CN105651767A - 一种使用3d打印模具制备的即吸即测液体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，涉及化学分析技术和环境水体检测领域。该装置包括反应腔、对比腔、显色剂腔、样品吸入管、滤膜、导流管。通过手指按压和放松样品腔硅橡胶制成的上盖板，待测样品通过样品吸入管分别进入反应腔和对比腔，同时显色剂通过导流管被吸入反应腔中。经过一段特定的反应时间，反应腔中的待测样品与显色剂发生显色反应；而对比腔中的样品颜色不发生变化。使用手机摄像头拍摄反应腔和对比腔的图像，再使用定制的APP色彩/灰度分析功能得到反应腔和对比腔色差的量化数据，并根据预先实验得到的浓度/色差标定曲线，由此APP软件分析计算输出待测样品中特定污染物的浓度。

Description

一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置

技术领域

本发明涉及化学分析技术和环境水体检测领域,尤其涉及一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置。

背景技术

近年来我国水污染事件频发，如2010年福建紫金矿业有毒废水泄漏事件，2011年渤海蓬莱油田溢油事故、云南曲靖5000吨铬渣污染水库，2012年广西镉污染事件、三友化工污染门事件、山西长治苯胺泄漏导致河水污染，2013年汉中市2吨柴油流入玉带河，2014年兰州自来水苯含量超标事件、南京“自来水含抗生素”事件，2015年宜昌长阳蒙特锰业排污致水体污染，2015年天津港爆炸产生有毒废水淤积等等。因此，迫切需求能够实时、快速地检测水体中多污染物的技术。

现有技术中，通常需要将样品采集回实验室进行一系列的处理、分析。实验室内设备齐全，更容易得到精确详实的数据和结果，但通常需要几小时乃至几天时间才能得到结果。但在很多情况下需快速的、定性的确定某一种物质的存在，这时送到实验室检测费时费力，会错过处置水体污染的最佳时机，造成更为严重的后果。

文章《基于分光光度法的多参数在线水质监测仪的研究与设计》研究并设计了一个使用紫外——可见光进行测量的多参数分光光度法测量系统,可通过替换不同的显色剂模组完成用户可选的多种污染物的测量。该系统集成了光源、光纤、光谱仪、上位机、下位机以及比色皿、注射器等多种仪器，还需要实现数据采集、分析、显示等复杂的软件系统，该研究体现了目前国内外在线监控的主流情况。这种复杂的在线检测系统的确可实现精确的测量，但实现成本非常高，软硬件系统复杂，不易操作，一般置于特定的水域长期使用，不便携带。

专利CN104792777提出了一种经济快捷型比色测定水质六价铬浓度的测试包和测定方法，通过前处理调节样品pH、显色反应及与预制标准比色卡对比实现样品的检测；该发明克服了一般水体检测方法操作复杂、价格昂贵的的缺点，提出了一种具有针对性、配套化检测的新思路。

专利CN204314225U公开了一种基于手机平台的食品安全快速检测装置。使用手机CCD摄像头记录透过样品的光强，通过朗伯比尔定律得到反应物的吸光度，由此得到样品的浓度。

文章《数码比色法测定环境及生物样品中的氰化物浓度》在传统氰化物检测方法的基础上，提出了一种新的方法—数码比色法。用数码相机对显色溶液拍照，通过数码比色，进行灰度处理，照片的三原色值与氰化物的浓度成线性关系，可以直接分析出其氰化物的浓度。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种即吸即测液体检测装置，降低检测成本，实现实时、高效的分析样品。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，包括一上盖板和下盖板，其相向放置并拼合为一密封空间；所述密封空间内设置有反应腔、对比腔、显色剂腔、样品吸入管、滤膜和导流管；

