CN108514899A - 一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统。包括纸基微流控芯片、用于采集纸基微流控芯片检测结果的扫描单元、以及与扫描单元连接的处理单元；所述纸基微流控芯片包括位于底层的滤纸层、位于滤纸层上方的镂空圆形光敏树脂层，所述镂空圆形光敏树脂层包括位于圆心的样本进样口、等间距分布的N个与样本进样口分别连接的分析通道，每一分析通道沿背离样本进样口方向依次设置有预处理区、检测区，所述镂空圆形光敏树脂层还包括N个与检测区相对应的比色参考区，其中，N为正整数。本发明可不依赖与超净无尘实验室即可实现大规模批量制造，成本低于目前同类芯片；且本发明可快速设计和制造，具有便携式和高检测效率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统。
背景技术
伴随着我国经济的迅猛发展以及能源消耗的持续增加，雾霾等极端天气频发，影响着国民身心健康和经济发展潜力。雾霾等极端天气频发，影响着国民身心健康和经济发展潜力。细颗粒物PM2.5是形成雾霾的主要因素之一。同时，空气中悬浮的PM2.5颗粒具有较大的比表面积，对环芳烃等有机物、痕量金属和病毒的吸附能力极强，这将增加健康生命体细胞内发生基因突变和癌变风险。其中，痕量金属可随PM2.5通过呼吸道、皮肤等进入人体内，穿过细胞膜与多种器官亲和使体内蛋白质及各种酶失活，进而损害大脑、肝脏、骨骼和神经系统。准确并高效分析PM2.5的痕量金属元素组分并研究其对健康细胞的毒性作用机制是创新污染治理方法、提升防控水平的重要科学前提。在传统方法中，细颗粒物PM2.5样本制备采集和检测需借助不同设备在不同实验室内完成。典型的痕量金属元素检测仪器是电感耦合等离子体光谱仪、原子吸收光谱仪等，平均试验成本为数百美元，且需要由专业实验人员操纵，检测周期通常为5~10天。因此，传统研究存在着检测成本高、周期长、专业化要求高和样本转运过程中易污染等局限。改进传统检测方法并研制新型检测工具，提高PM2.5痕量金属分析效率和精度具有重要理论研究价值和工程实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，该系统结构简单、成本低、芯片加工工艺简单，可不依赖与超净无尘实验室即可实现大规模批量制造，成本低于目前同类芯片；相应的系统硬件构架可快速设计和制造，具有便携式和高检测效率等优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，包括纸基微流控芯片、用于采集纸基微流控芯片检测结果的扫描单元、以及与扫描单元连接的处理单元；所述纸基微流控芯片包括位于底层的滤纸层、位于滤纸层上方的镂空圆形光敏树脂层，所述镂空圆形光敏树脂层包括位于圆心的样本进样口、等间距分布的N个与样本进样口分别连接的分析通道，每一分析通道沿背离样本进样口方向依次设置有预处理区、检测区，所述镂空圆形光敏树脂层还包括N个与检测区相对应的比色参考区，其中，N为正整数。
在本发明一实施例中，所述滤纸层采用化学分析滤纸。
在本发明一实施例中，所述圆形光敏树脂层的尺寸小于滤纸层，使得圆形光敏树脂层整体覆盖于滤纸层表面。
在本发明一实施例中，所述扫描单元的扫描镜头设于纸基微流控芯片的正上方。
在本发明一实施例中，所述N取12。
在本发明一实施例中，所述扫描单元为手机。
在本发明一实施例中，所述纸基微流控芯片的加工工艺如下：
步骤S1、借助激光切割机将滤纸切成规则方形片状，作为滤纸层；
步骤S2、取0.5 ml光敏树脂滴至单片滤纸，待光敏树脂完全浸润滤纸后用打印纸擦拭滤纸正反表面；
步骤S3、转移滤纸至45 oC水平热板进行烘胶，使滤纸内部光敏树脂完全干燥；
步骤S4、转移滤纸至紫外曝光机进行接触式曝光；
步骤S5、将曝光后滤纸浸没在显影液中，待滤纸图案清晰可见后取出干燥，即得到纸基微流控芯片；
步骤S6、裁取压力膜贴封在纸基微流控芯片单侧，以确保纸基微流控芯片稳定和无渗漏。
在本发明一实施例中，所述光敏树脂采用SU-8 2000.5型光刻胶。
在本发明一实施例中，该系统实现污染物痕量金属快速检测的方法如下：
步骤S01、样本从样本进样口进入纸基微流控芯片，而后沿N个分析通道分别进入预处理区；
步骤S02、样本进预处理区处理后，进入检测区，由于检测区设置的酸碱度条件不同，不同金属物在不同酸碱度条件下进行反应，得到不同颜色的产物；
步骤S03、扫描单元扫描纸基微流控芯片的N个分析通道的检测结果，并传输给处理单元进行处理；
