CN109060793A - 一种多通道检测重金属离子的纸基微流控芯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多通道检测重金属离子的纸基微流控芯片，由第一层、第二层和第三层纸质基片和底层支撑基片组成，其特征在于：所述芯片呈圆形或矩形，由三层形状和尺寸大小一致的、经过疏水处理的纸质基片粘贴在一起。所述芯片加工有显色池、梯度通道、反应池、试剂通道、试剂口、样品口、过滤槽、分流池、分流通道、滤液互通道的形状尺寸。所述芯片是以个样品口为中心按星形排布各个功能部件。或者以样品口和试剂口各自为中心，分左右个中心，其余各个功能部件在样品口和试剂口的中间排布。本发明的有益效果是，芯片为一次性使用，材料采用价格低廉的可降解性滤纸，环保无污染，不会对环境造成二次伤害，对环境监测可实现连续、实时、快速检测重金属离子。

Description

一种多通道检测重金属离子的纸基微流控芯

技术领域

本发明涉及一种利用比色法多通道快速检测石油废水中重金属离子浓度的纸基微流控芯片。

技术背景

随着社会经济的发展，社会环境所受到的污染也越来越多，石油废水是当今社会的污染源之一。在石油废水中含有大量的油物质、重金属等有毒有害物质，会对环境和人体健康造成危害。目前，石油废水中重金属离子的检测引起了广泛的关注。故研究者们发明了各种各样的方法对重金属离子进行检测。由于传统检测重金属方法仪器价格昂贵、运行费用高、不易携带，不能满足对石油废水连续监测、现场测定法要求。

因此，需要一种连续、实时、便携、灵敏度高、多通道快速检测重金属离子的纸质微流控芯片。

发明内容

本发明的形状结构，目的在于提供一种新型纸基微流控芯片结构，多层、多通道的结构能检测多种重金属离子，并且能够精确分流样品量，提高检测的准确性。

本发明的技术方案为：一种多通道检测重金属离子的纸基微流控芯片，由第一层、第二层和第三层纸质基片和底层支撑基片组成。其特征在于：所述芯片呈圆形或矩形，由三层形状和尺寸大小一致的、经过超疏水处理的纸质基片粘贴在一起。

所述第一层，按芯片的不同规格在第一层纸质基片上，加工出贯通纸质基片上下厚度的显色池、梯度通道、反应池、试剂通道、试剂口、样品口、过滤槽、分流池、分流通道、滤液互通道的形状尺寸。所述样品口设置在芯片的中心位置，样品口的四周连接2条以上的均匀分布的过滤槽，每条过滤槽的宽度尺寸和长度尺寸一致，都各自通向各自对应的一个分流池。每个分流池都连接2条以上的分流通道。所述芯片的每个分流池都通过滤液互通道串通在一起，或没有加工滤液互通道，分流池各自独立不串通。所述每个分流通道都各自通向各自对应的一个反应池，每个反应池都连通一个梯度通道和梯度通道连接的显色池。所述每个反应池都与1条或2条试剂通道相连通，试剂通道与试剂口连接。所述芯片是以1个样品口为中心按星形排布各个功能部件；或者以1样品口和多个试剂口各自为中心，分左右2个中心排布，其余各个功能部件在样品口和试剂口的中间排布。

所述第二层，对应同一芯片规格的第一层纸质基片上的位置，加工有显色池、梯度通道、反应池、分流池、分流通道和粘贴有过滤材料。过滤材料制备成双螺旋结构。

所述第三层，对应同一芯片规格的第一层和第二层纸质基片上的位置，加工有显色池、反应池，并且在分流池、分流通道、梯度通道的位置上分别加工粘贴有不同功能的部件。所述分流池的位置，在分流池与过滤槽连接处，加工粘贴有滤液引流条。滤液引流条在分流池内分成2个以上的滤液分流条，各自朝向一一对应的分流通道；在分流池与每一个分流通道的接口处，都安装有一个定量吸收膜囊。所述定量吸收膜囊内部装有强吸水膨胀材料，外部由防水膜包裹而成，没吸水时其呈扁平状。定量吸收膜囊底部粘贴在第三层的纸质基片上，顶部加工有条形开口，每个滤液分流条的端头下压在一个定量吸收膜囊的条形开口的一半处。定量吸收膜囊的条形开口的另外一半的上方压的是引流条保护膜。所述引流条保护膜与引流条紧密贴合，贴在分流通道的位置处，并伸入分流池内，在定量吸收膜囊处二者上下分开形成一个开口。引流条在口底部被定量吸收膜囊的一半压着，引流条保护膜在口上部压在定量吸收膜囊的条形开口的一半处，并粘贴固定在一起。定量吸收膜囊压在引流条处的底部，加工有膜囊折叠开口。所述滤液分流条在开始压上定量吸收膜囊的上方处，加工有折痕；所述滤液分流条的折痕两旁的分流池底部安装有强吸水材料，强吸水材料与折痕之间有阻挡楞或有间距。所述梯度通道的位置处，粘贴有三个不同亲水浓度的滤纸，从反应池到显色池亲水浓度逐渐增加，即亲水能力逐渐增加；同一个芯片的每一个梯度通道粘贴的亲水性滤纸顺序和规格相同。

