CN109164073B - 用于水体重金属离子测定的数字微流控芯片系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字微流控芯片技术及环境监测领域，具体涉及用于水体重金属离子测定的数字微流控芯片系统及方法，所述系统包括用于水体重金属测定的数字微流控芯片和用于水体重金属测定的数字微流控芯片外围设备；数字微流控芯片包括平面结构，其分为工作区、引脚区和I/O接口，其中，工作区包括液滴功能区和检测区；引脚区设置连接芯片、液滴驱动电路和电源的引脚；I/O接口连接测量液滴位置的传感电路。该数字微流控芯片系统，降低了设备成本，大大节约化学试剂，显著提高反应速度，降低测试成本和耗时。过程中不需要泵、阀和管路等机械部件，系统更加稳定，液滴操控更为精确、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及数字微流控芯片技术及环境监测领域，具体涉及一种用于水体重金属离子测定的数字微流控芯片系统及方法。
背景技术
随着工农业的发展，越来越多的重金属如汞、镉、铬、铅、铜、锌、镍、钡、钒等被排放入水体，不仅会对水生动植物产生毒害作用，还能通过富集作用进入生物链，对整个生态环境构成严重威胁。为了实现水资源的可持续利用和社会、经济、生态三大效益的统一，重金属检测研究已成为水体环境研究项目中的至重内容。
目前，重金属检测，可以使用高精度的原子吸收光谱和原子荧光光谱等方法，但是这些方法所用仪器往往体积大、通量低、价格昂贵、操作繁琐且需要较为专业的技术人员。而对于仪器相对价格较低的分光光度法，其前处理主要基于是湿化学显色反应，并且需要添加掩蔽剂掩蔽干扰离子，操作繁琐，其过程往往占去整个分析时间的90％。同时，需要耗费大量的化学试剂，测试成本较高，也不利环保。新发展的基于连续微流控芯片的重金属检测系统，虽然在微型化、自动化、集成化和便携化方面得到改善，但在其操作过程需要泵、阀和管路等机械部件，附带硬件多，系统复杂，容错性和稳定性差。
以上种种情况远远不能满足计算机时代对一个实验室提供的信息量要求，更无法适应现场恶劣分析环境中的长期、连续的监测过程。因此，着力发展价格便携式、价格低、通量高的检测仪器和快速、自动连续测定技术就显得十分重要。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种用于水体重金属离子测定的数字微流控芯片系统及方法。
本发明包括以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种用于水体重金属离子测定的数字微流控芯片系统，所述系统包括用于水体重金属测定的数字微流控芯片和用于水体重金属测定的数字微流控芯片外围设备；
所述数字微流控芯片包括平面结构，其分为工作区、引脚区和I/O接口，其中，所述工作区包括液滴功能区和检测区；所述引脚区设置连接芯片、液滴驱动电路和电源的引脚；所述I/O接口连接测量液滴位置的传感电路。
进一步地，所述数字微流控芯片由上、下两层正方形芯片结构构成，所述上层为ITO导电玻璃，所述下层为数字控制层，其由下到上依次包括基底玻璃层、电极阵列层、绝缘介电层和疏水保护层；其中，所述平面结构位于所述电极阵列层。
进一步地，所述上层和下层间的的隔层制备和芯片封装，采用SU-8光刻胶旋涂和光刻蚀技术实现隔层的标准化；芯片整体封装时将芯片上的的引线脚通过金手指插座连接控制电路。以便检测芯片的更换，外部控制信号可方便地加载到每个电极单元上。
进一步地，所述用于水体重金属测定的数字微流控芯片外围设备包括芯片控制系统和芯片检测系统；所述芯片控制系统采用微控制器和继电器控制板来实现电极的电路控制。另外，液滴测量和操控的算法和控制由计算机语言编制。所述检测系统为光学检测，为荧光检测或可见光检测的一种。
进一步地，所述液滴功能区包括样品进样区、试剂进样区、样品预处理区和废液区，所述检测区包括可见光检测区和荧光检测区。
进一步地，所述样品进样区设有样品池，所述试样进样区设有A、B、C和D储液池，所述废液区设有废液池，
进一步地，缓冲溶液、掩蔽剂、显色剂和荧光探针液滴分别灌注在数字微流控芯片储液池A，B，C，D，E水体样品进入样品池，通过外围电控单元对电极阵列程序加电，控制其对应表面的亲疏水特性，实现样品和溶液液滴的移动过程，完成整个测试分析。
第二方面，本发明提供了一种采用上述数字微流控芯片系统测定水体重金属离子的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)由样品池产生样品液滴沿程序设计路线运动；
(2)由A储液池产生缓冲液液滴，与样品液滴融合，循环运动加速混匀，生成液滴一分为二，一个液滴排入废液区，另一个进入步骤(3)；
(3)由B储液池产生一个掩蔽剂液滴，与(2)液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个液滴可直接与E储液池产生荧光探针液滴融合反应后，进入荧光检测区，另一个可进入下一步骤；