步骤S04、处理单元根据预设程序，即可判断样本的金属含量。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明系统结构简单、成本低、芯片加工工艺简单，可不依赖与超净无尘实验室即可实现大规模批量制造，成本低于目前同类芯片；相应的系统硬件构架可快速设计和制造，具有便携式和高检测效率等优点。
附图说明
图1是本发明纸基微流控芯片布局示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是纸基微流控芯片工艺流程。
图4是纸基微流控芯片加工部分工艺现场示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，包括纸基微流控芯片、用于采集纸基微流控芯片检测结果的扫描单元（可采用手机等其他具有拍摄功能的扫描设备）、以及与扫描单元连接的处理单元；所述纸基微流控芯片包括位于底层的滤纸层1、位于滤纸层上方的镂空圆形光敏树脂层2，所述镂空圆形光敏树脂层2包括位于圆心的样本进样口3、等间距分布的N个（本实例中N取12）与样本进样口3分别连接的分析通道4，每一分析通道4沿背离样本进样口3方向依次设置有预处理区5、检测区6，所述镂空圆形光敏树脂层2还包括N个与检测区6相对应的比色参考区7，其中，N为正整数。所述滤纸层采用化学分析滤纸。所述圆形光敏树脂层的尺寸小于滤纸层，使得圆形光敏树脂层整体覆盖于滤纸层表面。所述扫描单元的扫描镜头设于纸基微流控芯片的正上方。
本发明所述纸基微流控芯片的加工工艺如下：
步骤S1、借助激光切割机将滤纸切成规则方形片状，作为滤纸层；
步骤S2、取0.5 ml光敏树脂（可采用SU-8 2000.5型光刻胶）滴至单片滤纸，待光敏树脂完全浸润滤纸后用打印纸擦拭滤纸正反表面；
步骤S3、转移滤纸至45 oC水平热板进行烘胶，使滤纸内部光敏树脂完全干燥；
步骤S4、转移滤纸至紫外曝光机进行接触式曝光；
步骤S5、将曝光后滤纸浸没在显影液中，待滤纸图案清晰可见后取出干燥，即得到纸基微流控芯片；
步骤S6、裁取压力膜贴封在纸基微流控芯片单侧，以确保纸基微流控芯片稳定和无渗漏。
本发明系统实现污染物痕量金属快速检测的方法如下：
步骤S01、样本从样本进样口进入纸基微流控芯片，而后沿N个分析通道分别进入预处理区；
步骤S02、样本进预处理区处理后，进入检测区，由于检测区设置的酸碱度条件不同，不同金属物在不同酸碱度条件下进行反应，得到不同颜色的产物；
步骤S03、扫描单元扫描纸基微流控芯片的N个分析通道的检测结果，并传输给处理单元进行处理；
步骤S04、处理单元根据预设程序，即可判断样本的金属含量。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明针对目前PM2.5痕量金属检测中存在的问题，基于微制造、微流控技术，提供了一种结构简单、成本低的环保型纸基微流控芯片系统。芯片以普通化学分析滤纸为基体材料，以高疏水性光敏树脂均匀涂布滤纸，应用紫外光刻技术在滤纸上加工亲/疏水通道和功能单元。金属检测基于层析比色法，借助不同金属在特定酸碱度条件下的络合反应，得到特异性颜色的产物。为量化分析反应产物，应用3D打印技术加工芯片测量系统样机，系统借助智能手机镜头捕捉和读取产物图样，通过相应的图像计算软件可对图样作数值处理与分析，反馈得到最终待检测样本中金属含量信息。
本发明的纸基微流控芯片设计：芯片设计采用二维平面结构，试剂预涂布、进样等流体驱动基于纤维滤纸固有的毛细力作用，即未修饰区域（或显影液刻蚀区）保留滤纸亲水性，而光敏树脂固化区则修饰为疏水性。在直径20 mm的圆形工作区域中央设计进样区（φ5.0 mm）；圆周均布12个检测区（φ2.0 mm），检测区与进样区之间通过微流通道（20.0×1.0mm）连接；微流通道中央设计椭圆形（a:3.5 mm, b:1.5 mm）预处理区，用于平衡样本溶液酸碱值或预涂布抗干扰试剂；圆周上在每个检测区相邻15o设计控制组反应区（φ2.0 mm），用以评估实验中的环境背景信号强度，控制组不与任何结构相连通。芯片整体尺寸为25.0×25.0 mm。如图1、2所示，其中，图1标注芯片三维结构和各功能单元布局；图2为芯片布局俯视图。该设计可以同时最多测量12种金属元素含量。芯片设计具体说明如下：芯片外轮廓设计为圆形，为保证不同分析单元内部流阻一致和样本扩散过程无差异，样本进样区唯一且位于圆心，12个分析单元的通道向四周等距发散。此外，芯片上海设计了12个比色参考区，以便后续图像分析中去掉背景信号。
