CN107144559B - 基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开微流控技术和农药残留检测技术领域中的一种基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置及方法，将待检样品加入切割搅拌装置切割和搅拌得到样品混合液，蒸馏水滴加在左进样口吸水垫处，经纸质通道到达石灰加热区，石灰加热区对纸芯片进行加热，样品混合液滴加到左进样口吸水垫处，经疏水通道后先与乙酰胆碱固定物结合，再经左纸质通道与乙酰胆碱酯酶发生抑制反应并显色，光电检测装置对显色液检测，检测信号经控制器处理得出农药的浓度；本发明将进样、加热、反应和显色于一体，检测成本低，检测迅速且精确度高。

Description

基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置及方法

技术领域

本发明涉及微流控技术和农药残留检测技术领域，采用流控芯片对农药残留进行检测。

背景技术

目前，农药仍是农作物防治病虫害的主要方法，然而它具有危害性高，残留毒素不易检测的特点，其广泛的使用也引发了一系列食品安全及环境污染问题。因此，如何快速、高效、准确地进行农药残留的检测已成为当下迫在眉睫的关键性问题。

对农药残留检测一般采用一次性速测卡检测，虽然成本低，但存在着需要人为按压才能使反应物充分接触的问题，极容易造成实验的污染；另外，由于检测所用的酶的最适宜温度在37℃左右，所以仅凭人工操作无法准确控制，造成相应反应时间延长，影响检测精度，检测的结果也不精确，只能凭肉眼通过比色卡来对比判断，自动化程度低，需要有专门的从业人员来检测。

发明内容

本发明针对当前农药残留检测采用传统速测卡存在的缺陷，提出一种基于多层纸质微流控芯片的自动化、便携式农药残留检测装置和该装置的检测方法，以解决现有速测卡自动化程度不高、检测精确度不够的问题，实现农药残留的快速、方便、自动化、精确检测。

本发明基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置采用技术方案是：包括装有洗脱液的左密封瓶和装有蒸馏水的右密封瓶，左密封瓶底部通过第一导管3连接切割搅拌装置，第一导管上装有第一电动阀门，右密封瓶底部通过第二导管连接切割搅拌装置，第二导管上装有第二电动阀门，右密封瓶底部通过第三导管连接下方的右滴管，第三导管上装有第三电动阀门，切割搅拌装置经第四导管与外部大气相通，第四导管上装有第四电动阀门， 切割搅拌装置的底部经过滤装置连接下方的左滴管，左滴管和右滴管下方设有纸芯片，纸芯片顶面设有位于左滴管正下方的左进样口吸水垫和位于右滴管正下方的右进样口吸水垫，左进样口吸水垫的底部以疏水通道连接乙酰胆碱固定物，左纸质通道的一端接触叠放在乙酰胆碱固定物的正下方，右进样口吸水垫的正下方接触右纸质通道的一端，右纸质通道的另一端连接石灰加热层，石灰加热层的正下表面依次接触叠放乙酰胆碱酯酶及显色剂固定物和左纸质通道的另一端，左纸质通道的另一端的正下方是在纸芯片底面上的显色区，显色区的正下方设有光电检测装置；控制器分别控制第一、第二、第三、第四电动阀门、切割搅拌装置和光电检测装置。

所述基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置的检测方法采用技术方案是包括以下步骤：

A、将待检样品加入切割搅拌装置中并封口，控制器控制第一、第二电动阀门打开，洗脱液和蒸馏水进入切割搅拌装置中切割和搅拌得到样品混合液，关闭第一、第二电动阀门；

B、开启第三电动阀门，蒸馏水滴加在左进样口吸水垫处，经纸质通道到达石灰加热区，石灰加热区对纸芯片进行加热；

C、开启第四电动阀门，样品混合液滴加到左进样口吸水垫处，经疏水通道后先与乙酰胆碱固定物结合，再经左纸质通道与乙酰胆碱酯酶发生抑制反应并显色，显色液积聚在显色层；

D、光电检测装置对显色层的显色液进行检测，检测的信号输送给控制器，信号经控制器对信号处理后得出农药的浓度。

本发明与已有技术相比具有如下优点：

1、本发明基于微流控及光电检测技术，运用农药尤其是有机磷类农药对乙酰胆碱酯酶的抑制原理，采用纸质微流控芯片和外围的自动化进样装置，集进样、加热、反应和显色于一体，检测成本低，时间短，装置体积小，可便携，无需专门的从业人员操作，检测精度大大提高。

