯波导检测的问题。萃取体系具有异常稳定的相界面，相界面清晰，分相完全，形成的离子液体和无机盐溶液的双水相体系，在较宽的流速范围内可以维持层流稳定，界面清晰、光滑，延长通道长度仍能保持层流稳定；当外界条件不变时，层流可长时间保持稳定。

5.本发明创造，离子液体具有生物相容性，可以利用该体系萃取生物活性物质。

6.本发明创造，检测时，设计了入射光以一定的入射角照射检测通道的方法，入射光在检测通道内以液芯轴向进行全反射，增加了有效光程，大大提高了检测灵敏度，而且解决了液芯波导中背景光干扰问题。采用入射光倾斜照射的方法，去除了背景光的干扰，使整个体系有较高的灵敏度。经实践，当入射角为0°时，吸光度值仅为0.013，此时没有形成全反射，即检测方式相当于常规检测。而当入射角增大到14°时，全内反射次数增加，吸收光程明显增加，同时背景光的影响减少，与入射角为0°时相比，吸光度值增大52倍，显著提高了灵敏度。

附图说明

图1是本发明创造微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统的结构示意图。

图2是微流控芯片的通道示意图。

图3是检测通道全反射示意图；

图中，a：离子液体；b：Na₂CO₃。

图4是甲酚红的标准曲线图。

具体实施方式

实施例1微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统

如图1所示，微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，由微流控芯片9、液液萃取系统和液液波导检测系统组成。

所述的液液萃取系统是：萃取通道由螺旋部6-1和直线部6-2构成，直线部6-2上设有交汇点A和B，萃取通道直线部6-2的入口端分别与注入离子液体的入口Ⅰ1、注入含有试样的无机盐溶液的入口Ⅱ2和入口Ⅲ3、注入不含试样的无机盐溶液的入口Ⅳ4和入口Ⅴ5连通。入口Ⅰ1设在直线部6-2的延长线上，入口Ⅱ2和入口Ⅲ3对称设置在直线部6-2的两侧并分别从交汇点A处的两侧与交汇点A连通，入口Ⅳ4和入口Ⅴ5对称设置在直线部6-2的两侧并分别从交汇点B处的两侧与交汇点B连通。入口Ⅰ1、入口Ⅱ2、入口Ⅲ3、入口Ⅳ4和入口Ⅴ5分别连接一个注射器17和注射泵18，萃取通道置于微流控芯片9内，入口Ⅰ1、入口Ⅱ2、入口Ⅲ3、入口Ⅳ4和入口Ⅴ5的入口端设在微流控芯片9表面。

所述的液液波导检测系统是：设在微流控芯片9内的直线型检测通道7的入口端与萃取通道的出口端连通，钨灯光源14与入射光纤12-1连接，入射光纤12-1与入射端准直透镜11-1连接并通过入射光纤耦合器13-1固定，入射端准直透镜11-1与检测通道7的入口端相对应；检测通道7的出口端设有两个出口8-1和8-2，与检测通道7的出口端相对应设有接收端准直透镜11-2，接收端准直透镜11-2与接收光纤12-2连接并通过接收光纤耦合器13-2固定，接收光纤12-2与光纤光谱仪15连接，光纤光谱仪15与计算机16连接。

优选的，萃取通道的总长度为180mm；检测通道7长度为13mm。

优选的，入口Ⅰ1与交汇点A之间、入口Ⅱ2和入口Ⅲ3与交汇点A之间、入口Ⅳ4和入口Ⅴ5与交汇点B之间的通道宽度为200μm；交汇点A和交汇点B之间的通道宽度为600μm；萃取通道和检测通道的宽度为800μm；所有通道的深度均为100μm。

优选的，萃取通道的出口端折转90°后与直线型检测通道7的入口端连接。

优选的，入射光纤12-1发出的光与检测通道在一个水平面内，入射端准直透镜11-1距离检测通道入口端7mm；接收端准直透镜11-2对准检测通道的出口端，距离检测通道的出口端2mm。

优选的，入射光纤12-1入射光的入射角为13-15°。

微流控芯片9、入射光纤耦合器13-1和接收光纤耦合器13-2分别固定在一个三维移动平台10上。

优选的，微流控芯片9的大小为长、宽、高分别为：5cm，2cm，1cm。

实施例2利用微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统检测甲酚红

(一)以甲酚红为例，利用实施例1的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统进行检测，包括如下步骤：

1)将浓度为91.9wt.％的溴化1-丁基-3-甲基咪唑([C₄mim]Br)离子液体从入口Ⅰ1的入口端注入，含有甲酚红的Na₂CO₃溶液(将甲酚红溶于浓度为0.156g/mL的Na₂CO₃溶液中)从入口Ⅱ2和入口Ⅲ3的入口端注入，不含甲酚红的浓度为0.156g/mL的Na₂CO₃溶液从入口Ⅳ4和入口Ⅴ5的入口端注入。控制[C₄mim]Br、含有甲酚红的Na₂CO₃溶液和不含甲酚红的Na₂CO₃溶液的流速分别为4μL/min、10μL/min和4μL/min。

