CN107894416A

CN107894416A - 一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养成分含量的方法

Info

Publication number: CN107894416A
Application number: CN201711266785.7A
Authority: CN
Inventors: 朱永恒; 蔡海洁; 李佳洁; 何鸿海; 赵勇
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University; Shanghai Ocean University
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2018-04-10

Abstract

本发明公开了一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养成分含量的方法，其设备包括带有摄像头的智能手机，具体包括反应芯片制作、显色以及数据检测三步，集成了样品检测、图像识别、数据分析和检测结果输出等功能,可有效实现水果品质的实时快速检测。

Description

一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养成分含量的方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种利用纸基微流控芯片法快速检测水果中营养成分含量的方法。

背景技术

随着膳食结构改善和消费观念改变，消费者对水果的营养品质要求越来越高。维生素C、果糖等营养成分均广泛存在于新鲜的水果中。而对于此类营养成分，传统的检测方法需要较多的专业辅助器材、检测步骤繁琐且具有一定操作难度，存在项目单一、操作不方便、耗时长和成本高等缺点，不能满足快速检测的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服上述问题，提出一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养成分含量的方法，集成了样品检测、图像识别、数据分析和检测结果输出等功能,可有效实现水果品质的实时快速检测。

本发明所提出的一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养成分含量的方法，其设备包括带有摄像头的智能手机，所述方法具体包括如下步骤：

第一步，反应芯片制作，按基板形状雕刻载玻片，取若干形状与载玻片花形匹配的纤维素纸装入载玻片，纤维素纸表面进行亲水性聚乙二醇处理，并滴加0.10～0.80μL显色试剂，静置5～10min后待其自然风干；

第二步，显色，取待测水果的果汁1～10uL，将果汁滴加于功能化纸基微流控芯片表面，静置后显色；

第三步，数据检测，手机利用摄像头拍摄功能化纸基微流控芯片的数字图片，并对图片中的各显色区域的相对灰度值，根据相对灰度与浓度的线性关系计算出营养成分含量，将结果显示于手机屏幕上。值得注意的是，智能手机中可以通过APP实现上述步骤，该App的开发可以基于android平台和opencv(Open Source Computer Vision Library)图像处理库，所采用的计算机语言可以是java、C++语言。

进一步的，所述营养成分为维生素C和/或果糖，所述显色试剂为菲罗啉试剂或谢里瓦诺夫试剂。需要指出的是，检测水果中的维生素C和果糖所依据原理不同，所使用显色试剂不同。

维生素C的显色反应是利用其还原性将Fe³⁺还原为Fe²⁺，Fe²⁺可与1,10-菲罗啉反应并生成红色络合物，故选择1,10-菲罗啉溶液和硫酸铁溶液作为显色剂。而果糖的显色反应是基于其在酸性条件下，脱水生成羟甲基糠醛，羟甲基糠醛可与间苯二酚结合生成红色化合物，故选择使用Seliwanoff即间苯二酚盐酸溶液试剂作为显色剂。

在检测果糖的过程中，

进一步的，反应芯片制作步骤中，功能化纸基微流控芯片的制备方法包括如下步骤：

第一步，雕刻，按基板形状在载玻片表面利用激光雕刻连接疏水通道的反应区域；

第二步，嫁接，通过原子转移自由基聚合反应将亲水性聚乙二醇嫁接到纤维素纸表面，得到亲水纤维素纸；

第三步，成型，采用激光雕刻法切割亲水纤维素纸制，将其装入载玻片及基板。

更进一步的，为了为提高微流控芯片的亲水性，功能化纸基微流控芯片的制备方法还包括如下步骤，在载玻片上修饰烯丙基三甲氧基硅烷，在刻有花形的基板上涂上聚二甲基硅氧烷，显色试剂滴入反应区域。

进一步的，功能化纸基微流控芯片表面包括若干反应区域，所述反应区域通过相互连通的疏水通道形成雪花片结构，果汁滴入雪花片结构中心，由中心处通过疏水通道进入四周的反应区域。

进一步的，数据检测检测步骤中，检测结果通过如下步骤得到：

第一步，图像处理，通过RGB-XYZ-Lab的公式换算，将RGB图像转换到Lab颜色空间，得到显色区域对应Lab色彩空间的灰度值；

第二步，图像对比，手机根据在Lab色彩空间下功能化纸基微流控芯片测得的灰度值与维生素C和/或果糖的浓度的线性关系关系式计算出水果样品中维生素C和/或果糖的含量。

附图说明

图1是本发明的功能化纸基微流控芯片的花形结构图。

图2是本发明测得的五种常见水果中果糖含量柱状图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述上述技术方案的实施过程。

一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养成分含量的方法，制备聚乙二醇功能化纸基微流控芯片并向功能化纸基微流控芯片反应区域滴加0.10-0.80uL显色试剂，静置5-10min，待其自然风干；

榨取待测水果果汁，取1-10uL滴加与功能化纸基微流控芯片中心区域，果汁样品通过芯片自身疏水通道到达检测区域与显色试剂接触反应显色，反应区域的灰度值与果汁样品中维生素C和果糖含量呈线性相关；

待反应完全，启动手机App，调用摄像功能进行拍照，获取功能化纸基微流控芯片检测区域的RGB色彩图像，应用阈值分割算法将色彩图像转化为灰度图像，从而得到显色区域的灰度值，即通过RGB-XYZ-Lab的公式换算,将RGB图像首先转换到Lab颜色空间，得到显色区域对应Lab色彩空间的灰度值；

根据在Lab色彩空间下功能化纸基微流控芯片测得的灰度值与维生素C和果糖的浓度的线性关系关系式计算出水果样品中维生素C和果糖的含量；将检测结果以表格形式显示与手机屏幕上。