本发明的纸基微流控芯片加工：步骤1.借助激光切割机将滤纸切成规则方形片状；步骤2.取0.5 ml光敏树脂（如SU-8 2000.5型光刻胶）滴至单片滤纸（25.0×25.0 mm），待光刻胶完全浸润滤纸后用普通打印纸擦拭芯片正反表面；步骤3.转移滤纸至45 oC水平热板进行烘胶，使滤纸内部光刻胶完全干燥；步骤4.转移滤纸至紫外曝光机进行接触式曝光，曝光参数依不同型光刻胶而定，具体可参考SU-8官方工艺手册；步骤5.将曝光后滤纸浸没在显影液中，待芯片图案清晰可见后取出干燥；步骤6.裁取压力膜贴封在芯片单侧，以确保微流体驱动稳定和无渗漏。基于同样工艺流程，改变滤纸尺寸可将该芯片加工可扩展到更大规模。例如，取A4大小（210mm×297mm）滤纸即可加工48个同等尺寸设计芯片。图3是本发明的芯片加工流程示意图，疏水性光刻胶经紫外曝光后可在芯片上形成稳定结构，将滤纸基体划分亲/疏水区域。图4是本发明中芯片部分加工工艺，经紫外曝光后，芯片亲/疏水图案清晰可见。
本发明的系统设计与样机制造：常规纸基微流控比色分析借助于扫描仪等设备，本发明中的芯片比色分析采用智能手机替代扫描仪，具有更便携、更快速和更环保等优点。为保证不同芯片比色图像采集过程中具有良好的一致性，系统采用封闭式结构；多个构架采用模块化设计，便于节省存放空间和拆卸；设计手机夹持槽，确保镜头至被采集芯片距离恒定（或可调至恒定）。设计工作主要在商业化计算机辅助三维设计软件中完成。借助增材制造技术，打印系统样机构架的不同模块，模块间可由相应连接结构拼接。打印材料选择可再生生物降解材料聚乳酸，为保证系统封闭性和遮光性，材料颜色选择黑色。由软件完成的各模块三维设计导入3D打印机控制软件，在控制软件中完成打印精度和支撑结构等设置，并完成最后成型。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，包括纸基微流控芯片、用于采集纸基微流控芯片检测结果的扫描单元、以及与扫描单元连接的处理单元；所述纸基微流控芯片包括位于底层的滤纸层、位于滤纸层上方的镂空圆形光敏树脂层，所述镂空圆形光敏树脂层包括位于圆心的样本进样口、等间距分布的N个与样本进样口分别连接的分析通道，每一分析通道沿背离样本进样口方向依次设置有预处理区、检测区，所述镂空圆形光敏树脂层还包括N个与检测区相对应的比色参考区，其中，N为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，所述滤纸层采用化学分析滤纸。
3.根据权利要求1所述的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，所述圆形光敏树脂层的尺寸小于滤纸层，使得圆形光敏树脂层整体覆盖于滤纸层表面。
4.根据权利要求1所述的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，所述扫描单元的扫描镜头设于纸基微流控芯片的正上方。
5.根据权利要求1所述的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，所述N取12。
6.根据权利要求1所述的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，所述扫描单元为手机。
7.根据权利要求1至6任一所述的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，所述纸基微流控芯片的加工工艺如下：
步骤S1、借助激光切割机将滤纸切成规则方形片状，作为滤纸层；
步骤S2、取0.5 ml光敏树脂滴至单片滤纸，待光敏树脂完全浸润滤纸后用打印纸擦拭滤纸正反表面；
步骤S3、转移滤纸至45 oC水平热板进行烘胶，使滤纸内部光敏树脂完全干燥；
步骤S4、转移滤纸至紫外曝光机进行接触式曝光；
步骤S5、将曝光后滤纸浸没在显影液中，待滤纸图案清晰可见后取出干燥，即得到纸基微流控芯片；
步骤S6、裁取压力膜贴封在纸基微流控芯片单侧，以确保纸基微流控芯片稳定和无渗漏。
8.根据权利要求7所述的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，所述光敏树脂采用SU-8 2000.5型光刻胶。
9.根据权利要求1所述的一种用于污染物痕量金属快速检测的纸基微流控芯片系统，其特征在于，该系统实现污染物痕量金属快速检测的方法如下：
步骤S01、样本从样本进样口进入纸基微流控芯片，而后沿N个分析通道分别进入预处理区；
步骤S02、样本进预处理区处理后，进入检测区，由于检测区设置的酸碱度条件不同，不同金属物在不同酸碱度条件下进行反应，得到不同颜色的产物；
步骤S03、扫描单元扫描纸基微流控芯片的N个分析通道的检测结果，并传输给处理单元进行处理；
步骤S04、处理单元根据预设程序，即可判断样本的金属含量。
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