CN106290327A - 重金属离子检测芯片及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种重金属离子检测芯片及其检测方法，该芯片包括基材，该基材上形成有信息识别区域，该信息识别区域包括由疏水性围堰围成的亲水性微通道，该亲水性微通道内吸附有可与重金属离子发生显色反应的显色剂，所述亲水微通道在发生一定程度的颜色变化时，其构成的图案及颜色变化作为编码信息可被识别。本发明微流控纸片对重金属离子的检测，可以实现对重金属离子快速，实时，便捷化的检测。整个检测过程在30s内可以完成。这种微流控纸芯片重金属离子检测方法可克服传统重金属离子检测仪器复杂、样品需求量大、应用领域窄、测试成本高等缺点，能够在线定性与定量检测重金属离子。

Description

重金属离子检测芯片及其检测方法

技术领域

本申请涉及一种微流控纸芯片，特别是涉及一种重金属离子检测芯片及其检测方法。

背景技术

中国约50％地表水源受到污染，上百种有机化合物、重金属离子进入水源，同时地下水源也在氟、砷、铁、锰等超标。含有重金属离子(镉、铬、铜、汞、镍等)的水被人类饮用，会造成人类患各种疾病，有的甚至会致癌。水重金属离子污染是对水环境造成重金属离子污染的发生源。重金属废水应当在产生地点就地处理，不能同其他废水混合，如果用含重金属离子的废水和污泥对农田进行农田灌溉和施肥，不仅使土壤受到污染，同时会进一步污染水体，造成重金属离子在农作物生长和水生生物中的富集和积蓄，通过食物链对人体造成严重危害。中国内地无一城市实现直饮水，烧成开水可杀死微生物污染，但无法去除有机污染物和重金属离子。对于重金属离子的检测方法，传统的检测手段需要借助大型分析仪器，目前较为广泛的分析仪器有：紫外可见分光光度计、吸收光谱法(AAS)、原子发射光谱法(AES)、原子荧光光谱法(AFS)和耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等，这些方法和技术具有特异性强、灵敏度高等优点，但也存在一些缺陷，例如，仪器价格昂贵、运行费用高、不易携带、无法连续监测及现场测定。

微流控纸芯用于重金属离子快速检测，有以下特点:

(1)、成本更低。纸张作为芯片基底价格远低于硅，玻璃，高聚物，且加工更简单，成本更低。

(2)、分析系统更易微型化、便携化。微流控纸芯片可利用毛细作用为流体驱动力无需复杂的驱动装置，更容易实现微型化。

(3)、优良的生物兼容性。纸芯片大部分由纤维素组成，生物相容性很好。

(4)、检测背景低。纸张为白色基底可作为比色法的良好材质。

(5)、后处理简单，无污染。纸张由纤维素组成，使用过后易于处理，可降解，对环境危害小。能够实现快速、连续、实时检测，且使用的分析仪器简单，具有微型化，便携化特点。

(6)、灵敏度和准确度高，选择性好。

微流控纸芯片是一种新兴的微流控分析技术平台，具有成本低、加工简易、使用和携带方便等优点，在临床诊断、食品质量控制和环境监测等应用领域具有很大的应用前景。然而传统的微流控纸芯片在检测分析方法：比色法，化学发光法，电化学法等，常需要借助一些实验室的仪器以及特殊的分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重金属离子检测芯片及其检测方法，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：

本申请实施例公开一种重金属离子检测芯片，包括基材，该基材上形成有信息识别区域，该信息识别区域包括由疏水性围堰围成的亲水性微通道，该亲水性微通道内吸附有可与重金属离子发生显色反应的显色剂，所述亲水微通道在发生一定程度的颜色变化时，其构成的图案及颜色变化作为编码信息可被识别。

优选的，在上述的重金属离子检测芯片中，所述信息识别区域还包括编码信息区域，所述编码信息区域容纳的信息至少包括重金属离子的种类、浓度信息、危害程度及国家标准限定含量。

优选的，在上述的重金属离子检测芯片中，所述信息识别区域还包括编码定位区域。

优选的，在上述的重金属离子检测芯片中，所述信息识别区域形成可被识别的编码，该编码为一维编码或二维条形码。

优选的，在上述的重金属离子检测芯片中，所述信息识别区域形成可被识别的编码，该编码区域的颜色可以为一种RGB色彩或者多种RGB色彩的组合。

优选的，在上述的重金属离子检测芯片中，所述信息识别区域形成可被识别的编码，该编码为图案。

优选的，在上述的重金属离子检测芯片中，用以识别所述编码信息的设备包括线性CCD和线性图像式阅读器、带光栅的激光阅读器、图像式阅读器、二维码扫描枪、二维码读取器、手机和移动拍照设备。

