CN105562131B - 用于总磷检测的微流控芯片、检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于总磷检测的微流控芯片、检测系统和检测方法，该芯片包括比色池、连通于比色池一端的微通道、以及连通于比色池另一端的出液口，所述微通道沿液体流动方向上依次连通有载液进液口、样品进液口、显色剂进液口和还原剂进液口，所述显色剂进液口和所述还原剂进液口之间连通有促进液体混合的第一混合微通道，所述还原剂进液口和所述比色池之间连通有促进液体混合的第二混合微通道，所述第一混合微通道和第二混合微通道为多次迂回形成的曲折的通道。本发明芯片可以实现在线检测，该微流控芯片设计构型可以恰好插入分光光度仪的检测池中，结合分光光度仪实现了在线检测总磷的含量。

Description

用于总磷检测的微流控芯片、检测系统和检测方法

技术领域

本申请属于水质监测技术领域，特别是涉及一种用于总磷检测的微流控芯片、检测系统和检测方法。

背景技术

总磷(Total Phosphorus-TP)是水质监测的三个常规指标之一。磷主要存在于工业废水和生活污水中，总磷过量会导致水体的富营养化，伴随藻类的异常增殖，其腐烂分解会消耗水体中的氧，进而导致水生生物大量死亡，水质恶化，甚至导致湖泊的沼泽化。

宏观检测水样中总磷的方法是在酸性介质中，将消解完全的正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐催化作用下生成磷钼杂多酸后，加入抗败血酸进行还原，生成蓝色络合物，转入比色皿中进行吸光度检测。该过程往往操作复杂，耗时冗长，且试剂消耗量大，增加了人工和试剂成本，污染环境，且人为干扰因素多，降低了检测准确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于总磷检测的微流控芯片、检测系统和检测方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种用于总磷检测的微流控芯片，包括比色池、连通于比色池一端的微通道、以及连通于比色池另一端的出液口，所述微通道沿液体流动方向上依次连通有载液进液口、样品进液口、显色剂进液口和还原剂进液口，所述显色剂进液口和所述还原剂进液口之间连通有促进液体混合的第一混合微通道，所述还原剂进液口和所述比色池之间连通有促进液体混合的第二混合微通道，所述第一混合微通道和第二混合微通道为多次迂回形成的曲折的通道。

优选的，在上述的用于总磷检测的微流控芯片中，所述微流控芯片包括上盖板、下盖板、以及形成于所述上盖板和下盖板之间的芯片通道板，所述比色池、微通道形成于所述芯片通道板上，所述上盖板上开设有分别与所述载液进液口、样品进液口、显色剂进液口和还原剂进液口连通的注液孔，所述下盖板上开设有与所述出液口连通的出液孔。

优选的，在上述的用于总磷检测的微流控芯片中，所述芯片通道板包括主体部以及凸伸于主体部一侧的延伸部，所述微通道形成于所述主体部上，所述比色池形成于所述延伸部上。

优选的，在上述的用于总磷检测的微流控芯片中，所述比色池的通道凹设形成于所述主体部的上表面，位于所述芯片通道板和上盖板之间，所述出液口与所述比色池之间连通有出液管道，该出液管道凹设形成于所述芯片通道板的下表面，位于所述芯片通道板和下盖板之间，所述出液口形成于所述主体部上。

优选的，在上述的用于总磷检测的微流控芯片中，所述上盖板、芯片通道板和下盖板的材质选自玻璃、PC、PMMA或者PDMS。

优选的，在上述的用于总磷检测的微流控芯片中，所述第一混合微通道或第二混合微通道的内壁凸伸有凸起部，该凸起部对流经的液体进行加速混合。

本申请还公开了一种总磷检测系统，包括：

所述的微流控芯片；

分光光度计，对比色池中总磷含量进行检测。

相应的，本申请还公开了一种检测总磷的方法，包括：

(1)、将微流控芯片的延伸部插置于分光光度计对应的插槽中；

(2)、依次从载液进液口、样品进液口、显色剂进液口和还原剂进液口分别注入载液、经过消解后含磷水样、显色剂和还原剂；

(3)、含磷水样在硫酸载液的承载下与显色剂进液口注入的显色剂在第一混合微通道中混合、反应，生成磷钼酸杂多酸；

(4)、磷钼酸杂多酸被还原剂进液口注入的还原剂还原生成蓝色络合物；

(5)、蓝色络合物溶液缓缓流入比色池中，待比色池充满后，进行连续动力检测，测其吸光度，以标准磷酸盐的浓度为横坐标，蓝色络合物溶液的吸光度为纵坐标建立标准曲线，根据标准曲线计算得水样中总磷的含量。