2、本发明农药残留检测装置对样品的切割搅拌、试剂流量的控制、芯片一体式反应和光电检测于一体，自动化程度高。

3、本发明农药残留检测装置中的芯片内置石灰粉加热层，确保反应过程中酶的活性，使反应迅速、高效。

4、本发明农药残留检测装置采用光电检测技术，用步进电机对激光二极管进行角度的调节，以获得更为精确的检测结果，检测迅速且精确度高。

5、本发明农药残留检测装置采用控制器实时控制进样等环节，实现良好的人机一体化。

6、本发明农药残留检测装置可对外围装置中给芯片滴加试剂的滴管位置进行相应的水平调整。

7、本发明农药残留检测装置可适应不同水平位置的工作，光电检测黑箱外包有弹性袋，保证检测芯片始终处于水平位置，以确保检测的效果。

8、本发明农药残留检测装置中的切割搅拌装置采用半密封结构，加样后立即密封，过滤装置设置双重过滤，过滤装置下设置长软管，由于整体呈密封状态，以确保不会发生下渗，只能通过打开切割搅拌装置上部电动阀门，利用大气压使液体下流。

附图说明

图1是本发明基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置的总体结构示意图；

图2是图1中切割搅拌装置42和过滤装置57的内部结构放大图；

图3是图1中木条18以及与木条18相连接的关联部件的俯视放大图；

图4是图1中纸芯片24的内部结构放大图；

图5是图1中检测黑箱21的内部结构放大图；

图6是图1所示农药残留检测装置的控制线路连接示意图。

附图中各部件的序号和名称：

1.左柱状体；2.导管；3.导管；4.左夹子；5.右夹子；6左密封瓶；7.右密封瓶；8.电动阀门；9.导管；10.T型固定物；11.螺丝；12.长夹子；13.中空软塞；14.右滴管；15.纸芯片放置台；16.长螺丝；17.右柱状体；18.木条；19.箱体；20.弹性袋；21.检测黑箱；22.左进样吸水垫；23.右进样口吸水垫；24.纸芯片；25.固定块；26.固定架；27.右纸质通道；28.石灰加热层；29.乙酰胆碱固定物；30.左纸质通道；31.显色区；32.卡子；33.疏水通道；34.乙酰胆碱酯酶及显色剂固定物；35.切割刀片；36.电机；37.粗网孔过滤口；38.松弹簧部分；39.紧弹簧上部分；40.细网孔过滤口；41.紧弹簧下部分；42.切割搅拌装置；43.电动阀门；44.电动阀门；45.支撑板；46.电动阀门；47.左滴管；48.电动阀门；49.光电检测装置；50.控制器；51.底部开口；52.光电接收器；53.步进电机；54.卡槽；55.激光二极管；56.软管；57.过滤装置。

具体实施方式

参见图1，本发明基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置的左右各有一个竖直的柱状体，分别是左柱状体1和右柱状体17，这两个柱状体都是由硬塑材料制作而成，对装置的整体结构起层次固定作用。这两个柱状体的上端各用一个夹子分别固定连接一个密封瓶，两个密封瓶面对面布置，左柱状体1用左夹子4固定连接左密封瓶6，右柱状体17用右夹子5固定连接右密封瓶7，左密封瓶6中装有洗脱液，右密封瓶7中装有蒸馏水。

左密封瓶6的底部通过导管3连接且连通切割搅拌装置42，在导管3上安装电动阀门8，电动阀门8通过控制线连接控制器50。切割搅拌装置42位于左密封瓶6和右密封瓶7的下方，切割搅拌装置42放置在支撑板45上，支撑板45固定连接在左柱状体1和右柱状体17上。

右密封瓶7底部通过导管2连接且连通切割搅拌装置42，在导管2上安装电动阀门43，电动阀门43通过控制线连接控制器50。右密封瓶7底部还通过导管9连接下方的右滴管14，导管9上安装电动阀门44，电动阀门44通过控制线连接控制器50。

切割搅拌装置42顶部还连接与外部大气相通的导管，在该导管上安装电动阀门46，电动阀门46通过控制线连接控制器50。

切割搅拌装置42的底部连接过滤装置57，过滤装置57经较长的软管56连接下方的左滴管47。左滴管47和右滴管14左右布置，均固定连接在一根水平的木条18上。木条18的左端能左右移动地连接于左柱状体1。