优选的，在上述的重金属离子检测芯片中，所述基材选自滤纸、纤维素膜、玻璃纤维、书写用纸或牛皮纸。

优选的，在上述的重金属离子检测芯片中，所述亲水性微通道的面积占信息识别区域的15％以上。

相应的，本申请实施例还公开了一种基于重金属离子检测芯片的检测方法，将待检测的重金属离子样品加入亲水性微通道，待显色反应完成后，通过编码信息识别设备对芯片图案、颜色进行识别，以至少获取重金属离子种类、浓度信息。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明微流控纸片的重金属离子的检测方法中，多种重金属离子与特定物质反生显色反应，将颜色变化与编码信息相结合，将浓度信息转化为易于被多种编码识别设备识别的数字信息，实现对重金属离子快速，实时，便捷化的检测。整个检测过程在30s内可以完成。这种微流控纸芯片重金属离子检测方法可克服传统重金属离子检测仪器复杂、样品需求量大、应用领域窄、测试成本高等缺点，能够在线定性与定量检测重金属离子。

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重金属离子检测芯片的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例1中对Al³⁺重金属离子检测芯片的示意图；

图3所示为本发明具体实施例2中对Cr⁶⁺重金属离子检测芯片的示意图。

具体实施方式

结合图1所示，基于微流控纸片的重金属离子的检测装置，包括基材1，该基材1上形成有亲水性的微通道2、疏水性的微通道围堰3、编码信息区域4、编码定位区域5。所述的亲水性的微通道2、疏水性的微通道围堰3分别作为样品储存区域和微通道边界区域，所述的编码信息区域4和定位区域5共同构成了信息识别区域，在这个区域可以编入相应重金属离子的种类及浓度信息进行检测。

优选的，可以选用的基材至少包括滤纸，纤维素膜，玻璃纤维、书写用纸、牛皮纸。

优选的，所述的编码信息区域可以容纳多种信息，如重金属离子的种类，浓度信息，危害程度及国家标准限定含量等，通过对这些编码信息区域的调整，可以更快速的获得待测样品的安全信息。

优选的，所述的编码定位区域可以使扫描设备更加准确快速的识别编码信息。

优选的，所述的编码信息区域和编码定位区域共同组成了可以被识别的编码，这些编码通常可以为一维条形码、二维条形码。其中二维条形码又可以采用线性堆叠二维码(Code 16K、Code 49、PDF417等)、矩阵式二维码(Code One、Maxi Code、QR Code、DataMatrixVericode条码、CP条码、Codablock F条码、田字码、Ultracode条码，Aztec条码等)。

优选的，所述的编码信息区域和编码定位区域共同组成了可以被识别的编码，这些编码区域的颜色可以为一种RGB色彩或者多种RGB色彩的组合。

优选的，所述的编码信息区域和编码定位区域共同组成了可以被识别的编码，这些编码区域也可以被设置为个性图案。

优选的，所述的编码信息区域和编码定位区域共同组成了可以被识别的编码，这些编码所储存的信息被多种设备识别：线性CCD和线性图像式阅读器、带光栅的激光阅读器、图像式阅读器、二维码扫描枪、二维码读取器、手机和移动拍照设备。

优选的，所述的亲水区域作为编码信息区域的一部分，可以作为待检测样品的检测区域，在这个区域发生的一些变化可以是编码信息被扫描设备(手机、扫码器等)识别。

优选的，所述的疏水区域作为编码信息区域的的一部分，可以用于构筑微通道的疏水边界，这个边界使得检测样品被限定在在特定形状的亲水区域发生反应。

优选的，所述的亲水区域微通道的尺寸与整个检测装置的外形尺寸有关，其中有编码信心区域和编码定位区域的边界决定检测装置的外形尺寸，可以选用的外型尺寸至少需要大于10×10mm。

相应的，本申请实施例还公开了一种基于微流控纸芯片的重金属离子的检测方法，包括：

(1)、设计制作微流控纸芯片：通过计算机辅助设计软件(CAD)设计和绘制微流控纸芯片的通道和图形，通过喷蜡打印技术在微流控纸芯片的基材表面制备CAD设计的微通道图形。将表面印刷有微通道图形的基材放入烘箱中在150℃烘干2～3min。

(2)、在微流控纸芯片的亲水区域加入可以与重金属离子发生特异性的显色反应的物质，待液体挥发后，在亲水检测区域加入待检测的重金属离子的样品，待显色反应完成后，利用编码识别设备进行识别，利用对编码识别的效率进行定量分析。

