CN108627382B - 一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置，属于土壤检测技术领域，该装置将土壤前处理及后期检测集于一体，极大地简化了土壤检测流程，实现了检测的自动化及微量化。其中，土壤前处理阶段利用泵压原理，通过蠕动泵提供动力，以水循环冲洗待检测土壤，让土壤的分离过滤可以重复进行，保证土壤中待检测物质能够充分的进入液相，使检测出的结果更接近真实值。另外，通过设置微阀不仅能控制检测时的进样量，同时使管道内液体残留引起的检测误差降至最小。最后，检测时采用纸基微流控芯片，既实现了反应微量化的效果，又避免了使用大型仪器，并且通过改变纸芯片的结构可以实现土壤中多个指标的检测。

Description

一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及 检测一体化装置

技术领域

本发明属于土壤检测技术领域，具体涉及一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置。

背景技术

土壤是构成生态系统的基本环境要素，是人类赖以生存和发展的物质基础，故而针对土壤中各类指标的分析检测就有了特别重要的意义。目前，我国土壤环境监测方面受土壤分析设备、技术等方面的影响，与国际先进水平相比还有一定的差距，所以，研发出一些便宜、小型的分析设备，可以使新的土壤分析技术得到广泛的应用与发展。

目前，现代分析化学在高效率、微观化、微量化和自动化方面取得很好的进展。以检测土壤磷酸酶活性为例，很多科研工作者也在努力使这项复杂的工作实现高效率、微量化。Robert等建立的微孔板法在传统方法的基础上减少了50％的样品和试剂，从用移液器将等分试样分配到孔中到读取微孔板的过程只需要三秒钟，再到打印结果三分钟整个过程需要大约10分钟，而且该微孔板阅读器的微处理器组件使用来自标准品的读数的吸光度值的浓度预定井，可以直接计算PNP；而标准方法至少需要两小时阅读相同数量的样品，然后再需要另外30分钟计算标准曲线并将样品读数转换为PNP浓度。Stege组先后采用的多壁碳纳米管修饰的丝网印刷电极测定土壤中磷酸酶活性的方法和毛细管电动力学色谱法，比用分光光度法获得的灵敏度更高，也减少了废物的产生。这些研究使我们在测定土壤磷酸酶活性的时候有了更多、更快的选择，但在自动化、微量化上做得还不够。

微流控芯片技术是目前世界上最为先进的科学技术之一，它将各领域所涉及的样品选择、制备、进样、反应、分离、检测等基本操作集成到一个几平方厘米(甚至更小)的微芯片上，由微通道形成基本结构来控制流体，用以完成不同的化学或生物反应过程，并对其产物进行分析。其中，纸基微流控芯片则具有成本低、便于携带、无需检测设备等特点，尤其是在一些偏远、欠发达地区，人们在没有专业人员在场时自己就能做一些检测。若能将纸基微流控芯片技术应用于土壤磷酸酶活性的检测上，则可进一步实现该检测的自动化、微量化。

现如今，土壤中的重金属、酶、有机氯农药、有机污染物等指标种类繁多，土壤样品中的不同物质在分析方法上各异，但是在前处理方法上是相似的。在对实际样品进行分析时，都要采用标准方法，即《土壤环境监测技术规范》中所规定的方法，对土壤样品采取适当的前处理方法消解，将土壤样品制成试液。对土壤进行消解时，我们多采用离心震荡装置，在一定的转速、振幅条件下，震荡一定的时间，取清液检测。土壤样品的前处理步骤繁杂及离心装置的体积使检测人员不能方便有效地做出一些即时检测。这种情况下，就需要一种能够把前处理步骤和分析检测有机地结合起来，且方便携带的装置了。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置，包括支架1、蠕动泵2和分析检测区3，所述支架1贯穿设置空心管主体4，所述空心管主体4上端内部设置硬质管5，所述硬质管5顶部设置带有三通管6的盖体且底部贯穿，硬质管5的外部套设无纺布过滤袋7，所述空心管主体4下端外部可拆卸套设旋塞8，所述旋塞8内部从上往下依次设置有垫圈9、第一过滤层10和第二过滤层11，旋塞8底部设置有出口12，所述出口12通过管道13与蠕动泵2的进料口14连通，所述蠕动泵2的出料口15通过管道16与三通管6连通，所述三通管6依次通过设置有止水夹17的管道18、设置在所述管道18出口端的微阀19与分析检测区3连通。