在左滴管47和右滴管14的下方是一个箱体19，箱体19固定连接于左柱状体1和右柱状体17。箱体19的内部设有中间弹性袋20和电源模块48，中间弹性袋20内装有检测黑箱21，纸芯片24、纸芯片放置台15和光电检测装置49均置放在检测黑箱21内部，检测黑箱21分为两层，上层中设有芯片放置台15和纸芯片24，纸芯片24放置在芯片放置台15内部，下层中设有光电检测装置49，光电检测装置49芯片放置台15的下方。

参见图2，切割搅拌装置42内的底部设有3个互成120度的切割刀片35，切割刀片35连接电机36，电机36安装在切割搅拌装置42的底部外面，电机36通过控制线连接控制器50，由电机36带动切割刀片35旋转，对待检样品进行切割搅拌。切割搅拌装置42的底部连接过滤装置57的上端，过滤装置57由粗网孔过滤口37、松弹簧部分38、紧弹簧上部分39、细网孔过滤口40和紧弹簧下部分41由上至下连接组成，切割搅拌装置42的底部连接过滤装置57的上端，紧弹簧下部分41的下端连接软管56上端，软管56下端连接左滴管47。松弹簧部分38是将一根松弹簧装入较窄的管道内，对切割搅拌后的待检样品混和液进行一重过滤，紧弹簧上部分39、细网孔过滤口40、紧弹簧下部分41是将紧弹簧和细网孔过滤网装入较宽的管道内，对一重过滤后的混和液进行二重过滤，过滤装置57采用了三层弹簧结构，可以在起过滤引流作用的同时减缓液体下渗的速度，起到缓冲作用。

参见图3，能左右移动的木条18穿过左柱状体1，在左柱状体1上的相应位置设有方槽，木条18穿过方槽且能沿方槽左右移动，木条18移动后，通过螺丝16向方槽内拧紧以固定木条18，实现木条18的左右移动可控。在木条18与左滴管47、右滴管14的连接处，左滴管47和右滴管14的顶部进口各用一个中空软塞13塞住进口。对于右滴管14，导管9从上至下穿过中空软塞13的中间通孔，导管9下端连接滴管的出口。对于左滴管14，软管56从上至下穿过左滴管14的中空软塞13的中间通孔，软管56下端连接滴管的出口。每个中空软塞13各用一个长夹子12夹住，每个长夹子12固定连接一个T型固定物10，T型固定物10又通过螺丝11固定连接在木条18上，使长夹子12也固定在木条18上，从而将左滴管47和右滴管14固定连接水平的木条18上。

参见图4，纸芯片24的顶面开有两个进样口，分别是左进样口和右进样口，左进样口处安装左进样口吸水垫22，右进样口处安装右进样口吸水垫23，左进样口吸水垫22的外径小于右进样口吸水垫23的外径。左进样口吸水垫22的正上方是左滴管47，从左滴管47下滴的液体正好下落在左进样口吸水垫22上，右进样口吸水垫23的正上方是右滴管14，从右滴管14下滴的液体正好下落在右进样口吸水垫23上。左进样口吸水垫22的底部以疏水通道33连接乙酰胆碱固定物29，疏水通道33是中空液体流动通道，乙酰胆碱固定物29位于左进样口吸水垫22的正下方，乙酰胆碱固定物29底部是左纸质通道30的一端，左纸质通道30一端叠放在乙酰胆碱固定物29的正下方，与乙酰胆碱固定物29下表面相接触。左进样口吸水垫22、疏水通道33、乙酰胆碱固定物29和左纸质通道30一端这四者的外径相同。右进样口吸水垫23的正下方是右纸质通道27的一端，右纸质通道27的一端与右进样口吸水垫23下表面相接触。在左进样口吸水垫22和右进样口吸水垫23的旁侧设有石灰加热层28，右纸质通道27的另一端连接石灰加热层28，石灰加热层28是经密封隔离处理过的加热层，仅可通过内部填充的导热材料良好导热。石灰加热层28的正下表面依次叠放乙酰胆碱酯酶及显色剂固定物34和左纸质通道30另一端，石灰加热层28与乙酰胆碱酯酶及显色剂固定物34上表面相接触，乙酰胆碱酯酶及显色剂固定物34与左纸质通道30另一端的上表面相接触。在左纸质通道30另一端的正下方是显色区31，显色区31在纸芯片24的底面上，显色区31与左纸质通道30的另一端之间不接触，显色区31的外径比左纸质通道30另一端的的外径略大，以适应光电检测，在显色区31用透光性较好的透明胶带在芯片24底部密封。在纸芯片24的侧壁上设有突出的卡子32，以连接纸芯片放置台15，摆放和固定纸芯片24的位置。

