CN108072648B - 一种用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，包括进样单元A、进样单元B和混合消解检测单元。集成了两种进样方式和混合消解检测一体化检测，整个仪器的体积小，维护量低，流道的体积小、携带的污染低、管道的转接头少，集成化的液路系统，减小在线组装工作量。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测设备领域，尤其涉及一种用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统。
背景技术
水环境监测对象种类繁多，总氮总磷是水质监测的两个重要常规指标，总氮指的是水中有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的总和，主要来自农业生产中的化肥流失。总磷是水中各种形态的磷的总和，其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。总氮总磷超标会引起湖泊、河流等水体富营养化，藻类过度生长，水质变坏，发生水华或者赤潮，无法饮用。
目前在线测量总氮总磷的设备需要将未经过滤的水样消解，消解时，测试的溶液在高温高压的环境下将水样中的氮，包括溶解的、颗粒的、有机的和无机磷全部氧化为正磷酸盐、水样中的含氮化合物完全转化为硝酸盐，然后再与其他试剂混合后在一定波长下测定吸光度，计算得到总氮总磷的含量。
然而常规在线总氮总磷的仪器试剂消耗量大，化学法测量总氮总磷消耗的试剂以及反应完后排出的废液对环境存在严重的污染。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，包括进样单元A、进样单元B和混合消解检测单元，所述进样单元A和所述进样单元B分别与所述混合消解检测单元连接，所述混合消解检测单元用于水样的消解和检测；所述进样单元A包括芯片基板A、联排阀，所述芯片基板A中设有流道管路，流道管路的入口端与所述联排阀连接，流道管路的出口端与所述混合消解检测单元连接；所述进样单元B包括芯片基板B、空气泵、多通道蠕动泵、试剂瓶和两位三通电磁阀，所述芯片基板B中设有多个不同规格的试剂定量通道，一个试剂瓶对应一个试剂定量通道，每个试剂定量通道的入口端和出口端均连接有1个两位三通电磁阀，试剂定量通道的入口端通过两位三通电磁阀后分为两路分别与空气泵和连接有多通道蠕动泵的对应试剂瓶连接，试剂定量通道的出口端通过两位三通电磁阀后分为两路分别与混合消解检测单元和对应试剂瓶连接。
优选地，所述芯片基板A为PDMS芯片。
优选地，所述芯片基板A中还设有芯片泵，所述芯片泵用于控制所述芯片基板A中流道管路中的液体流量。
优选地，所述芯片基板B为有机玻璃芯片。
优选地，所述混合消解检测单元包括TEC，所述TEC用于对所述混合消解检测单元进行加热和降温。
优选地，所述混合消解检测单元还包括阵列紫外灯。
优选地，所述空气泵还设有空气过滤器，所述空气泵通过所述空气过滤器与所述试剂定量通道连接。
本发明具有以下有益效果：
(1)传统仪器的试剂消耗量大，污染严重的问题。采用微流控芯片集成系统流道体积减小，减少了试剂的使用量，传统的两周的试剂消耗量可以供给微流控芯片集成系统1个月以上，消减了废液污染，降低了使用成本。
(2)使用芯片泵以及空气泵实现不同数量级试剂体积的精确定量，无需校准，避免了蠕动泵长时间运行定量不准确带来误差。所有流路单独设计集成在一块有机玻璃上，实现了设备小型化以及避免了试剂之间的交叉污染，微流控有机玻璃面板内部的流路采用的光滑加工处理，无死角，避免了流动清洗不彻底。
(3)两种进样方式和混合消解检测一体化检测维护量低，流道的体积小、携带的污染低、管道的转接头少，集成化的液路系统，减小在线组装工作量；两种定量进样方式针对不同理化性质的试剂以及实际使用体积独立进样，避免了试剂的交叉污染，芯片泵和空气泵定量都集成在微流基板上，转接管路极少，减小了管路残留和损失，极大的减小了常规仪器的体积。