优选的，在上述的检测总磷的方法中，所述载液为硫酸。

优选的，在上述的检测总磷的方法中，将钼酸铵溶液、酒石酸锑钾溶液以体积比3:1混合，加入氢氧化钠溶解混匀配成所述显色剂。

优选的，在上述的检测总磷的方法中，所述还原剂为抗坏血酸溶液。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)、本发明的检测装置为微流控芯片，体积小；

(2)、本发明芯片可以实现在线检测，该微流控芯片设计构型可以恰好插入分光光度仪的检测池中，结合分光光度仪实现了在线检测总磷的含量；

(3)、应用微流控芯片减少了人为干扰因素，提高了检测准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中微流控芯片的立体结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中芯片通道板结构示意图；

图3所示为本发明具体实施例中上盖板结构示意图；

图4所示为本发明具体实施例中下盖板结构示意图。

具体实施方式

微流控芯片技术是一种在微尺度空间中对流体进行操控的科学技术。应用微流控技术将混合、反应和检测等基本功能集成到一个十几平方厘米的芯片上完成对水样中总磷的检测，与传统方法相比，具有极高的处理效率，大大缩短了检测时间；较少试剂消耗量，降低了试样成本，减少了环境污染，增加了检测准确度。这对于未来总磷检测具有重要意义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1至图4所示，用于总磷检测的微流控芯片，包括上盖板1、下盖板2、以及形成于上盖板1和下盖板2之间的芯片通道板3。

上盖板和下盖板的厚度优选为1mm，芯片通道板的厚度优选为10mm。

芯片通道板3上形成有比色池301、连通于比色池一端的微通道302、以及连通于比色池另一端的出液口303，微通道302沿液体流动方向上依次连通有载液进液口304、样品进液口305、显色剂进液口306和还原剂进液口307，显色剂进液口306和还原剂进液口307之间连通有促进液体混合的第一混合微通道308，还原剂进液口307和比色池301之间连通有促进液体混合的第二混合微通道309，第一混合微通道308和第二混合微通道309为多次迂回形成的曲折的通道。上盖板1上开设有分别与载液进液口304、样品进液口305、显色剂进液口306和还原剂进液口307连通的注液孔101，下盖板2上开设有与出液口连通的出液孔201。

微通道的尺寸优选为：宽1mm，深度0.5mm。

在该技术方案中，载液进液口304、样品进液口305、显色剂进液口306和还原剂进液口307分别通过动力系统将液体注入，该动力系统为微量注射泵、蠕动泵、恒压泵、或微型隔膜泵。

在该技术方案中，上盖板、芯片通道板和下盖板的材质选自玻璃、PC、PMMA或者PDMS等透明的高聚物材料，更优选为PMMA，采用高温煅烧、热压或者粘性膜等方法将三层芯片键合在一起。

进一步地，芯片通道板3包括主体部3010以及凸伸于主体部一侧的延伸部3011，微通道形成于主体部3010上，比色池形成于延伸部3011上。

更进一步地，比色池的通道凹设形成于主体部的上表面，位于芯片通道板和上盖板之间，出液口与所述比色池之间连通有出液管道3012，该出液管道3012凹设形成于所述芯片通道板的下表面，位于所述芯片通道板和下盖板之间，出液口303形成于所述主体部上。

出液管道的尺寸优选为：宽1mm，深度0.5mm。

在该技术方案中，检测总磷的微流控芯片的检测部分是根据常规分光光度仪的检测池进行设计的，为了减少试剂用量，比色池宽度为3mm，检测路径为10mm。整个芯片呈”T”型，恰好插入到分光光度仪的检测池中。该芯片的比色池部分：中间层是加工的通槽，将上下盖板与中间板键合在一起，形成闭合的池体，且上下表面光滑。采用这种方法制作比色池可以防止在PMMA板上直接刻槽产生刀纹，影响检测准确度。比色池的进液口刻在芯片通道板的上表面，位于比色池池底；出液口刻在芯片通道板的下表面，位于比色池的池顶，此设计有效减小了比色池的死体积，防止溶液残存，缩短稳定时间，减少误差，另一方面减少芯片体积，提高其利用率。

进一步地，第一混合微通道308或第二混合微通道309的内壁凸伸有凸起部(图未示)，该凸起部对流经的液体进行加速混合。

在该技术方案中，混合微通道采用CNC机床加工S型通道，通过适当减小注液的速度，增加弯道个数和通道的长度提高混合反应效率。为了提高混合反应效率还可以在通道中做一些特殊结构，例如：柱子、肋骨状或是鱼骨状结构等凸起部。

本案中，水质中总磷检测的化学反应原理为：在酸性条件下，水样经消解后得到的正磷酸盐，在锑盐的催化下与钼酸铵反应生成磷钼酸杂多酸，该化合物被抗环血酸还原生成蓝色络合物，于波长889nm处测量吸光度。