参见图5，纸芯片放置台15为顶部和底部都具有通口的中空结构，纸芯片放置台15的上下高度和纸芯片24的厚度相匹配，顶部开口和纸芯片24上表面大小一致，底部开口51与纸芯片24的显色区31的大小一致。在纸芯片放置台15的上表面还设有两个一端固定、另一端可旋转的固定架26，固定架26另一端的旁侧是固定块25，用以固定住固定架26。纸芯片放置台15的侧壁上开有卡槽54，卡槽54和纸芯片24侧壁突出的卡子32相配合，固定纸芯片24的位置。底部开口51的正下方是光电检测装置49，光电检测装置49由光电接收器52、步进电机53和激光二极管55组成，光电接收器52正对上面的底部开口51和显色区31，步进电机53的输出轴通过一个半球体连接激光二极管55，控制激光二极管55的位置，保证激光二极管55与光电接收器52位于同一竖直面上，并且保证激激光二极管55正对上面的底部开口51，也正对显色区31。

参见图6，整个检测装置在控制器50的控制下进行工作，电源模块48为控制器50提供电源，控制器50通过不同的控制线分别连接电动阀门8、电动阀门43、电动阀门44和电动阀门46，定时控制各个电动阀门的通断。控制器50通过控制线连接电机36和步进电机53，通过控制器50上的按键设定激光二极管55的发射角度的调节范围，同时，控制器50为激光二极管55提供电源。光电接收器52通过信号线连接控制器50，将检测到的信号传送回控制器50。

参见图1-6，检测装置检测时，先将纸芯片24放入纸芯片放置台15，将卡子32与卡槽54配合好，再转动固定架26，用固定块25固定好纸芯片24。然后，调节长螺丝16移动木条18的左右位置，再根据纸芯片24的位置，由长夹子12微调好左滴管47和右滴管14的正确位置。再往切割搅拌装置42中加入待检样品，例如加入果蔬样品等，然后密封封口。控制器50发送信号控制电动阀门8和电动阀门43打开，左密封瓶6中的洗脱液经导管3进入切割搅拌装置42中，右密封瓶7中的蒸馏水经导管2也进入切割搅拌装置42中。控制器50控制加入一定的量，当洗脱液和蒸馏水的加入量达到预设量时，控制器50控制电动阀门8和电动阀门43关闭。此时，在重力作用下，由于通道是封闭的，切割搅拌装置42中的液体经过过滤装置57，到达软管56后就不再下渗。控制器50发送信号驱动电机36旋转，对切割搅拌装置42中的样品进行切割和混合处理，直至达到预设的混合时间为止时，得到样品混合液。然后，控制器50开启电动阀门44，右密封瓶7中蒸馏水通过导管9、右滴管14向下滴加在左进样口吸水垫23处，蒸馏水经纸质通道27到达石灰加热区28，石灰加热区28对纸芯片24进行加热。加热的时间是事先经过定量试验和计算确定，通过对石灰加热区28中石灰量和蒸馏水的量，至少有10以上的实验，实验时，当纸芯片24的温度达到37℃时，即是石灰加热区28的加热时间。从带有农残液体滴加到芯片到最后显色，由于检测时间短，所以芯片的温度基本都能维持在37℃左右。当控制器50判断石灰加热区28达到预设的加热时间后，开启电动阀门46，使切割搅拌装置42与外界大气相通，在外界大气压的作用下，切割搅拌装置42内的样品混合液体经过过滤装置57过滤，再通过软管56和左滴管47，将混合液体滴加到左进样口吸水垫22处，带有农残的混合液体经过疏水通道33的下渗，先与乙酰胆碱固定物29充分结合，再经左纸质通道30与乙酰胆碱酯酶及显色剂固定物34上的乙酰胆碱酯酶发生抑制反应并显色，在重力作用下，显色液在底部的显色层31积聚。最后采用光电检测装置49检测显色液，由控制器50控制步进电机53转动，通过半球体调节激光二极管55的角度，使光电接收器52能有效接收到散射光信号，光电接收器52将检测的信号输送给控制器50，控制器50经内部常规的优化算法处理，得出农药的浓度。农药的浓度越高，当农药的浓度超过预设的检出限，说明农药残留超标。

Claims (9)