(4)两种进样方式和消解检测均为模块化设计，组装方便，可以根据检测指标的不同自由组合搭配，消解检测也可以通过更换光源和滤光片实现氨氮等其他指标的在线检测。混合消解检测单元可以实现水样的消解和检测，集成了TEC加热和深紫外混合加热消解，检测采用氙灯光源和两片滤光片实现了总氮总磷的检测。为加快检测速度，使用TEC对整个模块进行降温，最终样品温度恒定25℃检测，避免了温度过高和过低检测不稳定的现象。TEC是内置在检测模块底部，深紫外灯是贴合在检测模块的两个对应的侧面，检测光源和滤光片是在检测模块的另外两个侧面，整个检测体系的体积仅有2ml，减小了仪器的体积。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
如图1所示，本发明提供了一种用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，包括进样单元A、进样单元B和混合消解检测单元，进样单元A和进样单元B分别与混合消解检测单元连接，混合消解检测单元用于水样的消解和检测；进样单元A包括芯片基板A 1、联排阀4，芯片基板A 1为PDMS芯片，芯片基板A 1中设有流道管路3，流道管路3的入口端与联排阀4连接，流道管路3的出口端与混合消解检测单元连接；联排阀4连接水样通道、纯净水通道、清洗液通道和/或备用通道，通过控制联排阀4控制上述液体进入流道管路3。在该芯片基板A1上还设有芯片泵1，芯片泵1用于控制芯片基板A 1中流道管路3中的液体流量，芯片泵1是集成在芯片基板A 1上的蠕动泵，泵管是芯片的一部分，主要功能是对水样以及纯水、清洗液等非腐蚀性溶液进行准确的计量，适用于毫升级的大体积液体计量，水样、纯净水、清洗液通过芯片泵1进入消解检测单元。
进样单元B包括芯片基板B 14、空气泵9、多通道蠕动泵6、试剂瓶和两位三通电磁阀5，芯片基板B 14为有机玻璃芯片，芯片基板B 14中设有多个试剂定量通道10，由于检测过程需要不同试剂不同的体积，因此试剂定量通道10的规格不同，试剂定量通道10规格(即体积)固定，从而实现试剂的定量，如同定量环一样的原理。一个试剂瓶对应一个试剂定量通道10，每个试剂定量通道10的入口端和出口端均连接有1个两位三通电磁阀5，试剂定量通道10的入口端通过两位三通电磁阀5后分为两路分别与空气泵9和连接有多通道蠕动泵6的对应试剂瓶连接，试剂定量通道10的出口端通过两位三通电磁阀5后分为两路分别与混合消解检测单元和对应试剂瓶连接。空气泵9用于将试剂定量通道10中的液体泵入混合消解检测单元，多通道蠕动泵6用于将试剂瓶中的试剂泵入试剂定量通道10。通过调节两位三通电磁阀5实现连接管路的切换，初始抽样时，连接方式为：试剂瓶-两位三通电磁阀5-试剂定量通道10-两位三通电磁阀5-试剂瓶，因此过量的试剂会流回试剂瓶，而需要进样时，连接方式为：空气泵9-两位三通电磁阀5-试剂定量通道10-两位三通电磁阀5-混合消解检测单元，试剂定量通道10中定量试剂通过空气泵9被泵入混合消解检测单元。需要说明的是，两位三通电磁阀5的设置可以如图1所示设置在芯片中，也可以设置在芯片边缘，即芯片外的试剂瓶通过转换接口直接与两位三通电磁阀5连接，而无需如图1所示，试剂瓶连接转换接口，再经过设置在芯片中的流道与两位三通电磁阀5连接。空气泵9还设有空气过滤器8，空气泵9中空气经过空气过滤器8过滤后，通过空气管路7与试剂定量通道10连接。
在本实施例中，设有5个试剂定量通道10，即5个试剂瓶，分别装载过硫酸钾、氢氧化钠、抗坏血酸、钼酸盐、盐酸这5个试剂，多通道蠕动泵6抽取过量的过硫酸钾、氢氧化钠、抗坏血酸、钼酸盐、盐酸进入试剂定量通道10，过量的试剂重新流道试剂瓶，试剂充满试剂定量通道10后，两位三通电磁阀5切换位置，空气泵9运行，经过空气过滤器8的空气通入有机玻璃芯片流道，把试剂定量通道10的试剂分别泵入混合消解单元。
混合消解检测单元包括石英比色皿13、氙灯光源、准直透镜、880nm滤光片、220nm滤光片、光电传感器，混合消解检测单元底部内置了可以加热和降温的TEC 11(半导体制冷器)，消解单元的侧壁上还贴合了微型阵列紫外灯12，该紫外灯是深紫外275nm微型阵列紫外灯，体积更小(8*14*3mm)。检测单元的另外两个侧面上的氙灯光源和220nm滤光片实现总氮总磷的检测。