所述样品吸入管的一端与待测样品连接，另一端通过滤膜与所述反应腔和对比腔连通；所述显色剂腔通过所述导流管与反应腔连通；

所述上盖板为弹性材料制作，按压上盖板再松开时，所述样品被吸入反应腔和对比腔中，显色剂被吸入对比腔中与样品混合；

使用手机拍摄反应腔和对比腔的图像，通过定制的APP来确定待测样品的浓度；

该APP存储有事先测得的“灰度-浓度”标准曲线数据；将手机拍摄的反应腔和对比腔的图像导入APP中，即可读取图片的RGB值；根据

$Gray={(0.2973R^{2.2}+0.6274G^{2.2}+0.0753B^{2.2})}^{\frac{1}{2.2}}$

即可将RGB值转化为灰度值；

由于灰度和浓度成一定的线性关系：

Gr＝A*C+B，其中Gr表示灰度，C表示浓度；

因此，假设反应腔待测样品读取的灰度值为Gr₁,对比腔待测样品读取的灰度值为Gr₂；将其带入“灰度-浓度”标准曲线，则可得到反应腔待测样品浓度C₁，对比腔待测样品浓度C₂；

反应腔中修正的浓度C₁′的推导过程为：

根据“比尔-朗伯”定律，在较稀溶液中，对同一试剂，光程相同的情况下，吸光度A和浓度C有一定的线性关系：

A＝kC

假设初始光强I₀透过反应腔的光强为I₁，透过对比腔的光强为I₂则有：

$A_1=\lg \frac{I_0}{I_1}$

$A_2=\lg \frac{I_0}{I_2}$

如果以对比腔为参考，则有校正后的反应腔待测物吸光度为：

${A_1}^{,}=\lg \frac{I_2}{I_1}=\lg \frac{\frac{I_0}{{10}^{A_2}}}{I_1}=\lg \frac{{10}^{A_1}}{{10}^{A_2}}=A_1-A_2$

再根据

A＝kC

可得到

C₁′＝C₁-C₂

在一较佳实施例中：所述上盖板为硅橡胶材质。

在一较佳实施例中：所述上盖板使用3D打印结构作为模具，浇筑硅橡胶而得。

在一较佳实施例中：所述下盖板的材质为玻璃，塑料，树脂，硅橡胶中的一种。

在一较佳实施例中：所述上盖板和下盖板经过等离子或臭氧处理后直接键合。

在一较佳实施例中：所述显色剂是任何能够与样品中的待测物质发生特异性显色反应的试剂。

在一较佳实施例中：根据不同的检测目的物，所述显色剂腔中注入的显色剂不同。

相较于现有技术，本发明具备以下有益效果：

本发明提供了一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，上盖板使用硅橡胶制备，具有柔韧性。可通过挤压反应腔和对比腔使得样品吸入管吸入样品。硅橡胶有高稳定性，耐酸耐碱。在显色剂腔中可注入多种显色剂，根据不同检测物质使用注有特定显色剂的装置。

本发明提供了一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，采用3D打印方法加工模具可以快速加工出传统方法无法或难以制作的模具。其次3D打印技术“打印”的产品是自然无缝连接的，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。

上盖板使用硅橡胶制备，由于硅橡胶具有很小的杨氏模量，固化后具有很好的柔韧性，且硅橡胶化学性质稳定，耐酸耐碱，跟常见的显色剂不会起反应。使用硅橡胶作为装置的材料，充分利用了硅橡胶的两个性质。其一，利用它的柔韧性可实现通过挤压形成的气压差驱动样品和显色剂流动；其二，利用它的化学性质稳定，可选用多种显色剂，大大扩展了该装置的使用场景。

在实验室对该即吸即测液体检测装置注入不同的显色剂并封装后，可随身携带，在室外环境中，根据不同的目标物使用装有不同显色剂的装置，通过按压和放松样品腔和对比腔中间部位吸入样品和显色剂，待样品和显色剂发生特异性的显色反应后，通过手机摄像头和比色软件检测样品。

与原有快速检测技术相比，本申请提出的即吸即测液体检测装置，使用3D打印的一体成型模具，避免了复杂的制作工艺。体积、重量和使用的便利性与试纸法类似，但具有更高的灵敏度，通过添加不同的显色剂可以监测多种污染物，应用范围远也比试纸广。和大型专业的测试方法相比，本申请充分利用了PDMS的柔韧性和稳定性实现了“即吸即测”，减少其他样品、试剂提取设备的使用；使用手机和手机软件实时记录反应物和对比物图像，继而可实时得到样品中污染物的量，不需要大型检测设备，具有简捷、低成本的优势。本申请提出的技术方案装置制作简单、测试操作简便，灵敏度较高，非常适合在野外作业，便于非专业人士的使用。