所述底层支撑基片，对应同一芯片规格的第一层、第二层和第三层纸质基片上的位置，在显色池、反应池的位置上分别加工粘贴有不同功能的部件。所述反应池位置处，粘贴的是由先前经过反应试剂浸泡，晾干等处理后的粘贴在基底上的滤纸小圆片，并且反应池的底面是低于分流通道的底面。试剂通过试剂口加入，经试剂通道流入反应池，接口处底面均为试剂通道底面高于反应池底面。所述显色池位置处，粘贴有检测不同种或同种重金属离子的显色滤纸；芯片压合后，在显色池内嵌入有避光的锡箔纸。

上述技术方案中优选的，所述定量吸收膜囊的底部通过粘贴带粘贴在第三层的纸质基片上，定量吸收膜囊与引流条保护膜用粘贴带贴合。所述试剂通道能够加工有断流压片。

上述技术方案中优选的，所述第三层的基底用第一层、第二层相同的处理过程，使其具有超疏水性能，最后与底层支撑基片用光固胶依次粘贴上，用紫外光曝光粘合固定。所述底层支撑基片是疏水纸质或是疏水塑料材质。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：能够精确分流样品。纸基微流控芯片运用双螺旋的碳海绵嵌入在过滤槽中，不仅可以让检测样品与碳海绵接触面积足够大，充分保证了对检测样品中含有的有机物及油类进行吸附，留有的空隙还可使样品顺利向前流动。且本发明设计的多级梯度通道使对样品的吸引力足够大，保证样品能够顺利流入显色槽中。同时，每个梯度通道的亲水性滤纸相同，保证样品可以达到相同流速流入显色槽，控制反应时间，能更好的计时，判断不同时间重金属离子是否能够反应完全与标准色阶进行比对。

附图说明

图1为本发明的一种芯片的主视结构示意图。

图2为本发明的一种芯片第一层基片的主视结构示意图。

图3为本发明的一种芯片第二层基片的主视结构示意图。

图4为本发明的一种梯度通道结构示意图。

图5为本发明的一种芯片的各层基片功能部件的加工示意图。

图6为本发明的一种8通道矩形表面芯片的主视结构示意图。

图7为本发明的一种8通道圆形表面芯片的主视结构示意图。

图8为本发明的一种10通道圆形表面芯片的主视结构示意图。

图9为本发明的一种芯片分流池的主视结构示意图。

图10为本发明的一种芯片定量吸收膜囊的截面未吸样液时的结构示意图。

图11为本发明的一种芯片定量吸收膜囊的截面吸样液后的结构示意图。

图中：1. 显色池；2.梯度通道；3.反应池；4.试剂通道；5.试剂口；6.样品口；7.过滤槽；8.分流池；9.分流通道；10.过滤材料；11.第一层；12.第二层；13.第三层；14.滤液互通道；15.滤液引流条；16.强吸水材料；17.折痕；18.滤液分流条；19.条形开口；20.定量吸收膜囊；21.粘贴带；22.引流条保护膜；23.引流条；24.膜囊折叠开口；25.断流压片；26.底层支撑基片。

具体实施例

参照图1至图11中的形状结构，一种多通道检测重金属离子的纸基微流控芯片，由第一层11、第二层12和第三层13纸质基片和底层支撑基片26组成。其特征在于：所述芯片呈圆形或矩形，由三层形状和尺寸大小一致的、经过超疏水处理的纸质基片粘贴在一起。例如，将制作芯片的纸，在室温下用甲基三氯硅烷与十八烷基三氯硅烷7︰3的体积比溶于正己烷溶液中，搅拌均匀，混合溶液浓度为0.1%。然后，将选好的滤纸至于前面的溶液中，浸泡5分钟，取出，置于恒温干燥箱中5分钟制得。