(4)由C储液池产生一个激活剂液滴与(3)中液滴融合，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个进入下一步骤；
(5)D储液池产生显色剂液滴与(4)液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个进入可见光检测区；
(6)反应结果由CCD拍照并进行灰度分析或光电二极管感应，与内控标准比较，自动做出结果判断。
进一步地，各步骤中的液滴融合后进行循环往复运动的方式，采用液滴两电极或三电极左右震荡，或是四电极上下左右循环往复方式。
进一步地，所述液滴两电极或三电极左右震荡为20-30次；所述四电极上下左右循环往复为8-20次。
采用上述技术方案，包括以下有益效果：本发明所提供的用于水体重金属离子测定的数字微流控芯片系统，降低了设备成本，大大节约化学试剂，显著提高反应速度，降低测试成本和耗时。过程中不需要泵、阀和管路等机械部件，系统更加稳定，液滴操控更为精确、可靠，克服了传统自动分析仪为满足高通量、高内涵等要求而带来管道系统复杂，附带硬件多，容错性差等缺陷，更利于系统构建的集成化和微型化。
附图说明
图1为本发明所提供数字微流控芯片系统的结构示意图；
图2为本发明所提供数字微流控芯片系统中工作区的平面示意图；
图3为本发明所提供的数字微流控芯片系统工作示意图。
图中，
1、基底玻璃层；2、电极阵列层；3、绝缘介电层；4、疏水保护层；5、液滴运行空间；6、ITO导电玻璃。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种用于水体重金属离子测定的数字微流控芯片系统，所述系统包括用于水体重金属测定的数字微流控芯片和用于水体重金属测定的数字微流控芯片外围设备；
所述数字微流控芯片包括平面结构，其分为工作区、引脚区和I/O接口，其中，所述工作区包括液滴功能区和检测区；所述引脚区设置连接芯片、液滴驱动电路和电源的引脚；所述I/O接口连接测量液滴位置的传感电路。
所述数字微流控芯片由上、下两层正方形芯片结构构成，所述上层为ITO导电玻璃，所述下层为数字控制层，其由下到上依次包括基底玻璃层、电极阵列层、绝缘介电层和疏水保护层；其中，所述平面结构位于所述电极阵列层。ITO导电玻璃与疏水保护层之间为液滴运行空间。
所述上层和下层间的的隔层制备和芯片封装，采用SU-8光刻胶旋涂和光刻蚀技术实现隔层的标准化；芯片整体封装时将芯片上的的引线脚通过金手指插座连接控制电路。以便检测芯片的更换，外部控制信号可方便地加载到每个电极单元上。
所述用于水体重金属测定的数字微流控芯片外围设备包括芯片控制系统和芯片检测系统；所述芯片控制系统采用微控制器和继电器控制板来实现电极的电路控制。另外，液滴测量和操控的算法和控制由计算机语言编制。所述检测系统为光学检测，为荧光检测或可见光检测的一种。
所述液滴功能区包括样品进样区、试剂进样区、样品预处理区和废液区，所述检测区包括可见光检测区和荧光检测区。所述样品进样区设有样品池，所述试样进样区设有A、B、C和D储液池，所述废液区设有废液池，缓冲溶液、掩蔽剂、显色剂和荧光探针液滴分别灌注在数字微流控芯片储液池A，B，C，D，E水体样品进入样品池，通过外围电控单元对电极阵列程序加电，控制其对应表面的亲疏水特性，实现样品和溶液液滴的移动过程，完成整个测试分析。
另一方面，本实施例提供了一种采用上述数字微流控芯片系统测定水体重金属离子的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)由样品池产生样品液滴沿程序设计路线运动；
(2)由A储液池产生缓冲液液滴，与样品液滴融合，循环运动加速混匀，生成液滴一分为二，一个液滴排入废液区，另一个进入步骤(3)；
(3)由B储液池产生一个掩蔽剂液滴，与(2)液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个液滴可直接与E储液池产生荧光探针液滴融合反应后，进入荧光检测区，另一个可进入下一步骤；
(4)由C储液池产生一个激活剂液滴与(3)中液滴融合，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个进入下一步骤；
(5)D储液池产生显色剂液滴与(4)液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个进入可见光检测区；
(6)反应结果由CCD拍照并进行灰度分析或光电二极管感应，与内控标准比较，自动做出结果判断。
各步骤中的液滴融合后进行循环往复运动的方式，采用液滴两电极或三电极左右震荡，或是四电极上下左右循环往复方式。所述液滴两电极或三电极左右震荡为20-30次；所述四电极上下左右循环往复为8-20次。
本实施例所提供的采用上述数字微流控芯片系统测定水体重金属离子的方法实现了从重金属样品处理到检测的微型化、自动化、集成化及便携化，降低了设备成本、并且满足高通量的实验室测试和连续现场测试需求。该方法不仅可以应用于水体样品中重金属测定，如铜、汞、铅、铬、镉等，还可以用于其他基于显色原理测定的化学要素，如营养盐和微量元素的分析检测。