附图说明

图1为本发明优选实施例使用的一体成型模具的立体图；

图2为本发明优选实施例使用的一体成型模具的俯视图；

图3为本发明优选实施例的结构立体透视图；

图4为本发明优选实施例的结构俯视透视图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明进行具体说明。

如图1-4，一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，它包括包括一上盖板和下盖板，其相向放置并拼合为一密封空间；所述密封空间内设置有反应腔2、对比腔3、显色剂腔4、两组样品吸入管1、滤膜7和导流管6。所述两组样品吸入管1的一端分别与待测样品连接，另一端分别通过滤膜7与所述反应腔2和对比腔2连通；所述显色剂腔4通过所述导流管6与反应腔2连通；

所述上盖板为弹性材料制作，按压上盖板再松开时，所述样品被吸入反应腔和对比腔中，显色剂被吸入对比腔中与样品混合；

使用手机拍摄反应腔和对比腔的图像，通过定制的APP来确定待测样品的浓度；

该APP存储有事先测得的“灰度-浓度”标准曲线数据；将手机拍摄的反应腔和对比腔的图像导入APP中，即可读取图片的RGB值；根据

$Gray={(0.2973R^{2.2}+0.6274G^{2.2}+0.0753B^{2.2})}^{\frac{1}{2.2}}$

即可将RGB值转化为灰度值；

由于灰度和浓度成一定的线性关系：

Gr＝A*C+B，其中Gr表示灰度，C表示浓度；

因此，假设反应腔待测样品读取的灰度值为Gr₁,对比腔待测样品读取的灰度值为Gr₂；将其带入“灰度-浓度”标准曲线，则可得到反应腔待测样品浓度C₁，对比腔待测样品浓度C₂；

反应腔中修正的浓度C₁′的推导过程为：

根据“比尔-朗伯”定律，在较稀溶液中，对同一试剂，光程相同的情况下吸光度A和浓度C有一定的线性关系：

A＝kC

假设初始光强I₀透过反应腔的光强为I₁，透过对比腔的光强为I₂，则有：

$A_1=\lg \frac{I_0}{I_1}$

$A_2=\lg \frac{I_0}{I_2}$

如果以对比腔为参考，则有校正后的反应腔待测物吸光度为：

${A_1}^{,}=\lg \frac{I_2}{I_1}=\lg \frac{\frac{I_0}{{10}^{A_2}}}{I_1}=\lg \frac{{10}^{A_1}}{{10}^{A_2}}=A_1-A_2$

再根据

A＝kC

可得到

C₁′＝C₁-C₂

其中：所述上盖板为硅橡胶材质。所述上盖板使用3D打印结构作为模具，浇筑硅橡胶而得。所述下盖板的材质为玻璃，塑料，树脂，硅橡胶中的一种。所述上盖板和下盖板经过等离子或臭氧处理后直接键合。所述显色剂是任何能够与样品中的待测物质发生特异性显色反应的试剂。根据不同的检测目的物，所述显色剂腔中注入的显色剂不同。

上述的一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，其具体制备步骤包括：

1)使用SolidWorks绘制模具三维图。

2)将模具三维图导入3D打印机中，使用尼龙材料打印成型。

3)将PDMS和固化剂以10:1的质量比充分混合搅拌,置于真空箱中待气泡消失后备用。

4)将模具三维图用502胶水固定于无盖玻璃盒内，使用三甲基氯硅烷浸润模具上表面和玻璃盒内侧。

5)浇筑上述PDMS混合物，浇筑高度低于显色剂注入口位置。

6)将浇筑有PDMS的模具置于100℃烘箱中10分钟后，将PDMS剥离，在样品吸入管和反应腔、对比腔连接处分别使用少量的PDMS粘贴滤膜，得到装置上盖板。

7)用三甲基氯硅烷浸润玻璃片后，在玻璃片旋涂步骤3所述PDMS混合物20s，转速300r/min,置于100℃烘箱加热10min。再在此基础上旋涂、固化多次得到2mm厚的均匀薄片，即为装置下盖板。该装置下盖板也可使用玻璃，塑料，树脂，硅橡胶等透明或白色材料。