本系统的使用方式举例如下：(1)总磷的检测：水样(进样单元A)和过硫酸钾试剂(进样单元B)逐次加入到混合消解检测单元，开启加热TEC 11(95℃)和深紫外灯实现高效消解效率，十分钟后停止加热关闭紫外灯，TEC 11反向通电实现降温，五分钟后空气泵9打入定量的抗坏血酸和钼酸盐反应五分钟后直接检测，检测方式通过检测单元的另外两个侧面上的氙灯光源和880nm滤光片实现总磷的检测。检测完成后通纯净水清洗排空。
(2)总氮的检测：定量的水样和过硫酸钾、氢氧化钠试剂逐次加入到混合消解检测单元，开启加热TEC 11和深紫外灯消解，十分钟后停止加热关闭紫外灯，TEC 11反向通电实现降温，五分钟后空气泵9打入定量的盐酸，反应五分钟后直接检测。检测方式通过检测单元的另外两个侧面上的氙灯光源和220nm滤光片实现总氮的检测。检测完成后通纯净水清洗排空。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，其特征在于，包括进样单元A、进样单元B和混合消解检测单元，
所述进样单元A和所述进样单元B分别与所述混合消解检测单元连接，所述混合消解检测单元用于水样的消解和检测；
所述进样单元A包括芯片基板A（2）、联排阀（4），所述芯片基板A（2）中设有流道管路（3）、芯片泵（1），所述流道管路（3）的入口端与所述联排阀（4）连接，所述流道管路（3）的出口端与所述混合消解检测单元连接；所述芯片泵（1）用于控制所述流道管路（3）中的液体流量，水样、纯净水、清洗液通过所述芯片泵（1）进入所述混合消解检测单元；
所述进样单元B包括芯片基板B（14）、空气泵（9）、多通道蠕动泵（6）、试剂瓶和两位三通电磁阀（5），所述芯片基板B（14）中设有多个不同规格的试剂定量通道（10），一个试剂瓶对应一个所述试剂定量通道（10），每个所述试剂定量通道（10）规格固定，从而实现试剂的定量；
每个所述试剂定量通道（10）的入口端和出口端均连接有1个所述两位三通电磁阀（5），所述试剂定量通道（10）的入口端通过所述两位三通电磁阀（5）后分为两路分别与所述空气泵（9）和连接有所述多通道蠕动泵（6）的对应试剂瓶连接，所述试剂定量通道（10）的出口端通过所述两位三通电磁阀（5）后分为两路分别与所述混合消解检测单元和对应试剂瓶连接；
通过调节所述两位三通电磁阀（5）实现连接管路的切换；
初始抽样时，连接方式为：试剂瓶-两位三通电磁阀（5）-试剂定量通道（10）-两位三通电磁阀（5）-试剂瓶，所述多通道蠕动泵（6）用于将试剂瓶中的试剂泵入所述试剂定量通道（10），使所述试剂定量通道（10）充满试剂液体实现定量，过量的试剂流回试剂瓶；
进样时，连接方式为：空气泵（9）-两位三通电磁阀（5）-试剂定量通道（10）-两位三通电磁阀（5）-混合消解检测单元，所述空气泵（9）用于将所述试剂定量通道（10）中定量的试剂液体泵入所述混合消解检测单元。
2.如权利要求1所述的用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，其特征在于，所述芯片基板A（2）为PDMS芯片。
3.如权利要求1所述的用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，其特征在于，所述芯片基板B（14）为有机玻璃芯片。
4.如权利要求1所述的用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，其特征在于，所述混合消解检测单元包括TEC（11），所述TEC（11）用于对所述混合消解检测单元进行加热和降温。
5.如权利要求4所述的用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，其特征在于，所述混合消解检测单元还包括阵列紫外灯（12）。
6.如权利要求1所述的用于检测总氮总磷的微流控芯片集成系统，其特征在于，所述空气泵（9）还设有空气过滤器（8），所述空气泵（9）通过所述空气过滤器（8）与所述试剂定量通道（10）连接。
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