CN109142764A - 余氯传感芯片及余氯检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余氯传感芯片及余氯检测方法，其中余氯传感芯片包括空心光子晶体光纤，所述空心光子晶体光纤的一端通过光纤连接外部的光电探测器，另一端的底部端面为反射面；所述空心光子晶体光纤的一端还设有光源耦合端口；在所述空心光子晶体光纤外部沿其长度方向依次设置显色剂腔、混合反应腔和溶液回收腔；所述显色剂腔内设有显色剂微流体管；所述混合反应腔内设有微流控芯片，该微流控芯片上设有微流沟道，该微流沟道与所述空心光子晶体光纤的内部连通；所述该微流沟道上设有显色剂入口和水样入口，该显色剂入口与所述显色剂微流体管连通，该水样入口连接一水微流体管；所述溶液回收腔设有导流管，该导流管与空心光子晶体光纤的内部连通。

Description

余氯传感芯片及余氯检测方法

技术领域

本发明涉及自来水余氯检测领域，尤其涉及一种在线快速水质余氯分析的余氯传感芯片及余氯检测方法。

背景技术

余氯是指水经过加氯消毒，接触一定时间后，水中所余留的有效氯，它以次氯酸、次氯酸根离子、单质氯、化合物等形式存在于水体中。余氯的作用是保证持续杀菌，也可以防止水受到再污染。但是如果余氯超标，会加重水中酚和其他有机物产生的臭和味，还有可能生成氯仿等有“三致”作用的有机氯代物。它会对人体的呼吸系统，皮肤等组织直接造成伤害，在工业身产中作为生产原料可能会对产品造成不良作用。因此余氯是一项非常重要的水质指标，对水体中的余氯进行检测具有重要的实用意义。我国出台的《生活饮用水卫生标准》GB 5749-2006中规定出厂水中的上限为4mg/L，但在网管末梢水中的余量要大于或等于0.05mg/L。

微流控分析芯片最初在美国被称为“芯片实验室”(lab-on-a-chip)，在欧洲被称为“微整合分析芯片”(micrototal analytical systems)，它是微流控技术(Microfluidics)实现的主要平台，可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。有着体积轻巧、使用样品及试剂量少、且反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点的微流控芯片，在生物、化学、医学等领域有着巨大潜力。

检测水体中余氯的方法主要有化学分析法、电极法、分光光度法等。这些方法中化学分析方法反应时间相对较长，检测限较高，不适用于饮用水的在线水质分析。电极法分为隔膜式电极和敞开式电极。虽然电极法可以快速在线进行水质余氯分析，但是隔膜式电极需要定时更换渗透膜，维护较为繁琐且增加了成本，而敞开式电极必须要在具有固定流速的水中才能进行测量，实际应用中一般需要配套流动池，因此电极法在实用性方面还不够好。传统的分光光度法取样较多，且需要配备专用的设备，成本高昂。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种在自来水网管中进行快速余氯检测的余氯传感芯片及检测方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

提供一种余氯传感芯片，包括空心光子晶体光纤，所述空心光子晶体光纤的一端通过光纤连接外部的光电探测器，另一端的底部端面为反射面；所述空心光子晶体光纤的一端还设有光源耦合端口；

在所述空心光子晶体光纤外部沿其长度方向依次设置显色剂腔、混合反应腔和溶液回收腔；

所述显色剂腔内设有显色剂微流体管；

所述混合反应腔内设有微流控芯片，该微流控芯片上设有微流沟道，该微流沟道与所述空心光子晶体光纤的内部连通；所述该微流沟道上设有显色剂入口和水样入口，该显色剂入口与所述显色剂微流体管连通，该水样入口连接一水微流体管；

所述溶液回收腔设有导流管，该导流管与空心光子晶体光纤的内部连通。

接上述技术方案，所述溶液回收腔底部设有导流孔。

接上述技术方案，该显色剂微流体管上设有第一阀门，该水微流体管上设有第二阀门。

接上述技术方案，所述第一阀门和所述第二阀门均为微型压力阀。

接上述技术方案，所述反射面上涂覆有反射膜。

接上述技术方案，所述显色剂腔、所述混合反应腔和所述溶液回收腔沿所述空心光子晶体光纤长度方向组成一空心圆柱体。

接上述技术方案，外部光源通过所述光源耦合端口进入所述空心光子晶体光纤内部。

本发明还提供了一种自来水余氯检测系统，其特征在于，包括余氯传感芯片、光源、光电探测器和单片机；

所述余氯传感芯片为上述余氯传感芯片；

所述光源通过第一光纤与余氯传感芯片的光源耦合端口连接；

所述光电探测器通过第二光纤与余氯传感芯片的空心光子晶体光纤连接；所述光电探测器与单片机连接。

本发明还提供了一种基于上述检测系统的自来水余氯检测方法，包括以下步骤：

从自来水管处接出分管，分管上设有水开关，将分管连接水微流体管，自来水样通过水微流体管进入微流控芯片；

以DPD溶液作为显色剂，将装有按标准配好的DPD溶液注入显色剂腔，DPD溶液通过显色剂微流体管进入微流控芯片；

流入微流控芯片的自来水样和显色剂在微流控芯片内的微流沟道中充分混合并且反应；

反应后的显色混合溶液经过导流管流入空心光子晶体光纤；

反应稳定后，开启光源、光电探测器和单片机，光源释放出所需波段的光，耦合进入空心光子晶体光纤，经过显色混合溶液作用后的光信号经反射面反射回来进入光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号，单片机对电信号进行处理和计算，得出自来水样中余氯的含量。