而相较于普通纸基微流控芯片，功能化芯片具有更强的亲水性。在制备时为提高微流控芯片亲水性，需要用聚二甲基硅氧烷作为疏水性材料结合普通滤纸制备纸基微流控芯片，并优化其工艺条件，步骤大致为：

(1)在载玻片上修饰烯丙基三甲氧基硅烷；

(2)将刻有花形的基板上涂上PDMS；

(3)用激光切割方法按照基板形状准确在载玻片上刻出花形结构；

(4)通过原子转移自由基聚合反应将具有高亲水性能的聚乙二醇嫁接到纸基微流控芯片表面，得到亲水纸基；

(5)用激光雕刻将纤维素纸制作成花纹形状放入载玻片结构中，即可应用于流体检测。通过激光雕刻的方法得到雪花形状的功能化纸基微流控芯片，可同时检测六个个样品，其中一个作为空白对照区域，可同时实现五种水果的检测。功能化纸基微流控芯片的花形结构如图1所示，反应区域位于周围。

本发明的方法检测水果中的维生素C和果糖含量的具体应用见以下各实施例：

实施例1

应用功能化纸基微流控芯片检测柠檬中维生素C的含量，其过程和步骤如下：

分别取0.10-0.80uL1,10-菲罗啉试剂和硫酸铁试剂滴加至功能化纸基微流控芯片反应区域，静置5-10min待其自然风干，榨取柠檬汁，用移液枪量取1-10uL果汁滴加到功能化纸基微流控芯片中心区域，待液体流入检测区域，发生颜色反应，打开手机App，开启摄像镜头，扫描功能化纸基微流控芯片采集图片信息,待App界面显示计算结果即可得到柠檬所含维生素C的含量。

实施例2

应用功能化纸基微流控芯片检测香梨中果糖的含量，其过程和步骤如下：

取0.10-0.80uLSeliwanoff滴加至功能化纸基微流控芯片反应区域，静置5-10min待其自然风干，榨取香梨果汁，用移液枪量取1-10uL果汁滴加到功能化纸基微流控芯片中心区域，待液体流入到检测区域，将纸基芯片放入烘箱中，待烘烤几分钟后，待其显色完全，取出纸基微流控芯片；打开手机App，开启摄像镜头，扫描芯片采集图片信息,待App界面显示计算结果即可得到香梨中所含果糖的含量。

实施例3

应用功能化纸基微流控芯片检测五种常见水果中果糖的含量，其过程和步骤如下：

取0.10-0.80uLSeliwanoff滴加至功能化纸基微流控芯片反应区域，静置5-10min待其自然风干，分别将柠檬、香梨、苹果、梨和香蕉去皮，保留可食用部分，用榨汁机将果肉榨成汁，移液枪分别量取1-10uL不同种类水果的果汁滴加到功能化纸基微流控芯片检测区域；将纸基芯片放入烘箱中，待烘烤几分钟后，待其显色完全，取出纸基微流控芯片；打开手机App，开启摄像镜头，扫描功能化纸基微流控芯片采集图片信息,待App界面显示计算结果即可得到五种水果所含果糖的含量。

以果糖为例，通过上述步骤测得的几种常见水果的果糖含量如图2所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养成分含量的方法，其设备包括带有摄像头的智能手机，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

1)反应芯片制作，按基板形状雕刻载玻片，取若干形状与载玻片花形匹配的纤维素纸装入载玻片，纤维素纸表面进行亲水性聚乙二醇(PEG)处理，并滴加显色试剂，静置后待其自然风干；

2)显色，取待测水果的果汁若干，将果汁滴加于功能化纸基微流控芯片表面，静置后显色；

3)数据检测，手机利用摄像头拍摄功能化纸基微流控芯片的数字图片，并对图片中的各显色区域的相对灰度值，根据相对灰度与浓度的线性关系计算出营养成分含量，将结果显示于手机屏幕上。

2.根据权利要求1所述的一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养含量的方法，其特征在于，所述营养成分为维生素C和/或果糖，所述显色试剂为菲罗啉试剂或谢里瓦诺夫(Seliwanoff)试剂。

3.根据权利要求1所述的一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养含量的方法，其特征在于，反应芯片制作步骤中，功能化纸基微流控芯片的制备方法包括如下步骤：

a)雕刻，按基板形状在载玻片表面利用激光雕刻连接疏水通道的反应区域；

b)嫁接，通过原子转移自由基聚合反应将亲水性聚乙二醇嫁接到纤维素纸表面，得到亲水纤维素纸；

c)成型，采用激光雕刻法切割亲水纤维素纸制，将其装入载玻片及基板。

4.根据权利要求3所述的一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养含量的方法，其特征在于，功能化纸基微流控芯片的制备方法还包括如下步骤，在载玻片上修饰烯丙基三甲氧基硅烷，在刻有花形的基板上涂上聚二甲基硅氧烷(PDMS)，显色试剂滴入反应区域。

5.根据权利要求2所述的一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养含量的方法，其特征在于，功能化纸基微流控芯片表面包括若干反应区域，所述反应区域通过相互连通的疏水通道形成雪花片结构，果汁滴入雪花片结构中心。

6.根据权利要求1所述的一种利用手机和功能化纸基微流控芯片检测水果中营养含量的方法，其特征在于，数据检测检测步骤中，检测结果通过如下步骤得到：

i)图像处理，通过RGB-XYZ-Lab的公式换算，将RGB图像转换到Lab颜色空间，得到显色区域对应Lab色彩空间的灰度值；

ii)图像对比，手机根据在Lab色彩空间下功能化纸基微流控芯片测得的灰度值与维生素C和/或果糖的浓度的线性关系关系式计算出水果样品中维生素C和/或果糖的含量。