优选地，所述微阀19的左侧从上到下依次设置有进水口19-1和出水口19-2，所述微阀19内设置有可沿液面上升而移动至所述进水口19-1且与出水口19-2处设置的塞子19-3连接的磁性浮球19-4，所述磁性浮球19-4的直径大于所述进水口19-1的口径；所述微阀19内设置有挡板19-5，所述挡板19-5与微阀19左侧内腔壁形成所述磁性浮球19-4的运动通道，所述挡板19-5与微阀19左侧内腔壁靠近进水口19-1处均设置有磁片19-6；所述挡板19-5右侧设置有倒U型进液钢针19-7，所述倒U型进液钢针19-7左侧管道位于微阀19内且左侧管道口与微阀19底部存在间隙，倒U型进液钢针19-7右侧管道贯穿微阀19底部与分析检测区3连通。

优选地，所述磁片19-6间的距离等于所述磁性浮球19-4的直径。

优选地，所述支架1包括顶盖1-1、底座1-2和连接所述顶盖1-1、底座1-2的护线管1-3，所述顶盖1-1、底座1-2均中部贯穿。

优选地，所述分析检测区3包括芯片卡槽3-1和安放在所述芯片卡槽3-1内的检测芯片3-2。

优选地，所述芯片卡槽3-1包括四角设置有固定柱的卡槽底座3-3和固定柱上安装有与卡槽底座3-3相配合的卡槽框架盖3-4；所述检测芯片3-2的四角设置有与所述固定柱位置对应的通孔。

优选地，所述检测芯片3-2为纸基微流控芯片。

优选地，所述空心管主体4为透明玻璃管。

优选地，所述第一过滤层10为滤纸，所述第二过滤层11为滤膜。

优选地，所述滤膜的孔径为0.45μm。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置，该装置将土壤前处理及后期检测集于一体，可以现场采集土壤样品现场测定，带回反应后的纸芯片或者反应后纸芯片的照片即可，极大地简化了土壤检测流程，实现了检测的自动化及微量化。其中，土壤前处理阶段利用泵压原理，通过蠕动泵提供动力，以水循环冲洗待检测土壤，让土壤的分离过滤可以重复进行，保证土壤中待检测物质能够充分的进入液相，使检测出的结果更接近真实值。另外，通过设置微阀不仅能控制检测时的进样量，同时使管道内液体残留引起的检测误差降至最小。最后，检测时采用纸基微流控芯片，既实现了反应微量化的效果，又避免了使用大型仪器，显色反应后拍照，采用简单的绘图软件处理数据即可得到结果，并且通过改变纸芯片的结构可以实现土壤中多个指标的检测。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置的示意图；

图2为本发明中微阀的示意图；

图3为本发明中检测区中卡槽底座、卡槽盖及检测芯片的示意图；

图4为本发明中酶浓度-灰度值标准曲线图；

图5为本发明中酶浓度-吸光值标准曲线图。

图1中：1支架，1-1顶盖，1-2底座，1-3护线管，2蠕动泵，3分析检测区，3-1芯片卡槽，4空心管主体，5硬质管，6三通管，7无纺布过滤袋，8旋塞，9垫圈，10第一过滤层，11第二过滤层，12旋塞底部出口，13、16、18管道，14蠕动泵进料口，15蠕动泵出料口，17止水夹，19微阀。

图2中：19-1微阀入水口，19-2微阀出水口，19-3塞子，19-4磁性浮球，19-5挡板，19-6磁片，19-7倒U型进液钢针。

图3中：3-2检测芯片，3-3卡槽底座，3-4卡槽框架盖。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置，包括支架1、蠕动泵2和分析检测区3，所述支架1贯穿设置孔径为15mm，长度为100mm的透明玻璃管4，所述透明玻璃管4上端内部设置孔径为13mm，长度为50mm的硬质管5，所述硬质管5顶部设置带有三通管6的盖体且底部贯穿，硬质管5的外部套设长度为80mm的无纺布过滤袋7，所述透明玻璃管4下端外部通过螺纹连接套设旋塞8，所述旋塞8内部从上往下依次设置有垫圈9、直径为10mm的滤纸10和直径为5mm的滤膜11，旋塞8底部设置有出口12，所述出口12通过管道13与蠕动泵2的进料口14连通，所述蠕动泵2的出料口15通过管道16与三通管6连通，所述三通管6依次通过设置有止水夹17的管道18、设置在所述管道18出口端的微阀19与分析检测区3连通。