1.一种基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置，包括装有洗脱液的左密封瓶（6）和装有蒸馏水的右密封瓶（7），其特征是：左密封瓶（6）底部通过第一导管（3）连接切割搅拌装置（42），第一导管（3）上装有第一电动阀门（8），右密封瓶（7）底部通过第二导管（2）连接切割搅拌装置（42），第二导管（2）上装有第二电动阀门（43），右密封瓶（7）底部通过第三导管（9）连接下方的右滴管（14），第三导管（9）上装有第三电动阀门（44），切割搅拌装置（42）经第四导管与外部大气相通，第四导管上装有第四电动阀门（46），切割搅拌装置（42）的底部经过滤装置（57）连接下方的左滴管（47），左滴管（47）和右滴管（14）下方设有纸芯片（24），纸芯片（24）顶面设有位于左滴管（47）正下方的左进样口吸水垫（22）和位于右滴管（14）正下方的右进样口吸水垫（23），左进样口吸水垫（22）的底部以疏水通道（33）连接乙酰胆碱固定物（29），左纸质通道（30）的一端接触叠放在乙酰胆碱固定物（29）的正下方，右进样口吸水垫（23）的正下方接触右纸质通道（27）的一端，右纸质通道（27）的另一端连接石灰加热层（28），石灰加热层（28）的正下表面依次接触叠放乙酰胆碱酯酶及显色剂固定物（34）和左纸质通道（30）的另一端，左纸质通道（30）的另一端的正下方是在纸芯片（24）底面上的显色区（31），显色区（31）的正下方设有光电检测装置（49）；控制器（50）分别控制第一、第二、第三、第四电动阀门（8、43、44、46）、切割搅拌装置（42）和光电检测装置（49）。

2.根据权利要求1所述的基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置，其特征是：过滤装置（57）由粗网孔过滤口（37）、松弹簧部分（38）、紧弹簧上部分（39）、细网孔过滤口（40）和紧弹簧下部分（41）由上至下连接组成，紧弹簧下部分（41）的下端经软管（56）连接左滴管（47）。

3.根据权利要求2所述的基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置，其特征是：左滴管（47）和右滴管（14）固定连接能水平移动的木条（18）上，左滴管（47）和右滴管（14）的顶部进口各塞有一个中空软塞（13），第三导管（9）从上至下穿过右滴管（14）的中空软塞（13）的中间通孔，软管（56）从上至下穿过左滴管（14）的中空软塞（13）的中间通孔，每个中空软塞（13）各用一个长夹子（12）固定连接一根能水平移动的木条（18）。

4.根据权利要求1所述的基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置，其特征是：光电检测装置（49）由光电接收器（52）、步进电机（53）和激光二极管（55）组成，光电接收器（52）正对显色区（31），步进电机（53）的输出轴通过半球体连接激光二极管（55）。

5.根据权利要求1所述的基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置，其特征是：左进样口吸水垫（22）、疏水通道（33）、乙酰胆碱固定物（29）和左纸质通道（30）一端的外径相同。

6.根据权利要求1所述的基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置，其特征是：切割搅拌装置（42）内的底部设有切割刀片（35），切割刀片（35）连接装在切割搅拌装置（42）底部外面的电机（36），电机（36）经控制线连接控制器（50）。

7.根据权利要求1所述的基于多层纸质微流控芯片的农药残留检测装置，其特征是：纸芯片（24）、纸芯片放置台（15）和光电检测装置（49）均置放于检测黑箱（21）内，纸芯片（24）放置在芯片放置台（15）内，检测黑箱（21）装在一个中间弹性袋（20）内。

8.一种如权利要求1所述的农药残留检测装置的检测方法，其特征是包括以下步骤：

A、将待检样品加入切割搅拌装置（42）中并封口，控制器（50）控制第一、第二电动阀门（8、43）打开，洗脱液和蒸馏水进入切割搅拌装置（42）中切割和搅拌得到样品混合液，关闭第一、第二电动阀门（8、43）；

B、开启第三电动阀门（44），蒸馏水滴加在右进样口吸水垫（23）处，经右纸质通道（27）到达石灰加热区（28），石灰加热区（28）对纸芯片（24）进行加热；

C、开启第四电动阀门（46），样品混合液滴加到左进样口吸水垫（22）处，经疏水通道（33）后先与乙酰胆碱固定物（29）结合，再经左纸质通道（30）与乙酰胆碱酯酶发生抑制反应并显色，显色液积聚在显色层（31）；

D、光电检测装置（49）对显色层（31）的显色液进行检测，检测的信号输送给控制器（50），信号经控制器（50）对信号处理后得出农药的浓度。

9.根据权利要求8所述的农药残留检测装置的检测方法，其特征是：步骤B中，事先对石灰加热区（28）中石灰量和蒸馏水的量作定量实验，当加热后纸芯片（24）的温度达到37℃时，即是石灰加热区（28）的加热时间。

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