所述第一层11，按芯片的不同规格在第一层纸质基片上，加工出贯通纸质基片上下厚度的显色池1、梯度通道2、反应池3、试剂通道4、试剂口5、样品口6、过滤槽7、分流池8、分流通道9、滤液互通道14的形状尺寸。所述样品口6设置在芯片的中心位置，样品口6连接2条以上的过滤槽7，每条过滤槽7的宽度尺寸和长度尺寸一致，保证对样品的过滤效果一致。每条过滤槽7都各自通向各自对应的一个分流池8。每个分流池8都连接2条以上的分流通道9。所述芯片的每个分流池8都通过滤液互通道14串通在一起，或没有加工滤液互通道14，分流池8各自独立不串通。所述每个分流通道9都各自通向各自对应的一个反应池3，每个反应池3都各自对应连通一个梯度通道2和梯度通道2连接的显色池1。所述每个反应池3都与1条或2条试剂通道4相连通，试剂通道4与试剂口5连接；所述芯片是以1个样品口6为中心按星形排布各个功能部件。或者以1个样品口6和多个试剂口5各自为中心，分左右2个中心排布，其余各个功能部件在样品口6和试剂口5的中间排布。

所述第二层12，对应同一芯片规格的第一层11纸质基片上的位置，加工有显色池1、梯度通道2、反应池3、分流池8、分流通道9和粘贴有过滤材料10。过滤材料10制备成双螺旋结构。例如，过滤材料10选择碳海绵，设计成双螺旋结构，使其嵌入在过滤槽内，使在不堵塞过滤槽的前提下，溶液能够顺利的流入反应池中，而且碳海绵与溶液的接触面积大，使过滤更充分。

所述第三层13，对应同一芯片规格的第一层11和第二层12纸质基片上的位置，加工有显色池1、反应池3，并且在分流池8、分流通道9、梯度通道2的位置上分别加工粘贴有不同功能的部件。所述分流池8的位置，在分流池8与过滤槽7连接处，加工粘贴有滤液引流条15。滤液引流条15在分流池8内分成2个以上的滤液分流条18，各自朝向一一对应的分流通道9。在分流池8与每一个分流通道9的接口处，都安装有一个相同的定量吸收膜囊20。所述定量吸收膜囊20内部装有定量的强吸水膨胀材料，外部由防水膜包裹而成，没吸水时其呈扁平状。定量吸收膜囊20底部粘贴在第三层13的纸质基片上，顶部加工有条形开口19，每个滤液分流条18的端头下压在一个定量吸收膜囊20的条形开口19的一半处。定量吸收膜囊20的条形开口19的另外一半的上方压的是引流条保护膜22。所述引流条保护膜22与引流条23紧密贴合，贴在分流通道9的位置处，并伸入分流池8内，在定量吸收膜囊20处二者上下分开形成一个开口。引流条23在口底部被定量吸收膜囊20的一半压着，引流条保护膜22在口上部压在定量吸收膜囊20的条形开口19的一半处，并粘贴固定在一起。定量吸收膜囊20压在引流条23处的底部加工有膜囊折叠开口24。所述滤液分流条18在开始压上定量吸收膜囊20的上方处，加工有折痕17；所述滤液分流条18的折痕17两旁的分流池8底部安装有强吸水材料16，强吸水材料16与折痕17之间有阻挡楞或有间距。保证正常情况下，滤液分流条18的液体不会流到强吸水材料16上，只有当折痕17有积液时，二者才能连通。

发明的定量吸收膜囊20压在引流条23处的底部，加工有膜囊折叠开口24，定量吸收膜囊20内部由强吸水膨胀材料和外部防水膜构成。当液体经滤液引流条15的滤液分流条18从条形开口19流入定量吸收膜囊20后，体积变大，上顶滤液分流条18的端头，直至滤液分流条18的端头离开条形开口19，滤液回流；同时也上顶引流条保护膜22的端头，由于膜的相互粘贴的作用，上升的引流条保护膜22带动打开膜囊折叠开口24，定量吸收膜囊20内的滤液流向引流条23。由于上顶滤液分流条18的端头，导致液体倒流到折痕17处，折痕17处有积液会连通强吸水材料16，积液会迅速被吸走，使滤液分流条18的重量迅速减轻，定量吸收膜囊20会继续上升，从而保证滤液不会返回定量吸收膜囊20。由于每个定量吸收膜囊20内的吸水材料是定量的，被吸水性强于定量吸收膜囊20吸水材料的引流条23引流后，在相同一定值的时间下，残余量是一个定值，故引流条23引走的量是一个定值，从而达到每个分流通道9分流的样品滤液是相同的定值，保证了测定精度。