优选的，在上述微流控纸芯片的重金属离子的检测方法中，

所述步骤(1)中，分别设定一些编码信息区域为亲水区域，一些编码信息区域为疏水区域，并选用合适的外型尺寸(≥10×10mm)，合适的颜色作为编码信息区域的底色。

其中亲水区域的面积至少为编码信息区域总面积的15％。选用合适的微流控纸芯片的制作方法进行加工制作，常用的方法有：紫外光刻、等离子处理、喷墨刻蚀等技术手段；后者主要以蜡印、喷墨打印、丝网印刷、柔印和激光刻蚀等技术。

所述步骤(2)中，在毛细作用下流体在微流控纸芯片的亲水区域扩散，液体中含有的能与重金属离子特异性反应的物质被吸附在微流控纸芯片表面，常用的浓度为3.5％(wt)，以水作为溶剂。在各个亲水区域滴加的这种液体的体积约为5μl。待液体挥发后，选择将2～5μl的含有待测金属离子的水溶液滴加在各个亲水检测区域。

优选的，上述微流控纸片的重金属离子的检测方法中选用手机(有摄像头)进行编码信息的识别，通过将待测金属离子的浓度与编码信息的识别程度相结合进行定量分析，同时获金属离子种类、浓度和其他多种信息。

在上述技术方案中，在毛细作用下，待测重金属离子与吸附在纤维素表面的物质发生显色反应，并利用特定的亲水区域的形状将浓度信息转换为编码信息，通过编码信息的识别程度进行定量分析。通过本案微流控纸芯片，可被检测的重金属离子包括：Pb²⁺、Zn^{2 +}、Cu²⁺、Al³⁺、Cr⁶⁺之一或多种。

本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

如图2所示，利用CAD设计编码信息为铝的微流控纸芯片，并利用喷蜡打印机将图形信息打印在定量滤纸表面，之后在放入烘箱中在150℃烘干2～3min。在制作好的微流控纸芯片的亲水区域滴加5μl的铬天青S水溶液，浓度为3.5％(wt)，在毛细作用下液体在亲水区域扩散，铬天青S被吸附在纤维素的表面。待水挥发后，在各个亲水区域滴加2～5μl的含有Al金属离子的水溶液。待显色反应完成后，利用手机进行扫描，通过分析扫描识别度进行定量检测，整个检测过程在30s内可以完成。

实施例2

如图3所示，重复实施例1，在制作好的微流控纸芯片的亲水区域滴加5μl的锌试剂水溶液，浓度为3.5％(wt)，在毛细作用下液体在亲水区域扩散，锌试剂被吸附在纤维素的表面。待水挥发后，在各个亲水区域滴加2～5μl的含Zn金属离子的水溶液。待显色反应完成后，利用手机进行扫描，通过分析扫描识别度进行定量检测，整个检测过程在30s内可以完成。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

最后，还需要说明的是，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。

Claims (10)

1.一种重金属离子检测芯片，其特征在于，包括基材，该基材上形成有信息识别区域，该信息识别区域包括由疏水性围堰围成的亲水性微通道，该亲水性微通道内吸附有可与重金属离子发生显色反应的显色剂，所述亲水微通道在发生一定程度的颜色变化时，其构成的图案及颜色变化作为编码信息可被识别。

2.根据权利要求1所述的重金属离子检测芯片，其特征在于：所述信息识别区域还包括编码信息区域，所述编码信息区域容纳的信息至少包括重金属离子的种类、浓度信息、危害程度及国家标准限定含量。

3.根据权利要求1所述的重金属离子检测芯片，其特征在于：所述信息识别区域还包括编码定位区域。

4.根据权利要求1所述的重金属离子检测芯片，其特征在于：所述信息识别区域形成可被识别的编码，该编码为一维编码或二维条形码。

5.根据权利要求1所述的重金属离子检测芯片，其特征在于：所述信息识别区域形成可被识别的编码，该编码区域的颜色可以为一种RGB色彩或者多种RGB色彩的组合。

6.根据权利要求1所述的重金属离子检测芯片，其特征在于：所述信息识别区域形成可被识别的编码，该编码为图案。

7.根据权利要求1所述的重金属离子检测芯片，其特征在于：用以识别所述编码信息的设备包括线性CCD和线性图像式阅读器、带光栅的激光阅读器、图像式阅读器、二维码扫描枪、二维码读取器、手机和移动拍照设备。

8.根据权利要求1所述的重金属离子检测芯片，其特征在于：所述基材选自滤纸、纤维素膜、玻璃纤维、书写用纸或牛皮纸。

9.根据权利要求1所述的重金属离子检测芯片，其特征在于：所述亲水性微通道的面积占信息识别区域的15％以上。

10.一种基于权利要求1至9任一所述的重金属离子检测芯片的检测方法，其特征在于：将待检测的重金属离子样品加入亲水性微通道，待显色反应完成后，通过编码信息识别设备对芯片图案、颜色进行识别，以至少获取重金属离子种类、浓度信息。