其中，支架1由中部均贯穿的顶盖1-1和底座1-2及护线管1-3构成，护线管1-3设置在顶盖1-1和底座1-2之间，护线管1-3分别用于固定管道16和管道18。

微阀19具有5mm×2mm×3mm(长×宽×高)的矩形腔体，其左侧从上到下依次设置有进水口19-1和出水口19-2，所述微阀19内设置有可沿液面上升而移动至所述进水口19-1且与出水口19-2处设置的塞子19-3连接的磁性浮球19-4，所述磁性浮球19-4的直径为1.5mm，所述进水口19-1的口径为1mm；所述微阀19内设置有长度为2.5mm的挡板19-5，所述挡板19-5与微阀19左侧内腔壁形成所述磁性浮球19-4的运动通道，所述挡板19-5与微阀19左侧内腔壁靠近进水口19-1处均设置有磁片19-6，且磁片19-6间的距离等于磁性浮球19-4的直径；所述挡板19-5右侧设置有倒U型进液钢针19-7，所述倒U型进液钢针19-7左侧管道位于微阀19内且左侧管道口与微阀19底部相距1mm，倒U型进液钢针(19-7)右侧管道贯穿微阀(19)底部与分析检测区(3)连通。

检测区3由芯片卡槽3-1和安放在其内的四角设置有通孔的纸基微流控芯片3-2组成，芯片卡槽3-1包括四角设置有固定柱的卡槽底座3-3和固定柱上安装有与卡槽底座3-3相配合的卡槽框架盖3-4，其中，纸基微流控芯片3-2通过四角上的通孔分别穿过卡槽底座3-3四角上的固定柱而被固定在卡槽底座3-3和卡槽框架盖3-4之间，卡槽框架盖3-4可以很好的将纸基微流控芯片3-2四边压住，保持纸基微流控芯片3-2的平整性。

利用上述装置检测土壤中磷酸酶的活性

(1)绘制标准曲线

参照Dick的方法，选取对硝基苯磷酸二钠(pNPP)为显色底物制备显色纸基微流控芯片。首先将滤纸浸湿在配制好的0.05M的pNPP溶液中，用锡箔纸包裹住在37℃条件下烘干后，用切割机切割成3mm×10mm的条状，然后塑封制成尺寸为3cm×5cm的纸基微流控芯片，并在四角打出与检测区3中卡槽底座3-3四角上设置的固定柱大小匹配的通孔，制得显色纸基微流控芯片，将显色纸基微流控芯片用锡箔纸包裹住保存，以防止其在空气中氧化。取7张显色纸基微流控芯片，分别滴加20μL浓度为0、0.15、0.3、0.45、0.6、0.75、0.9units·mL^-1的碱性磷酸酶(ALP)，反应15分钟后拍照，用Photoshop软件灰度处理后再用Image J计算出各芯片中指定区域的灰度值，绘制酶浓度-灰度值标准曲线，如图4所示。

(2)将制得的显色纸基微流控芯片安放在检测区3中卡槽底座3-3和卡槽框架盖3-4之间，向透明玻璃管4中加入1g土壤样品，土壤样品进去无纺布过滤袋7中，再向透明玻璃管4中加入0.2mL甲苯、4mL MUB缓冲液。盖上硬质管5的盖体，关闭止水夹17。打开电源，利用循环泵2，对土壤样品循环冲洗15min。然后打开止水夹，液体通过微阀19流入显色纸基微流控芯片中，最后关闭止水夹，关闭电源。

(3)30min后，待显色纸基微流控芯片完全干后拍照，用Image J软件处理照片得到灰度值，结合图4计算土壤碱性磷酸酶活性为0.01509units/mL，即0.06338units/g土壤。