2)[C₄mim]Br离子液体、含有甲酚红的Na₂CO₃溶液和不含甲酚红的Na₂CO₃溶液，在萃取通道内形成无机盐溶液-离子液体溶液-无机盐溶液的三相层流，在层流行进过程中，甲酚红从两侧的Na₂CO₃溶液中被萃取到中间的离子液体相中。

研究初期发现，[C₄mim]Br溶液从入口Ⅰ引入，甲酚红的碳酸钠溶液从入口Ⅱ和Ⅲ引入，这样，在主通道中就形成离子液体在中间、无机盐溶液在两侧的三相层流。在显微镜下观察到，[C₄mim]Br与碳酸钠溶液在39cm长的通道中始终能保持稳定的层流。但在主通道中心出现离子液体液滴贴壁现象。其原因是在通道中心流动的[C₄mim]Br，由于分相作用与盐分相后，有一少部分贴到通道壁上，随液流贴壁流动。为了解决这个问题，本发明设计了，又从入口Ⅳ和Ⅴ分别引入不含甲酚红的碳酸钠溶液，在主通道中形成类似五相层流(以[C₄mim]Br为液芯，含甲酚红的Na₂CO₃溶液作为内包层，不含甲酚红的Na₂CO₃溶液作为外包层)，不含甲酚红的碳酸钠溶液沿通道侧壁流动，含有甲酚红的碳酸钠溶液不与通道侧壁直接接触，从而有效避免了离子液体液滴贴壁现象。

3)在萃取通道的螺旋部内，萃取完成后，在萃取通道的出口端，三相层流转过90°角进入直线型检测通道。

4)在检测通道内，作为液芯的离子液体相构成样品吸收池，打开钨灯光源，入射光以14°的入射角照射液芯(离子液体相)，在最大吸收波长586nm处测定吸光度值。

(二)检测结果

1)标准曲线的绘制

将甲酚红溶于浓度为91.9wt.％的[C₄mim]Br离子液体中，分别制备浓度为0.01、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25和0.4mg/mL的标准甲酚红的[C₄mim]Br离子液体溶液。

将不同浓度的标准甲酚红的[C₄mim]Br离子液体溶液从入口Ⅰ的入口端注入，浓度为0.156g/mL的Na₂CO₃溶液分别从入口Ⅱ-入口Ⅴ的入口端注入。控制入口Ⅰ、入口Ⅱ和入口Ⅲ、入口Ⅳ和入口Ⅴ的样品流速分别为4μL/min、10μL/min和4μL/min。入射光的入射角为14°，在最大吸收波长586nm处测定吸光度，作标准曲线。结果如图4所示，由图4可见，检测系统对甲酚红检测的线性范围为0.01～0.40mg/mL，线性方程为y＝1.41x+0.02，R²＝0.9945。

2)样品检测

将浓度为91.9wt.％的溴化1-丁基-3-甲基咪唑([C₄mim]Br)离子液体从入口Ⅰ1的入口端注入，如表1。含有不同浓度(C₁)的甲酚红的Na₂CO₃溶液(将甲酚红溶于浓度为0.156g/mL的Na₂CO₃溶液中)从入口Ⅱ2和入口Ⅲ3的入口端注入，不含甲酚红的浓度为0.156g/mL的Na₂CO₃溶液从入口Ⅳ4和入口Ⅴ5的入口端注入。控制[C4mim]Br、含有甲酚红的Na₂CO₃溶液液和不含甲酚红的Na₂CO溶液的流速分别为4μL/min、10μL/min和4μL/min。入射光的入射角为14°，在波长586nm处测定离子液体(液芯)中甲酚红的吸光度，按照标准曲线计算液芯中甲酚红的浓度(C₂)。

从入口至出口两相的接触时间较短，离子液体相比变化可以忽略，在上述流速下液芯[C₄mim]Br与内包层Na₂CO₃溶液的体积比为0.4。假设碳酸钠中的甲酚红全部被萃取到离子液体中，则液芯[C₄mim]Br中甲酚红的浓度C₂′＝2.5C₁，则萃取率的计算公式为：E＝C₂/C₂′×100％。

表1碳酸钠溶液中甲酚红的萃取率

由表1可见，采用本发明创造的系统和方法，甲酚红的萃取率均在93％以上。进一步证明本发明将微流控液液萃取和液液波导集成化的可行性。本发明创造采用离子液体作为液芯，无机盐溶液作为包层，能很好的对待测试样进行萃取，萃取体系具有异常稳定的相界面，在较宽的流速范围内可以维持层流稳定，相界面清晰，光滑，入射光以14°的入射角照射检测通道，大大提高了检测灵敏度，解决了液芯波导中背景光干扰问题。

