CN106769949A - 基于钒钼黄分光光度法测定海水中磷含量的光流控检测器 - Google Patents

基于钒钼黄分光光度法测定海水中磷含量的光流控检测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于钒钼黄分光光度法测定海水中磷含量的光流控检测器，属于仪器分析领域。本发明将分光光度法与光流控芯片相结合，特别是将系统进行了模块化的设计。检测器芯片包括液体混合模块，光电检测模块和数据分析模块。待测液和指示剂从液体混合模块的入口流入芯片，从光电检测模块出口流出芯片，得到的光强数据则被传输至数据分析模块。本发明通过光流控技术实现了在微流沟道中用分光光度法检测海水中微量磷酸盐的含量。而且通过模块化的设计大大提高了整个系统的效率和维护易用性。

Description

基于钒钼黄分光光度法测定海水中磷含量的光流控检测器
技术领域
本发明涉及一种基于钒钼黄分光光度法测定海水中磷含量的光流控检测器，属于仪器分析领域。
背景技术
我国是海洋大国，拥有丰富的海洋资源，因此对于海洋中物质的检测是加强海洋资源监控，开发和保护的重要手段。传统海洋生化在线监测设备采用离散瞬时采样方式，其获取的监测结果代表性和时效性均不高，难以支撑海洋环境承载力监测预警和总量控制等管理需求。光流控技术将微液流控制与光电检测结构相结合，可克服传统设备在尺寸、成本、大量平行样品处理、实时在线监测等方面的不足，在海洋环境监测领域具有重要的应用价值。
磷酸盐是海洋浮游植物生长所必需的物质基础，测定海水中磷酸盐的分布对于理解地球化学循环，预测藻华灾害等都具有重要意义。目前我国海洋磷酸盐主要采用现场采样实验室分析为主，仪器设备存在尺寸大、耗能高等不足，其获取的检测结果代表性和时效性均不高，难以支撑海洋环境承载力监测预警和总量控制等管理需求。光流控技术是一种在微纳米尺度上，精确控制和操作微流体的技术，通过将液流控制与光电检测结构相结合，可克服传统设备在尺寸、成本、大量平行样品处理、实时监测等方面的不足。目前国内外已有相关研究的报道，如Legiret等（2013）发表了使用钒钼黄分光光度法的微流控分析仪，磷酸盐测定范围在0.1-60 μM，精密度达到13.6% (0.4μM时)，上海东华大学的席永清与加拿大合作研制了测定硝酸盐和亚硝酸盐离心微流控装置，硝酸盐和亚硝酸盐检出限分别可以到0.05 mg/L -0.16 mg/L。本发明以光流控芯片技术为基础，同时采用钒钼黄分光光度法，开发适用于海水磷酸盐的光流控检测器
分光光度分析方法以其简单有效、高灵敏性和准确度、高再现性被广泛应用于传感器研制和海水监测中。因此，将分光光度分析方法与微流控结合，利用光流控技术研制高度集成化海洋磷酸盐传感芯片具有重要的研究价值。
发明内容
针对于海水中快速进行磷酸盐浓度检测的要求，本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于钒钼黄分光光度法测定海水中磷含量的光流控检测器。
本发明主要由三个模块组成，如图1所示，三个模块分别是液体混合模块，光电检测模块和数据分析模块。
液体混合模块的主体部分是串联的多段弯折的微流沟道，它有三个入口和一个出口，三个入口分别引入待测液、指示剂和超纯水，引入待测液的入口安装有过滤器，出口是所有液体的出口；
光电检测模块由光纤激光器，光电传感器和毛细比色管组成，毛细比色管的入口与液体混合模块的出口相连接，毛细比色管的出口与废液池连接，所述光纤激光器和广电传感器分别处在毛细比色管的两端；
数据分析模块是一台光谱仪，它可以记录光电传感器感应到的光强度，然后与激光标准强度进行比对得到吸光度的值。
液体混合模块中，待测液由入口被微流泵引入微流沟道，当待测液为海水样本时，入口前需要加装高分子膜过滤器，指示剂由入口被微流泵引入混合器，另一个入口用来引入超纯水清洁沟道，入口沟道宽度为150µm，液体泵入速度为30µl/min。多段弯折的微流沟道的每段长度为5mm，宽度为300µm，待测液与指示剂可以在混合器中充分混合，发生显色反应。
待测液和指示剂在液体混合模块中被充分混合发生反应后，被引入光电检测模块的毛细比色管。比色管内半径为1mm，长度为8mm。所述光纤激光器可以发出接近吸收峰波长（385nm）的激光，经过比色管之后被光电传感器接收到，进而转化为电信号。
本发明所描述的待测液是指含有磷酸根离子的水溶液，可以是海水样本，也可以是实验室配置的磷酸盐标准液。本发明所描述的指示剂是钒钼酸铵指示剂。
本发明中所使用的光流控液体混合模块，其制作技术是标准紫外光刻技术。液体混合模块芯片是由有机材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，简称PDMS）制成。先根据设计软件画好的图形制作掩模版，然后通过紫外光刻技术，将图形显影于PDMS模具上。再在PDMS模具上浇注未凝固的PDMS，在75摄氏度的温度下热烘1小时即可凝固，得到PDMS芯片的半成品。经过切割以及通过等离子火焰加工与载玻片粘合便得到了本发明所需要的光流控液体混合模块。毛细比色管是由石英玻璃制成。
本发明的创新之处在于使用钒钼黄分光光度法在微流沟道中实现了对于海水中的磷酸盐含量的实时检测，并且创新性的将检测系统进行了模块化的设计，以便于其中任意一个模块损坏之后可以快速更换迅速恢复整个系统的功能，显著增强了系统的易用性和可维护性。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
1-入口1，2-入口2，3-入口3，4-过滤器，5-微流沟道，6-出口，7-导管，8-光纤激光器，9-毛细比色管，10-光电感应器，11-连接线，12-光谱仪，13-废液池。
图2 为本发明液体混合模块液体混合效果图；
图3 为数据分析模块中光谱仪检测到的指示剂与待测液发生显色反应后激光入射与出射的光谱；
图4 为利用该检测器测得的磷酸盐标准液浓度与吸光度的关系图。
具体实施方式
本发明中所使用的光流控液体混合模块，其制作技术是标准紫外光刻技术。先根据设计软件画好的图形制作掩模版，然后通过紫外光刻技术，将图形显影于PDMS模具上。再在PDMS模具上浇注未凝固的PDMS，在75摄氏度的温度下热烘1小时即可凝固，得到PDMS芯片的半成品。经过切割以及通过等离子火焰加工与载玻片粘合便得到了本发明所需要的光流控液体混合模块。
本发明所述的钒钼酸铵指示剂的配置方法是:称取偏钒酸铵0.2g, 加硝酸250mL溶解。另取钼酸铵4 g加蒸馏水400mL溶解, 冷却后将此溶液倒入上述溶液, 加蒸馏水稀释至1 000mL, 避光保存。如生成沉淀, 则不能使用。
在利用本发明进行对水中的磷酸盐含量检测的时候，步骤如下：
1.先从入口将超纯水泵入芯片中，流速为30µl/min，持续1min，对沟道进行清洁，同时也可以作为参考背景，启动光电检测模块和数据分析模块，记录下此时光电感应器接收到的光强信号。
2.在清洗结束后先从入口将指示剂泵入混合器，流速为30µl/min，然后从入口处将过滤后的待测液（尤其是针对海水样本）泵入混合器，流速也是30µl/min，持续2min，以使待测液与指示剂充分混合反应。
3.再次记录光强信号，并与第一步时的光强信号进行比较相减得到吸光度的值。利用朗伯比尔定律定量计算出磷酸盐的浓度。也可以采用先绘制磷酸根标准液与吸光度曲线表的方法，通过查询表格和曲线得到待测溶液的磷酸根浓度。
本发明方法通过在微流沟道中使磷酸根离子与钼酸盐和偏钒酸盐在酸性环境中发生显色反应，生成稳定的黄色化合物三元杂多酸钒钼磷酸，该生成物在酸性环境中性质稳定，在385nm附近有较强的吸收峰，便于使用分光光度法进行分析，其摩尔吸光系数为3.6×103mol-1cm-1。根据朗伯比尔定律，光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关，在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光，因此在稀溶液中（浓度小于0.01mol/L）吸光度可以用来定量计算溶液中的磷酸盐浓度。该方法具有选择性好、灵敏度高、精确、稳定可靠等优点，同时又结合了微流控芯片的微米级检测精密结构，因而能大大降低设备的尺寸和能耗，使用微量的试剂消耗（微升，纳升）进行快速的磷酸盐检测。