所述梯度通道2的位置处，粘贴有三个不同亲水浓度的滤纸，从反应池3到显色池1亲水浓度逐渐增加，即亲水能力逐渐增加。纸基对水的亲水能力逐渐增加，即对样品的吸引力就越大，使溶液能够顺利流入显色槽中。同一个芯片的每一个梯度通道粘贴的亲水性滤纸顺序和规格相同。保证了四个梯度通道的溶液基本以相同的流速流入显色槽中，提高实验结构的准确性。

所述底层支撑基片26，对应同一芯片规格的第一层11、第二层12和第三层13纸质基片上的位置，在显色池1、反应池3的位置上分别加工粘贴有不同功能的部件。所述反应池3位置处，分别用相关的试剂，对过滤后的样品含有的干扰离子进行屏蔽或增强色阶反应，保证样品能反应完全提高准确性。反应池3粘贴的是由先前经过反应试剂浸泡，晾干等处理后的粘贴在基底上的滤纸小圆片，并且通过分层设计加工，使反应池3的底面低于分流通道9的底面的高低结构设计，保证了过滤的样品能顺利流入反应池。反应池3则是通过试剂口5加入适量试剂，经试剂通道4流入反应池3，二者接口处的底面也均为试剂通道4高反应池3低的高低结构设计。作用是当试剂与样品不能同时流入时，可先储存某种溶液待另一种流入时发生反应，并能防止流入的溶液提前流入梯度通道到达显色池1发生反应。例如，反应池3深度低于通道深度，当两种溶液的流动速度不同时，流速快的溶液先储存在反应池3中，另一种溶液流进与其混合。另外，反应池3的深度低于通道还可防止流入的溶液提前流入梯度通道到达显色池1发生反应。

所述显色池1位置处，粘贴检测不同种或同种重金属离子的显色滤纸，每种显色滤纸均是提前通过不同显色溶液浸泡，悬垂自然晾干，裁剪成显色池1大小的纸基小圆片，使用时取出放入显色池1中，即可对反应池3处理后的样品进行显色。这样可以针对不同重金属离子检测，制备出不同的显色滤纸。也能够放置检测同种重金属离子的显色滤纸，多通道反应显色进行对照，保证检测的准确性。由于显色滤纸需避光保存，芯片压合后，在显色池1内嵌入有避光的锡箔纸。使用时再拿出锡箔纸，有利于显色滤纸的保存和检测的准确性。

上述技术方案中优选的，所述定量吸收膜囊20的底部通过粘贴带21粘贴在第三层13的纸质基片上，定量吸收膜囊20与引流条保护膜22用粘贴带21贴合。所述试剂通道4能够加工有断流压片25。断流压片25能够根据实验需要，断开相互连通的反应池3，试剂通道4独立给各自反应池3加入不同的试剂。

上述技术方案中优选的，所述第三层13的基底用第一层11、第二层12相同的处理过程，使其具有超疏水性能，最后与底层支撑基片26用光胶依次粘贴上，用紫外光曝光粘合固定。所述底层支撑基片26是疏水硬质纸质或是疏水硬质塑料材质。

本发明的技术特征在于：样品处理后的分配分流量能够精确定量。纸基微流控芯片分为多个样品的分流通道9，一次性能够检测多种重金属离子。过滤槽7内装有过滤海绵，可对样品进行除油、有机物等处理。设计的梯度通道2是由三种不同亲水浓度的材料处理后粘贴上，整个纸基微流控芯片通道均对称分布，使得每个通道都有溶液流经，保证其分流均匀，能够到达各个反应池3及显色池，完成显色反应。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种多通道检测重金属离子的纸基微流控芯片，由第一层、第二层和第三层纸质基片和底层支撑基片组成，其特征在于：所述芯片呈圆形或矩形，由三层形状和尺寸大小一致的、经过超疏水处理的纸质基片粘贴在一起；

