CN109444120B - 基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用微流控技术和图像处理技术对农药残留与亚硝酸盐有害物质进行识别检测与记录的基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置与方法，可加热芯片检测腔内部放置多层微流控纸芯片，多层微流控纸芯片由从上至下叠放的胶接在一起的五层组成，每层上都有芯片条形码检测区，滴管逐滴地将混合液滴加在芯片进样口中，每层的芯片条形码检测区根据样品混合液的成分显出不同的颜色，智能移动设备对多层微流控纸芯片的显色结果进行成像并扫描得到检测结果，运用了有机磷类农药对乙酰胆碱酯酶的抑制原理以及酸性条件下氨基苯磺酸与N‑1‑萘基乙二胺的重氮耦合反应，集自动进样、智能加热、反应、显色与结果分析记录处理于一体。

Description

基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置与方法

技术领域

本发明涉及采用微流控技术和图像处理技术对农药残留与亚硝酸盐有害物质进行识别检测与记录的便携装置。

背景技术

目前，化学肥料与农药仍是防止农作物病害，增加农作物与土壤养分的主要手段，然而，农药残留对人体的危害极大，且残留毒素不宜检测，农药中毒会致癌致死，其广泛使用在水体与土壤中残留的化学物质也引发了一系列环境污染问题。含氮肥料对于改善土壤营养成分有着显著的作用，而氮肥过量或者超量使用，不仅易于造成水体污染，而且易于造成农产品中的硝酸盐以及亚硝酸盐含量显著提高。使用被亚硝酸盐污染的农产品会在人体中形成亚硝胺，是一种毒性很强的致癌物质，同时摄入超过标准的亚硝酸盐也会导致亚硝酸盐中毒。因此，如何便捷、快速、高效、准确而且经济地进行农产品农药残留与亚硝酸盐含量的检测已经成为保障人民日常饮食的关键且迫切的问题。

目前已有许多关于食品安全快速检测技术，例如中国发明专利申请号为201710259062.8的文献提出了一种多层的纸质微流控芯片的农药残留检测装置，装置集样品预处理装置，自动进样，并且在多层纸芯片中嵌入了石灰加热区，对乙酰胆碱酯酶反应的最佳温度进行维持，将样品加入其中的切割装置中，然后样品经过过滤滴加在芯片进样口中，通过反应显色，由光电检测装置对显色液检测，然后再由控制处理器分析得出农药的浓度。但是该装置仍然需要光电检测，光电接收器等复杂设备，并且所得到的实验数据依赖于精密仪器的分析处理，仍然没有实现随时随地地食品安全检测，并且实验结果分析所需的电气仪器不够日常化。

对农药残留检测一般采用基于酶联抑制法的一次性速测卡检测，而对于亚硝酸盐的检测一般采用基于重氮耦合法的一次性快速检测试纸检测。相比较于传统的气象色谱检测等手段，这些一次性速测卡检测虽然成本较低而且无需实验室环境以及善于操作精密设备的研究人员，但需要较多的人为操作与低效率的人工视觉记录与分析，不利于对于检测样品便捷的进行数据记录与管理，所以造成了大规模管理效率较低。而单次实验单次检测所造成的偶然性也较大，对于实验结果的稳定性与正确性影响较大，并且人工操作以及四季季节变化大难以保证农药检测所需的最佳检测温度37摄氏度，此外一次性农药检测需要人工进行对折按压较长时间，容易引入人为误差，影响检测精度，同时人工数据记录与分析也较为繁琐。

发明内容

本发明针对当前农药残留与亚硝酸盐检测采用的传统检测卡存在的缺陷，提出了一种基于多层纸基微流控芯片的智能化、自动化、高通量且便携式的农药残留与亚硝酸盐检测装置和该装置的检测方法，实现一次进样对单一指标多次检测，以解决现有的速测卡自动化程度低、检测程序繁琐、检测结果的偶然性较大、正确性不高的问题，更重要的是优化了实验结果处理分析与记录的过程，摆脱强烈依赖于人工的分析处理记录过程，实现了食品安全的随时随地、快速、便捷、自动化、智能化和高正确率检测记录与分析。

本发明基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置采用的技术方案是：最底部是一个封装检测箱，封装检测箱的顶部中间是固定设置的可加热芯片检测腔，可加热芯片检测腔内部放置多层微流控纸芯片，多层微流控纸芯片由从上至下叠放的胶接在一起的五层组成，每层上都有芯片条形码检测区，多层微流控纸芯片的上方有滴管和智能移动设备，智能移动设备上设有光学附件，滴管正对着可加热芯片检测腔的芯片进样口，光学附件正对着芯片条形码检测区，滴管顶端还经过滤装置和几字缓冲管道连接切割搅拌装置的底端，切割搅拌装置上方设有蒸馏水储液池，蒸馏水储液池底部通过引流管连接切割搅拌装置。