对比实施例

分别将1mL浓度为0、0.15、0.3、0.45、0.6、0.75、0.9units·mL^-1的碱性磷酸酶(ALP)与0.2mL 0.05mol·L^-1的对硝基苯磷酸二钠(p-NPP)在37℃下反应15min，然后各取50μL于酶标仪405nm条件下测定各液体吸光值A，扣除背景值后，以酶浓度为X轴，ΔA值为Y轴作酶浓度-吸光值标准曲线，如图5所示。

取1g土壤样品与离心管中，然后再加入0.2mL甲苯、4mL MUB缓冲液，震荡15min后，取50μL于酶标仪405nm条件下测定各液体吸光值A，扣除背景值后，根据图5求得实际样品的酶浓度为0.01007units/mL，即0.04229units/g土壤。

另外，取50μL实施例1中步骤(2)中透明玻璃管4中上清液，与0.2mL 0.05mol·L^-1的对硝基苯磷酸二钠(p-NPP)反应30min后于酶标仪405nm条件下测定液体吸光值A，扣除背景值后，根据图5求得实际样品的酶浓度为0.01403units/mL，即0.05893units/g土壤。

综上，利用实施例1中的装置对土壤进行前处理获得待测样，以酶标仪对该待测样进行测试，或以实施例1中装置中的微流控芯片对该待测样进行测试，两种方式获得的测试结果均比以酶标仪对用传统浸泡方法获得的待测样进行测试获得的测试结果更接近真实值，故利用本发明中的装置进行测试，可以提高测试结果的准确度，且操作方便。

本发明装置中各构件的尺寸可根据实际检测情况进行调节。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于微流控芯片技术测定土壤各类指标的样品前处理及检测一体化装置，包括支架（1）、蠕动泵（2）和分析检测区（3），其特征在于，所述支架（1）贯穿设置空心管主体（4），所述空心管主体（4）上端内部设置硬质管（5），所述硬质管（5）顶部设置带有三通管（6）的盖体且底部贯穿，硬质管（5）的外部套设无纺布过滤袋（7），所述空心管主体（4）下端外部可拆卸套设旋塞（8），所述旋塞（8）内部从上往下依次设置有垫圈（9）、第一过滤层（10）和第二过滤层（11），旋塞（8）底部设置有出口（12），所述出口（12）通过管道（13）与蠕动泵（2）的进料口（14）连通，所述蠕动泵（2）的出料口（15）通过管道（16）与三通管（6）连通，所述三通管（6）依次通过设置有止水夹（17）的管道（18）、设置在所述管道（18）出口端的微阀（19）与分析检测区（3）连通；所述微阀（19）的左侧从上到下依次设置有进水口（19-1）和出水口（19-2），所述微阀（19）内设置有可沿液面上升而移动至所述进水口（19-1）且与出水口（19-2）处设置的塞子（19-3）连接的磁性浮球（19-4），所述磁性浮球（19-4）的直径大于所述进水口（19-1）的口径；所述微阀（19）内设置有挡板（19-5），所述挡板（19-5）与微阀（19）左侧内腔壁形成所述磁性浮球（19-4）的运动通道，所述挡板（19-5）与微阀（19）左侧内腔壁靠近进水口（19-1）处均设置有磁片（19-6）；所述挡板（19-5）右侧设置有倒U型进液钢针（19-7），所述倒U型进液钢针（19-7）左侧管道位于微阀（19）内且左侧管道口与微阀（19）底部存在间隙，倒U型进液钢针（19-7）右侧管道贯穿微阀（19）底部与分析检测区（3）连通。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁片（19-6）间的距离等于所述磁性浮球（19-4）的直径。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支架（1）包括顶盖（1-1）、底座（1-2）和连接所述顶盖（1-1）、底座（1-2）的护线管（1-3），所述顶盖（1-1）、底座（1-2）均中部贯穿。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分析检测区（3）包括芯片卡槽（3-1）和安放在所述芯片卡槽（3-1）内的检测芯片（3-2）。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述芯片卡槽（3-1）包括四角设置有固定柱的卡槽底座（3-3）和固定柱上安装有与卡槽底座（3-3）相配合的卡槽框架盖（3-4）；所述检测芯片（3-2）的四角设置有与所述固定柱位置对应的通孔。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测芯片（3-2）为纸基微流控芯片。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空心管主体（4）为透明玻璃管。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一过滤层（10）为滤纸，所述第二过滤层（11）为滤膜。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述滤膜的孔径为0.45µm。

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