所述第一层，按芯片的不同规格在第一层纸质基片上，加工出贯通纸质基片上下厚度的显色池、梯度通道、反应池、试剂通道、试剂口、样品口、过滤槽、分流池、分流通道、滤液互通道的形状尺寸；所述样品口设置在芯片的中心位置，样品口的四周连接2条以上的均匀分布的过滤槽，每条过滤槽的宽度尺寸和长度尺寸一致，都各自通向各自对应的一个分流池；每个分流池都连接2条以上的分流通道；所述芯片的每个分流池都通过滤液互通道串通在一起，或没有加工滤液互通道，分流池各自独立不串通；所述每个分流通道都各自通向各自对应的一个反应池，每个反应池都各自连通一个各自对应的梯度通道和梯度通道连接的显色池；所述每个反应池都与1条或2条试剂通道相连通，试剂通道与试剂口连接；所述芯片是以1个样品口为中心按星形排布各个功能部件；或者以1样品口和多个试剂口各自为中心，分左右2个中心排布，其余各个功能部件在样品口和试剂口的中间排布；

所述第二层，对应同一芯片规格的第一层纸质基片上的位置，加工有显色池、梯度通道、反应池、分流池、分流通道和粘贴有过滤材料；过滤材料制备成双螺旋结构；

所述第三层，对应同一芯片规格的第一层和第二层纸质基片上的位置，加工有显色池、反应池，并且在分流池、分流通道、梯度通道的位置上分别加工粘贴有不同功能的部件；所述分流池的位置，在分流池与过滤槽连接处，加工粘贴有滤液引流条；滤液引流条在分流池内分成2个以上的滤液分流条，各自朝向一一对应的分流通道；在分流池与每一个分流通道的接口处，都安装有一个定量吸收膜囊；所述定量吸收膜囊内部装有强吸水膨胀材料，外部由防水膜包裹而成，没吸水时其呈扁平状；定量吸收膜囊底部粘贴在第三层的纸质基片上，顶部加工有条形开口；每个滤液分流条的端头下压在一个定量吸收膜囊的条形开口的一半处；定量吸收膜囊的条形开口的另外一半的上方压的是引流条保护膜；所述引流条保护膜与引流条紧密贴合，贴在分流通道的位置处，并伸入分流池内，在定量吸收膜囊处二者上下分开形成一个开口；引流条在开口底部被定量吸收膜囊的一半压着，引流条保护膜在开口上部压在定量吸收膜囊的条形开口的一半处，并粘贴固定在一起；定量吸收膜囊在压在引流条处的底部处，加工有膜囊折叠开口；所述滤液分流条在开始压上定量吸收膜囊的上方处，加工有折痕；所述滤液分流条的折痕两旁的分流池底部安装有强吸水材料，强吸水材料与折痕之间有阻挡楞或有间距；所述梯度通道的位置处，粘贴有三个不同亲水浓度的滤纸，从反应池到显色池亲水浓度逐渐增加，即亲水能力逐渐增加；同一个芯片的每一个梯度通道粘贴的亲水性滤纸顺序和规格相同；

所述底层支撑基片，对应同一芯片规格的第一层、第二层和第三层纸质基片上的位置，在显色池、反应池的位置上分别加工粘贴有不同功能的部件；所述反应池位置处，粘贴的是由先前经过反应试剂浸泡，晾干等处理后的粘贴在基底上的滤纸小圆片，并且反应池的底面是低于分流通道的底面；试剂通过试剂口加入，经试剂通道流入反应池，试剂通道底面高于反应池底面；所述显色池位置处，粘贴有检测不是同一种的、或是同一种重金属离子的显色滤纸；芯片压合后，在显色池内嵌入有避光的锡箔纸。

2.根据权利要求1所述的一种多通道检测重金属离子的纸基微流控芯片，其特征在于：所述定量吸收膜囊的底部通过粘贴带粘贴在第三层的纸质基片上，定量吸收膜囊与引流条保护膜用粘贴带贴合；所述试剂通道能够加工有断流压片。

3.根据权利要求1所述的一种多通道检测重金属离子的纸基微流控芯片，其特征在于：所述第三层的基底用第一层、第二层相同的处理过程，使其具有超疏水性能，最后与底层支撑基片用光固胶依次粘贴上，用紫外光曝光粘合固定；所述底层支撑基片是疏水纸质或是疏水塑料材质。