本发明基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置的检测方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、将样品放入切割搅拌装置中，蒸馏水通过引流管输送进入切割搅拌装置中，样品的质量与水的体积比为1g：1ml，切割搅拌装置对样品与蒸馏水进行切割搅拌，样品混合液通过过滤装置和几字缓冲管道进入滴管，滴管逐滴地将混合液滴加在芯片进样口中；

B、多层微流控纸芯片中每层的芯片条形码检测区根据样品混合液的成分显出不同的颜色；

C、 智能移动设备通过光学附件对多层微流控纸芯片的显色结果进行成像并扫描，判断是否得到规定的码字，得到农药和亚硝酸盐是否超标的检测结果。

本发明与已有技术相比具有如下优点：

1.本发明基于扫码式微流控纸芯片以及图像处理技术，运用了有机磷类农药对乙酰胆碱酯酶的抑制原理以及酸性条件下氨基苯磺酸与N-1-萘基乙二胺的重氮耦合反应，采用了多层化学编程微流控纸芯片与外部的自动处理进样装置，集自动进样、智能加热、反应、显色与智能便捷实验结果分析记录处理于一体，检测成本低，检测时间把控好，装置便携程度高，无需专业的实验室条件，无需专业分析人员，单次实验多次检测多次分析，大大提高了反应的正确率。

2.本发明通过EAN-8条形码的编码规则对于特定的编码区使用相应的化学显色试剂，实现了智能化学编程与智能设备的便捷快速识别纪录。

3.本发明装置集自动进样，自动样品预处理，以及精确的一比一样品与蒸馏水的混合处理，并且对于试剂的流量控制，芯片的自动化反应和相配套的自动试验记录分析于一体，减少了人工的劳动符合以及人为操作，自动化程度很高。

4.本发明的封装检测箱内部的数字温控仪与电子开关组成的反馈很大程度保障了37度的反应温度，对纸芯片上含有的乙酰胆碱酯酶的活性以及反应的效率进行了优化。

5.本发明采用了实时控制进样，样品混合液过滤等环节，发挥了人机一体化的优势。

6.本发明所采用的切割搅拌装置通过两个电动阀门确保了密封性，当打开电动阀门时通过大气压强差使得液体下流，节省能源，同时与之相连的过滤装置循序渐进，由粗到细，大大提高了过滤效率。

7.本发明的封装检测箱安置有可调节的对称照明光源，并且检测腔的盖子与表面均采用洁白色塑料并由防水砂膜覆盖，便于清洗防止反光，最大程度上消除图像处理背景的干扰，以及环境光源暗淡的影响，使得智能检测装置更好地对纸芯片第一层的二维码检测区进行图像识别处理。

8.本发明的智能检测纸芯片集成了PBS缓冲区对农药残留的酶最佳PH反应值进行优化，同时在亚硝酸盐检测通道上加入了硫酸锌沉降蛋白质，排除蛋白质中含氮元素的干扰，并且经过活性炭的过滤，使水果蔬菜中抗坏血酸对亚硝酸盐检测的影响被过滤掉。