以上实施例只是对本发明创造的详细描述，并不限制本发明，本发明提供的是一种以微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统进行检测的方法，任何可以被萃取到离子液体中的待测试样都可以采用本发明的方法进行检测。

Claims (10)

1.微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，其特征在于：由微流控芯片(9)、液液萃取系统和液液波导检测系统组成；

所述的液液萃取系统是：萃取通道的入口端分别与注入离子液体的入口Ⅰ(1)、注入含有试样的无机盐溶液的入口Ⅱ(2)和入口Ⅲ(3)、注入不含试样的无机盐溶液的入口Ⅳ(4)和入口Ⅴ(5)连通；入口Ⅰ(1)、入口Ⅱ(2)、入口Ⅲ(3)、入口Ⅳ(4)和入口Ⅴ(5)分别连接一个注射器(17)和注射泵(18)，萃取通道置于微流控芯片(9)内，入口Ⅰ(1)、入口Ⅱ(2)、入口Ⅲ(3)、入口Ⅳ(4)和入口Ⅴ(5)的入口端设在微流控芯片(9)表面；

所述的液液波导检测系统是：设在微流控芯片(9)内的直线型检测通道(7)的入口端与萃取通道的出口端连通，钨灯光源(14)与入射光纤(12-1)连接，入射光纤(12-1)与入射端准直透镜(11-1)连接并通过入射光纤耦合器(13-1)固定，入射端准直透镜(11-1)与检测通道(7)的入口端相对应；检测通道(7)的出口端设有两个出口(8-1)和(8-2)，与检测通道(7)的出口端相对应设有接收端准直透镜(11-2)，接收端准直透镜(11-2)与接收光纤(12-2)连接并通过接收光纤耦合器(13-2)固定，接收光纤(12-2)与光纤光谱仪(15)连接。

2.根据权利要求1所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，其特征在于：萃取通道由螺旋部(6-1)和直线部(6-2)构成，直线部(6-2)上设有交汇点A和B，入口Ⅰ(1)设在直线部(6-2)的延长线上，入口Ⅱ(2)和入口Ⅲ(3)对称设置在直线部(6-2)的两侧并分别从交汇点A处的两侧与交汇点A连通，入口Ⅳ(4)和入口Ⅴ(5)对称设置在直线部(6-2)的两侧并分别从交汇点B处的两侧与交汇点B连通。

3.根据权利要求2所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，其特征在于：萃取通道的总长度为170-190mm；检测通道(7)长度为12-14mm。

4.根据权利要求3所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，其特征在于：入口Ⅰ(1)与交汇点A之间、入口Ⅱ(2)和入口Ⅲ(3)与交汇点A之间、入口Ⅳ(4)和入口Ⅴ(5)与交汇点B之间的通道宽度为190-210μm；交汇点A和交汇点B之间的通道宽度为580-620μm；萃取通道和检测通道的宽度为780-820μm；所有通道的深度均为80-120μm。

5.根据权利要求1-4任一所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，其特征在于：萃取通道的出口端折转90°后与直线型检测通道(7)的入口端连接。

6.根据权利要求5所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，其特征在于：入射光纤(12-1)发出的光与检测通道在一个水平面内，入射端准直透镜(11-1)距离检测通道入口端5-9mm；接收端准直透镜(11-2)对准检测通道的出口端，距离检测通道的出口端1-3mm。

7.根据权利要求6所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，其特征在于：入射光纤(12-1)入射光的入射角为13-15°。

8.一种微流控液液萃取-液液波导集成化检测方法，其特征在于采用权利要求7所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测系统，包括如下步骤：

1)将离子液体从入口Ⅰ(1)的入口端注入，含有试样的无机盐溶液从入口Ⅱ(2)和入口Ⅲ(3)的入口端注入，不含试样的无机盐溶液从入口Ⅳ(4)和入口Ⅴ(5)的入口端注入；

2)离子液体、含有试样的无机盐溶液和不含试样的无机盐溶液，在萃取通道内形成无机盐溶液-离子液体溶液-无机盐溶液的三相层流，在层流行进过程中，试样从两侧的无机盐溶液相中被萃取到中间的离子液体相中；

3)在萃取通道的螺旋部，萃取完成后，在萃取通道的出口端，三相层流转过90°角进入直线型检测通道；

4)在直线型检测通道内，作为液芯的离子液体相构成样品吸收池，打开钨灯光源，入射光以13-15°的入射角照射液芯，采用吸光度检测方法进行检测。

9.根据权利要求8所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测方法，其特征在于：离子液体，含有试样的无机盐溶液和不含试样的无机盐溶液的流速分别为4μL/min、10μL/min和4μL/min。

10.根据权利要求8或9所述的微流控液液萃取-液液波导集成化检测方法，其特征在于：所述的离子液体是溴化1-丁基-3-甲基咪唑，所述的无机盐是Na₂CO₃。