利用上述芯片检测总磷的方法，包括：

(1)、先准备好四台注射泵，将注射器与微流控芯片连接好，注射器放置到注射泵上，将微流控芯片的延伸部插置于分光光度计对应的插槽中；

(2)、打开注射泵，在其动力作用下依次将消解水样、硫酸载液，显色剂和还原剂注入到微流控芯片中，其中，将钼酸铵溶液、酒石酸锑钾溶液以体积比3:1混合，加入氢氧化钠溶解混匀配成显色剂，还原剂优选为抗坏血酸溶液；

(3)、含磷水样在硫酸载液的承载下与显色剂进液口注入的显色剂在第一混合微通道中混合、反应，生成磷钼酸杂多酸；

(4)、磷钼酸杂多酸被还原剂进液口注入的还原剂还原生成蓝色络合物；

(5)、蓝色络合物溶液缓缓流入比色池中，待比色池充满后，进行连续动力检测，于889nm处检测蓝色络合物的吸光度，以标准磷酸盐的浓度为横坐标，蓝色络合物溶液的吸光度为纵坐标建立标准曲线，根据标准曲线计算得水样中总磷的含量。随着溶液的不断注入，混合溶液从比色池顶部流出比色池，进入出液管道。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于总磷检测的微流控芯片，其特征在于，包括比色池、连通于比色池一端的微通道、以及连通于比色池另一端的出液口，所述微通道沿液体流动方向上依次连通有载液进液口、样品进液口、显色剂进液口和还原剂进液口，所述显色剂进液口和所述还原剂进液口之间连通有促进液体混合的第一混合微通道，所述还原剂进液口和所述比色池之间连通有促进液体混合的第二混合微通道，所述第一混合微通道和第二混合微通道为多次迂回形成的曲折的通道,样品进液口、显色剂进液口和还原剂进液口的进样方向垂直于所述微通道，所述微流控芯片包括上盖板、下盖板、以及形成于所述上盖板和下盖板之间的芯片通道板，所述比色池、微通道形成于所述芯片通道板上，所述上盖板上开设有分别与所述载液进液口、样品进液口、显色剂进液口和还原剂进液口连通的注液孔，所述下盖板上开设有与所述出液口连通的出液孔,所述芯片通道板包括主体部以及凸伸于主体部一侧的延伸部，所述微通道形成于所述主体部上，所述比色池形成于所述延伸部上。

2.根据权利要求1所述的用于总磷检测的微流控芯片，其特征在于：所述连通于比色池一端的微通道凹设形成于所述主体部的上表面，位于所述芯片通道板和上盖板之间，所述出液口与所述比色池之间连通有出液管道，该出液管道凹设形成于所述芯片通道板的下表面，位于所述芯片通道板和下盖板之间，所述出液口形成于所述主体部上。

3.根据权利要求1所述的用于总磷检测的微流控芯片，其特征在于：所述上盖板、芯片通道板和下盖板的材质选自玻璃、PC、PMMA或者PDMS。

4.根据权利要求1所述的用于总磷检测的微流控芯片，其特征在于：所述第一混合微通道或第二混合微通道的内壁凸伸有凸起部，该凸起部对流经的液体进行加速混合。

5.一种总磷检测系统，其特征在于，包括：

权利要求1至4任一所述的微流控芯片；

分光光度计，对比色池中总磷含量进行检测。

6.权利要求5所述的检测系统检测总磷的方法，其特征在于，包括：

(1)、将微流控芯片的延伸部插置于分光光度计对应的插槽中；

(2)、依次从载液进液口、样品进液口、显色剂进液口和还原剂进液口 分别注入载液、经过消解后含磷水样、显色剂和还原剂；

(3)、含磷水样在硫酸载液的承载下与显色剂进液口注入的显色剂在第一混合微通道中混合、反应，生成磷钼酸杂多酸；

(4)、磷钼酸杂多酸被还原剂进液口注入的还原剂还原生成蓝色络合物；

(5)、蓝色络合物溶液缓缓流入比色池中，待比色池充满后，进行连续动力检测，测其吸光度，以标准磷酸盐的浓度为横坐标，蓝色络合物溶液的吸光度为纵坐标建立标准曲线，根据标准曲线计算得水样中总磷的含量。

7.根据权利要求6所述的检测总磷的方法，其特征在于：所述载液为硫酸，所述还原剂为抗坏血酸溶液。

8.根据权利要求6所述的检测总磷的方法，其特征在于：将钼酸铵溶液、酒石酸锑钾溶液以体积比3:1混合，加入氢氧化钠溶解混匀配成所述显色剂。