采用数字微流控芯片系统，过程中不需要泵、阀和管路等机械部件，系统更加稳定。作为内部液滴定驱动部件的电极全部为固定的，控制参数为数字信号，液滴操控更为精确、可靠。特别是，数字微流控芯片是建立在离散(单个)液滴控制基础上的微流控技术，从根本上克服了传统自动分析仪为满足高通量、高内涵等要求而带来管道系统复杂，附带硬件多，容错性差等缺陷，更利于系统构建的集成化和微型化。
另外，实现从样品处理到检测的微型化、自动化、集成化及便携化。同时可通过系统功能的扩展，实现自动参比、现场加标、高通量、高内涵的溶液处理等过程，最大限度满足水体重金属离子的分析要求。降低设备成本、并且满足高通量的实验室测试和连续现场测试需求，可以大大节约化学试剂，显著提高反应速度，降低测试成本和耗时。
实施例2：
本实施例采用实施例1的数字微流控芯片系统，构型如图1和图2所示，配置硫酸铜标准溶液1000mL，浓度为0.10mg/L，50mL用于数字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。Cu2+数字微流控芯片分析过程如图3所示，包括如下步骤：
(1)由样品池S1产生Cu2+液滴；
(2)由A储液池产生一个去离子水液滴与样品液滴融合，循环运动加速混匀，生成液滴一分为二，一个液滴排入废液区，另一个进入下一步骤；
(3)由B储液池产生一个掩蔽剂(丙二酸钠/氟化钠)液滴，与之前液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个液滴可直接与E储液池产生罗丹明类铜荧光探针液滴融合反应后，进入荧光检测区。另一个可进入下一步骤；
(4)由C储液池产生一个激活剂液滴(N/A)液滴融合，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个与D储液池产生二乙基二硫代氨基甲酸钠液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个进入可见光检测区。
(5)CCD拍照，Image Pro软件分析颜色灰度，与数字微流控芯片生成标准曲线对照，计算Cu2+分析浓度，平行测定三次，测定后废液运行至储存废液电极。将所测浓度与分光光度法所得结果作比较，发现差异性不显著(P＞0.05)。
实施例3：
本实施例采用实施例1的数字微流控芯片系统，构型如图1和图2所示，配置硫酸镍Ni2+标准溶液1000mL，浓度为0.10mg/L，50mL用于数字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。Ni2+数字微流控芯片分析过程如图3所示，包括如下步骤：
(1)由样品池S1产生Ni2+液滴；
(2)由A储液池产生一个硫酸液滴与样品液滴融合，循环运动加速混匀，生成液滴一分为二，一个液滴排入废液区，另一个进入下一步骤；
(3)由B储液池产生一个掩蔽剂(硫代硫酸钠)液滴，与之前液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个液滴可直接与E储液池产生镍荧光探针液滴融合反应后，进入荧光检测区。另一个可进入下一步骤；
(4)由C储液池产生一个激活剂液滴(丙酮)融合，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个与D储液池产生丁二酮肟液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个进入可见光检测区。
(5)CCD拍照，Image Pro软件分析颜色灰度，与数字微流控芯片生成标准曲线对照，计算Ni2+分析浓度，平行测定三次，测定后废液运行至储存废液电极。将所测浓度与分光光度法所得结果作比较，发现差异性不显著(P＞0.05)。
实施例4：
本实施例采用实施例1的数字微流控芯片系统，构型如图1和图2所示，配置硫酸镉Cd2+标准溶液1000mL，浓度为0.10mg/L，50mL用于数字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。Cd2+数字微流控芯片分析过程如图3所示，包括如下步骤：
(1)由样品池S1产生Cd2+液滴；由A储液池产生一个去离子水液滴与样品液滴融合，循环运动加速混匀，生成液滴一分为二，一个液滴排入废液区，另一个进入下一步骤；
(2)由B储液池产生一个掩蔽剂(硫脲/氟化钠)液滴，与之前液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个液滴可直接与E储液池产生镉荧光探针液滴融合反应后，进入荧光检测区。另一个可进入下一步骤；
(3)由C储液池产生一个激活剂液滴(曲拉通X-100)融合，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个与D储液池产生的对硝基苯重氮氨基偶氮苯液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个进入可见光检测区。