Claims (5)

1.一种基于钒钼黄分光光度法测定海水中磷含量的光流控检测器，其特征在于，由三个模块组成，三个模块分别是液体混合模块，光电检测模块和数据分析模块；
液体混合模块的主体部分是串联的多段弯折的微流沟道，它有三个入口和一个出口，三个入口分别引入待测液、指示剂和超纯水，引入待测液的入口安装有过滤器，出口是所有液体的出口；
光电检测模块由光纤激光器，光电传感器和毛细比色管组成，毛细比色管的入口与液体混合模块的出口相连接，毛细比色管的出口与废液池连接，所述光纤激光器和广电传感器分别处在毛细比色管的两端；
数据分析模块是一台光谱仪，它可以记录光电传感器感应到的光强度，然后与激光标准强度进行比对得到吸光度的值。
2.根据权利要求1所述的光流控检测器，其特征在于，所述液体混合模块中，入口沟道宽度为150µm，多段弯折的微流沟道的每段长度为5mm，宽度为300µm。
3.根据权利要求1所述的光流控检测器，其特征在于，光电检测模块的毛细比色管内半径为1mm，长度为8mm。
4.根据权利要求1所述的光流控检测器，其特征在于，待测液是含有磷酸根离子的海水，指示剂是钒钼酸铵指示剂。
5.根据权利要求1所述的光流控检测器，其特征在于，液体混合模块芯片是由有机材料聚二甲基硅氧烷制成，毛细比色管是由石英玻璃制成。
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