接上述技术方案，通过第一阀门和第二阀门控制显色剂和自来水样在微流沟道中的流速。

本发明产生的有益效果是：本发明的余氯传感芯片将显色剂腔，混合反应腔，反应溶液回收腔、光作用单元集成在微小结构内，显色剂和样品的注入都采用无泵设计，具有所需试剂少，能耗和维护成本低，实用性强等特点，非常适合用于自来水管网中余氯含量的检测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例余氯传感芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例空心光子晶体光纤的一个剖面图示意图；

图3是本发明实施例空心光子晶体光纤的一个横截面图示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明将余氯检测中的显色反应和光学检测系统集成在微小单元，实现了高度的自动化，特别适用于自来水中余氯含量的检测。

本发明的余氯传感芯片包括空心光子晶体光纤8，空心光子晶体光纤8的一端通过光纤连接外部的光电探测器15，另一端的底部端面为反射面；空心光子晶体光纤8的一端还设有光源14耦合端口。

在空心光子晶体光纤8外部沿其长度方向依次设置显色剂腔10、混合反应腔11和溶液回收腔12；

显色剂腔10内设有显色剂微流体管；

混合反应腔11内设有微流控芯片5，该微流控芯片5上设有微流沟道，该微流沟道与空心光子晶体光纤8的内部连通；该微流沟道上设有显色剂入口2和水样入口1，该显色剂入口2与显色剂微流体管连通，该水样入口1连接一水微流体管；水样入口1将自来水样本通过圆口径的水微流体管引入微流控芯片5中。显色剂入口2将显色剂腔10内的显色剂通过圆口径的显色剂微流体管道引入微流控芯片5。

溶液回收腔12设有导流管，该导流管与空心光子晶体光纤8的内部连通。

进一步地，溶液回收腔12底部设有导流孔7。通过该导流孔7可将混合溶液导出，进行分析处理。

该显色剂微流体管上设有第一阀门4，该水微流体管上设有第二阀门3。

第一阀门4和第二阀门3均为微型压力阀。可通过调节微型压力阀来调节水样和显色剂的流速。微型压力阀的圆盘上可带有显示屏，能够显示水样和显色剂的流量。

反射面上涂覆有反射膜，该反射膜可为金属镀膜。反射面还可以是是与光纤端面相等大小的玻璃反射镜。

微流控芯片5上设有反应后溶液的出口6，该出口与空心光子晶体光纤8相连。

空心光子晶体光纤8的纤芯是空心结构，如图2、3所示，中部为空心管82，周围是带有密集排列的一个个微小气孔的包层81，这种结构能够将光束缚在纤芯内。

本发明的一个实施例中，显色剂腔10的外形是圆柱体状，内储藏有显色剂。混合反应腔11的外形是圆柱体状，内部主要是放置微流控芯片5并且与各个进出口的管道相连。溶液回收腔12的其外形也是圆柱体状，混合反应腔11经检测后的液体，通过管道引入此腔。显色剂腔10、混合反应腔11和溶液回收腔12沿空心光子晶体光纤8长度方向组成一空心圆柱体。

微流控芯片5的结构可以做成平板状，也可以做成三维立体状，内部混合沟道也相应的可以做成二维和三维结构。

外部光源14可通过光源14耦合端口进入空心光子晶体光纤8内部。

本发明实施例的自来水余氯检测系统，包括余氯传感芯片、光源14、光电探测器15和单片机；余氯传感芯片为上述实施例的余氯传感芯片；

光源14通过第一光纤与余氯传感芯片的光源14耦合端口连接；

光电探测器15通过第二光纤与余氯传感芯片的空心光子晶体光纤8连接；光电探测器15与单片机连接。

第一光纤和第二光纤可为普通石英光纤，主要起传输光的作用。

基于上述自来水余氯检测系统的自来水余氯检测方法，包括以下步骤：

S1、从自来水管处接出分管，分管上设有水开关，将分管连接水微流体管，自来水样通过水微流体管进入微流控芯片5；

S2、以DPD(N,N-二乙基对苯二胺)溶液作为显色剂，将装有按标准配好的DPD溶液注入显色剂腔10，DPD溶液通过显色剂微流体管进入微流控芯片5；

S3、流入微流控芯片5的自来水样和显色剂在微流控芯片5内的微流沟道中充分混合并且反应；

S4、反应后的显色混合溶液经过导流管流入空心光子晶体光纤8；在检测时，余氯传感芯片中的空心光子晶体光纤8呈竖直方向放置，使得水样和显色剂分别通过自来水管自带压力和重力作用下引入；自来水管自带压力是指自来水从水厂输出所具有的压力。重力作用是指存储在显色剂腔10内的显色剂在重力的作用下进入显色剂微流体管中。