(4)CCD拍照，Image Pro软件分析颜色灰度，与数字微流控芯片生成标准曲线对照，计算Cd2+分析浓度，平行测定三次，测定后废液运行至储存废液电极。将所测浓度与分光光度法所得结果作比较，发现差异性不显著(P＞0.05)。
实施例5：
本实施例采用实施例1的数字微流控芯片系统，构型如图1和图2所示，配置重铬酸钾Cr6+标准溶液1000mL，浓度为0.10mg/L，50mL用于数字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。Cr6+数字微流控芯片分析过程如图3所示，包括如下步骤：
(1)由样品池S1产生Cr6+液滴；由A储液池产生一个硫酸/磷酸液滴与样品液滴融合，循环运动加速混匀，生成液滴一分为二，一个液滴排入废液区，另一个进入下一步骤；
(2)由B储液池产生一个掩蔽剂(硫氰化钠)液滴，与之前液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个液滴可直接与E储液池产生镉荧光探针液滴融合反应后，进入荧光检测区。另一个可进入下一步骤；
(3)由C储液池产生一个激活剂液滴(丙酮)融合，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个与D储液池产生的二苯卡巴腙液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个进入废液区，一个进入可见光检测区。
(4)CCD拍照，Image Pro软件分析颜色灰度，与数字微流控芯片生成标准曲线对照，计算Cd2+分析浓度，平行测定三次，测定后废液运行至储存废液电极。将所测浓度与分光光度法所得结果作比较，发现差异性不显著(P＞0.05)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用数字微流控芯片测定水体重金属离子的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)由样品池产生样品液滴沿程序设计路线运动；
(2)由A储液池产生缓冲液液滴，与样品液滴融合，循环运动加速混匀，生成液滴一分为二，一个液滴排入废液区，另一个液滴进入步骤(3)；
(3)由B储液池产生一个掩蔽剂液滴，与步骤 (2)中液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个液滴直接与E储液池产生荧光探针液滴融合反应后，进入荧光检测区，另一个液滴进入步骤(4)；
(4)由C储液池产生一个激活剂液滴与步骤 (3)中液滴融合，生成液滴一分为二，一个液滴进入废液区，另一个液滴进入步骤(5)；
(5)D储液池产生显色剂液滴与步骤 (4)中液滴融合，循环运动加速反应，生成液滴一分为二，一个液滴进入废液区，另一个液滴进入可见光检测区；
(6)反应结果由CCD拍照并进行灰度分析或光电二极管感应，与内控标准比较，自动做出结果判断；
各步骤中的液滴融合后进行循环往复运动的方式，采用液滴两电极或三电极左右震荡，或是四电极上下左右循环往复方式。
2.根据权利要求1所述的采用数字微流控芯片测定水体重金属离子的方法，其特征在于，所述液滴两电极或三电极左右震荡为20-30次；所述四电极上下左右循环往复为8-20次。
3.一种用于执行权利要求1或2所述的方法的数字微流控芯片系统，其特征在于，所述系统包括用于水体重金属测定的数字微流控芯片和用于水体重金属测定的数字微流控芯片外围设备；
所述数字微流控芯片包括平面结构，其分为工作区、引脚区和I/O接口，所述工作区包括液滴功能区和检测区；所述引脚区设置连接芯片、液滴驱动电路和电源的引脚；所述I/O接口连接测量液滴位置的传感电路；
所述数字微流控芯片由上、下两层正方形芯片结构构成，上层为ITO导电玻璃，下层为数字控制层，由下到上依次包括基底玻璃层、电极阵列层、绝缘介电层和疏水保护层；所述平面结构位于所述电极阵列层；
所述上层和下层间的隔层制备和芯片封装，采用SU-8光刻胶旋涂和光刻蚀技术实现隔层的标准化；芯片整体封装时将芯片上的引线脚通过金手指插座连接控制电路；
所述液滴功能区包括样品进样区、试剂进样区、样品预处理区和废液区，所述检测区包括可见光检测区和荧光检测区。
4.根据权利要求3所述的数字微流控芯片系统，其特征在于，所述用于水体重金属测定的数字微流控芯片外围设备包括芯片控制系统和芯片检测系统；所述芯片控制系统采用微控制器和继电器控制板来实现电极的电路控制。
5.根据权利要求3所述的数字微流控芯片系统，其特征在于，所述样品进样区设有样品池，所述试剂进样区设有A、B、C和D储液池，所述废液区设有废液池。
6.根据权利要求5所述的数字微流控芯片系统，其特征在于，缓冲溶液、掩蔽剂、显色剂和荧光探针液滴分别灌注在数字微流控芯片储液池A、B、C、D，水体样品进入样品池，通过外围电控单元对电极阵列程序加电，控制其对应表面的亲疏水特性，实现样品和溶液液滴的移动过程，完成整个测试分析。
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