附图说明

图1是本发明基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置的总体结构示意图；

图2是图1中的切割搅拌装置和过滤装置的连接结构放大图；

图3是图1中的封装检测箱的内部结构放大图；

图4是是图1中的多层微流控纸芯片的立体结构放大图；

图5是图4的内部结构主视图；

图6是图4中芯片第一层的俯视放大图；

图7是图4中芯片第二层的俯视放大图；

图8是图4中芯片第三层的俯视放大图；

图9是图4中芯片第四层的俯视放大图；

图10是图4中芯片第五层的俯视放大图；

图11是图1所示检测装置的检测流程图。

附图中各部件的序号和名称：

1.切割搅拌装置支撑台；2.蒸馏水储液池盖；3.蒸馏水容器支撑台；4.右木质支撑柱；5.固定螺丝；6.第一电动阀门；7.数字水位监控仪；8.第二电动阀门；9.橡胶密闭封盖；10.蒸馏水储液池；11.切割刀片；12.总控制台；13.电机；14.第三电动阀门；15.漏斗形粗过滤装置；16.细过滤装置；17.几字缓冲管道；18.滴管；19.榫卯连接轻型固定夹；20.智能移动设备；21.光学附件；22.包埋电线；23.电源；24.封装箱导线；25.电子开关；26.可调节光源；27.芯片检测盖；28.芯片检测盖门轴；29.多层微流控纸芯片；30.可加热芯片检测腔；31.引流管；32.压强平衡软管；33.切割搅拌装置；34.左木质支撑柱；35.可调节光源电源底座；36.封装检测箱；37.芯片进样口；38.镂空一区；39.镂空二区；40.镂空四区；41.镂空三区；42.芯片无印刷导水通道；43.芯片第一层；44.芯片第二层；45.芯片第三层；46.芯片第四层；47.芯片第五层；48.第一层镂空区；49.第一层导水管道；50.第一层疏水通道；51.农药残留检测显色区；52.亚硝酸盐检测显色区；53.第二层导水孔；54.A4纸质农药检测缓冲通道；55.第二层镂空区；56.亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道；57.PBS缓冲区；58.硫酸锌蛋白质沉降区；59.活性炭滤纸；60.氨基苯磺酸区；61.乙酰胆碱酯酶区；62.疏水喷蜡打印区；63.数字温控仪；64.农药残留检测显色区；65.亚硝酸盐检测显色区；66.农药残留检测显色区；67.亚硝酸盐检测显色区；68.A4纸质农药检测缓冲通道；69.亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道；70.A4纸质农药检测缓冲通道；71.亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道；72.PBS缓冲区；73.硫酸锌蛋白质沉降区；74.PBS缓冲区；75.硫酸锌蛋白质沉降区；76.活性炭滤纸；77.氨基苯磺酸区；78.乙酰胆碱酯酶区；79.活性炭滤纸；80.氨基苯磺酸区；81.乙酰胆碱酯酶区；82.芯片条形码检测区；83.第三层导水孔；84.第四层导水孔；85.第五层导水孔。

具体实施方式

参见图1，本发明基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置的最底部是一个封装检测箱36，封装检测箱36的左右各固定连接一个垂直的木质柱状体，分别是被固定在封装检测箱36左侧的左木质支撑柱34和被固定在其右侧的右木质支撑柱4，它们主要起着固定检测装置附件的作用，以及可以支撑检测装置上方的蒸馏水容器支撑台3以及其下方的切割搅拌装置支撑台1的作用。

左木质支撑柱34的顶端固定连接水平放置的切割搅拌装置支撑台1，切割搅拌装置支撑台1在封装检测箱36的上方，在切割搅拌装置支撑台1上安放切割搅拌装置33，切割搅拌装置支撑台1还通过固定螺丝5与右侧木质支撑柱4连接，将切割搅拌装置支撑台1固定牢固。右木质支撑柱4的顶端固定连接水平放置的蒸馏水容器支撑台3，在蒸馏水容器支撑台3上安放蒸馏水储液池10。蒸馏水储液池10在切割搅拌装置33的上方，蒸馏水储液池10底部通过引流管31连接下方的切割搅拌装置33，在引流管上设有第一电动阀门6，第一电动阀门6通过控制线连接总控制台12，通过总控制台12控制其开闭动作以释放或截止蒸馏水的流动。蒸馏水储液池10的顶端是蒸馏水储液池盖2，侧壁上用物理方法固定粘连数字水位监控仪7，以检测蒸馏水储液池10中的水位，水位监控仪7通过导线连接总控制台12，将水位数据传送给总控制台12，从而能够让样品与蒸馏水达到1g：1mL的固液比例混合。

蒸馏水容器支撑台3、蒸馏水储液池10、切割搅拌装置支撑台1、切割搅拌装置33外壳均使用硬质塑料制作，蒸馏水储液池10与数字水位监控仪7相接触的部分采用带刻度的透明塑料材质制作。

参见图1和图2，切割搅拌装置33外壳顶部设有橡胶密闭封盖9和设有与大气相通的压强平衡软管32，检测样品从橡胶密闭封盖9放入切割搅拌装置33外壳，压强平衡软管32与切割搅拌装置33外壳内部相通。压强平衡软管32与大气接触端装有第二电动阀门8，第二电动阀门8通过导线与总控制台12相连接。切割搅拌装置33外壳内部是四个互成90度的切割刀片11，四个切割刀片11连接于电机13，通过电机13转动样品并充分搅拌，电机13通过控制线与总控制台12相连。切割搅拌装置33外壳的底部连接有过滤装置，过滤装置由垂直的的上方的漏斗形粗过滤装置15和下方的细过滤装置16相连接组成，切割搅拌装置33外壳的底部连接垂直的漏斗形粗过滤装置15的顶端，漏斗形粗过滤装置15的底端连接细过滤装置16的顶端。漏斗形粗过滤装置15的底端的软管连接有第三电动阀门14，第三电动阀门14通过导线连接总控制台12，并受其控制从而可以与压强平衡软管32一起平衡切割搅拌装置33内部压强，通过大气压的作用，切割搅拌完成后的检测样品混合液可以流入漏斗形粗过滤装置15中，再通过漏斗形粗过滤装置15流入细过滤装置16中。细过滤装置16的底端与几字缓冲管道17的顶端相连，几字缓冲管道17的底端连接滴管18顶端。滴管18底端正对着下方的可加热芯片检测腔30的芯片检测盖27露出的芯片进样口37，从而经过几字缓冲管道17的检测液可以正对着芯片进样口37进行均匀进液。