S5、可先将最初的一些液体放出，反应稳定后，开启光源14、光电探测器15和单片机，光源14释放出所需波段的光，耦合进入空心光子晶体光纤8，经过显色溶液作用后的光信号经反射面反射回来进入光电探测器15，光电探测器15将光信号转换成电信号，单片机对电信号进行处理和计算，得出自来水样中余氯的含量。

传输给光电探测器15，光电探测器15与单片机相连，通过单片机处理并且展示出光电探测器15接收的光信息，经计算得出样本中余氯的含量。

步骤S3中可通过第一阀门4和第二阀门3控制显色剂和自来水样在微流沟道中的流速。液体的运动可以用以下Navier-Stokes方程来描述：

其中ρ和ν＝μ/ρ分别是流体的密度和动态粘度(粘度和密度的比率)，p是压力，u是流速，f是外力，是哈密顿算子。在这个等式中，惯性加速度项出现在左侧，力量出现在右侧。考虑到如上所述惯性力很小，该方程可以简化为：

本发明的余氯传感芯片以设计有微流沟道的微流控芯片5为混合器，液体进入微流控芯片5后在设计的微流体沟道中进行显色反应，反应后的显色溶液通过光学传感检测系统检测得出水样中的余氯含量。

显色剂腔10，混合反应腔11，液体回收腔圆柱体半径相等，共同构成一整个圆柱体，整个腔体部分的材料可以用耐腐蚀，高强度的高分子材料(如PP)制成，这种材料加工性能良好，打孔方便。本发明的一个实施例中底面半径为1cm，整个高度为6cm，光的作用长度，即光子晶体光纤液体进口与出口之间的长度为4cm。空心光子晶体光纤8的侧边可以运用飞秒激光来进行打孔，深度可以通过调节激光功率来控制。

本发明的余氯传感芯片只需非常少量的样品，就能实现对水体中余氯进行快速精确的检测，所用设备少，维护成本低，自动化程度高，有着极高的实际应用价值。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种余氯传感芯片，其特征在于，包括空心光子晶体光纤，所述空心光子晶体光纤的一端通过光纤连接外部的光电探测器，另一端的底部端面为反射面；所述空心光子晶体光纤的一端还设有光源耦合端口；

在所述空心光子晶体光纤外部沿其长度方向依次设置显色剂腔、混合反应腔和溶液回收腔；

所述显色剂腔内设有显色剂微流体管；

所述混合反应腔内设有微流控芯片，该微流控芯片上设有微流沟道，该微流沟道与所述空心光子晶体光纤的内部连通；所述该微流沟道上设有显色剂入口和水样入口，该显色剂入口与所述显色剂微流体管连通，该水样入口连接一水微流体管；

所述溶液回收腔设有导流管，该导流管与空心光子晶体光纤的内部连通。

2.根据权利要求1所述的余氯传感芯片，其特征在于，所述溶液回收腔底部设有导流孔。

3.根据权利要求1所述的余氯传感芯片，其特征在于，该显色剂微流体管上设有第一阀门，该水微流体管上设有第二阀门。

4.根据权利要求3所述的余氯传感芯片，其特征在于，所述第一阀门和所述第二阀门均为微型压力阀。

5.根据权利要求1所述的余氯传感芯片，其特征在于，所述反射面上涂覆有反射膜。

6.根据权利要求1所述的余氯传感芯片，其特征在于，所述显色剂腔、所述混合反应腔和所述溶液回收腔沿所述空心光子晶体光纤长度方向组成一空心圆柱体。

7.根据权利要求1所述的余氯传感芯片，其特征在于，外部光源通过所述光源耦合端口进入所述空心光子晶体光纤内部。

8.一种自来水余氯检测系统，其特征在于，包括余氯传感芯片、光源、光电探测器和单片机；

所述余氯传感芯片为权利要求1-7中任一项所述的余氯传感芯片；

所述光源通过第一光纤与余氯传感芯片的光源耦合端口连接；

所述光电探测器通过第二光纤与余氯传感芯片的空心光子晶体光纤连接；所述光电探测器与单片机连接。

9.一种基于权利要求8的自来水余氯检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

从自来水管处接出分管，分管上设有水开关，将分管连接水微流体管，自来水样通过水微流体管进入微流控芯片；

以DPD溶液作为显色剂，将装有按标准配好的DPD溶液注入显色剂腔，DPD溶液通过显色剂微流体管进入微流控芯片；

流入微流控芯片的自来水样和显色剂在微流控芯片内的微流沟道中充分混合并且反应；

反应后的显色混合溶液经过导流管流入空心光子晶体光纤；

反应稳定后，开启光源、光电探测器和单片机，光源释放出所需波段的光，耦合进入空心光子晶体光纤，经过显色混合溶液作用后的光信号经反射面反射回来进入光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号，单片机对电信号进行处理和计算，得出自来水样中余氯的含量。

10.根据权利要求9所述的自来水余氯检测方法，其特征在于，通过第一阀门和第二阀门控制显色剂和自来水样在微流沟道中的流速。