8)将步骤6中和步骤7中得到的装置上下盖板置于等离子去胶机中进行等离子处理(100w,15s)，键合。

9)将键合得到的装置切割露出样品吸入管，并将显色剂通过显色剂注入口注入到显色剂腔，然后用键合的方法，使用PDMS薄片把显色剂注入口封住。

本实施例中，有两个显色剂腔，一个显色剂腔装入磺基水杨酸，另一个显色剂腔中装入氨水溶液。当装置没有受到外力作用时，受张力作用，显色剂不会流入样品腔中。挤压又放松样品腔和对比腔中间部位后，受气压影响，对比腔吸入样品，而样品腔中会同时吸入显色剂和等量样品，经过从而可生成红色或黄色的络合物。

将该装置置于白纸等其他白色物品上，在没有阳光斜射条件下使用手机摄像头记录反应腔和对比腔的图像，通过手机APP的分析功能即可得到样品中铁离子的含量。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，其特征在于包括一上盖板和下盖板，其相向放置并拼合为一封闭空间；所述封闭空间内设置有反应腔、对比腔、显色剂腔、样品吸入管、滤膜和导流管；

所述样品吸入管的一端与待测样品连接，另一端通过滤膜与所述反应腔和对比腔连通；所述显色剂腔通过所述导流管与反应腔连通；

所述上盖板为弹性材料制作，按压上盖板再松开时，所述样品被吸入反应腔和对比腔中，显色剂被吸入对比腔中与样品混合；

使用手机拍摄反应腔和对比腔的图像，通过定制的APP来确定待测样品的浓度；

该APP存储有事先测得的“灰度-浓度”标准曲线数据；将手机拍摄的反应腔和对比腔的图像导入APP中，即可读取图片的RGB值；根据

$Gray={(0.2973R^{2.2}+0,6274G^{2.2}+0.0753B^{2.2})}^{\frac{1}{2.2}}$

即可将RGB值转化为灰度值；

由于灰度和浓度成一定的线性关系：

Gr＝A*C+B，其中Gr表示灰度，C表示浓度；

因此，假设反应腔待测样品读取的灰度值为Gr₁,对比腔待测样品读取的灰度值为Gr₂；将其带入“灰度-浓度”标准曲线，则可得到反应腔待测样品浓度C₁，对比腔待测样品浓度C₂；

反应腔中修正的浓度C₁′的推导过程为：

根据“比尔-朗伯”定律，在较稀溶液中，对同一试剂，在光程相同的情况下，吸光度A和浓度C有一定的线性关系：

A＝kC

假设初始光强I₀，透过反应腔的光强为I₁，透过对比腔的光强为I₂,则有：

$A_1=\lg \frac{I_0}{I_1}$

$A_2=\lg \frac{I_0}{I_2}$

如果以对比腔为参考，则有校正后的反应腔待测物吸光度为：

${A_1}^{,}=\lg \frac{I_2}{I_1}=\lg \frac{\frac{I_0}{{10}^{A_2}}}{I_1}=\lg \frac{{10}^{A_1}}{{10}^{A_2}}=A_1-A_2$

再根据

A＝kC

可得到

C₁′＝C₁-C₂

2.根据权利要求1所述的一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，其特征在于：所述上盖板为硅橡胶材质。

3.根据权利要求2所述的一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，其特征在于：所述上盖板使用3D打印结构作为模具，浇筑硅橡胶而得。

4.根据权利要求1所述的一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，其特征在于：所述下盖板的材质为玻璃，塑料，树脂，硅橡胶中的一种。

5.根据权利要求1所述的所述的一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，其特征在于：所述上盖板和下盖板经过等离子或臭氧处理后直接键合。

6.根据权利要求1所述的所述的一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，其特征在于：所述显色剂是任何能够与样品中的待测物质发生特异性显色反应的试剂。

7.根据权利要求1所述的所述的一种使用3D打印模具制备的即吸即测液体检测装置，其特征在于：根据不同的检测目的物，所述显色剂腔中注入的显色剂不同。