参见图1和图3，可加热芯片检测腔30固定嵌入在封装检测箱36的顶部中间，芯片检测盖27是可加热芯片检测腔30的盖子，是一个方形的白色塑料盖，通过芯片检测盖门轴28达到开闭芯片检测盖27的目的。芯片检测盖27的一侧通过芯片检测盖门轴28连接封装检测箱36，中间设有矩形镂空，其边缘设有一个圆形镂空，矩形镂空正下方是芯片条形码检测区82，圆形镂空正下方是芯片进样口37，芯片进样口37的正上方是圆形镂空和滴管18，通过滴管18对芯片进样口37进行进样。滴管18同时通过榫卯连接轻型固定夹19固定连接在右木质支撑柱4上。芯片条形码检测区82的正上方是智能移动设备20，智能移动设备20固定连接于左木质支撑柱34上，智能移动设备20上设有光学附件21，光学附件21位于芯片条形码检测区82的正上方，正对着芯片条形码检测区82，通过智能移动设备20对芯片条形码检测区82进行条形码扫描。

可加热芯片检测腔30内部放置多层微流控纸芯片29，多层微流控纸芯片29的外形尺寸与芯片检测腔30内部的大小相吻合。可加热芯片检测腔30尺寸和芯片检测盖27的尺寸都经过测量耦合，确保多层微流控纸芯片29可以被放置在芯片检测腔30的同时空腔尺寸和高度都与多层微流控纸芯片29的尺寸和高度一致，从而达到多层微流控纸芯片29位置的固定。当安装在封装检测箱36上的芯片检测盖27盖下时，正好暴露出芯片条形码检测区82和芯片进样口37。可加热芯片检测腔30下方连接有数字温控仪63，用于控制可加热芯片检测腔30的内部温度。数字温控仪63通过连接线与电子开关25相连，当温度高于预设值时，电子开关25断开，低于预设值时又重新连通从而维持可加热芯片检测腔30内部合适的温度。在封装检测箱36内部嵌入电源模块23，电源模块23分别通过封装箱导线24与电子开关25和可调节光源电源底座35相连接。两个可调节光源电源底座35安装在封装检测箱36顶面上，分别位于芯片检测盖27的左右两侧。每个可调节光源电源底座35上安装有一个可调节光源26，可调节光源26可以通过旋钮根据环境人为增补光源减少图像识别的干扰。封装检测箱36是白色硬质塑料外壳，芯片检测盖27能遮挡住多层微流控纸芯片29有杂色的表面部分，可以减少复杂背景对图像处理的干扰，很大程度上提高扫描识别精度与速度。左木质支撑柱34的下方是中空的，内部有包埋电线22，电源模块23通过包埋电线22与智能移动设备20相连对其供能，使得智能移动设备20可以稳定的被供能从而自由驱动光学附件21。智能移动设备20是智能手机，根据智能手机配备的高性能芯片以及相应的光学附件，通过编程以及调控，可以很方便的实现所需的功能，或者对光学附件21即摄像头等所捕获的图像进行识别与处理分析。

参见图4、图5和图6，整个多层微流控纸芯片29由从上至下的叠放的芯片第一层43、芯片第二层44、芯片第三层45、芯片第四层46与芯片第五层47组成，各层之间用防水双面胶连接在一起。

芯片进样口37设在芯片第一层43，芯片第一层43的两侧各设有一个第一层导水管道49，芯片进样口37连接两个第一层导水管道49的进口，芯片进样口37和第一层导水管道49的四周围是第一层疏水通道50，第一层疏水通道50是图6中的深黑色区域。第一层疏水通道50由喷蜡打印机在滤纸的前后都喷蜡打印形成，经过恒温加热箱的溶蜡渗透达到了双面疏水效果。而第一层导水管道49与芯片进样口37仅仅在滤纸背部进行了喷蜡打印，在重力作用下，同时控制好时间与温度，就会使得芯片第一层43在经过恒温箱加热冷却后，可以形成既定的亲水管道承托液体并且让液体沿着第一层导水管道49的轨道流动。芯片第一层43的正中间是固定的EAN-8编码区，位于芯片条形码检测区82，固定的EAN-8编码区被喷蜡打印在芯片第一层43正中间，根据所检测的食品安全指标变化的化学编码区则没有被打印在滤纸上。EAN-8编码区中传递EAN-8条形码数据的编码区共有56个，并且每七个编码区编码一个数字，因此具有完整的传递具体数字的八位EAN-8条形码，可以将EAN-8条形码从左边的起始符至分隔符，最后到右边的结束符分成1到56号编码区。打印在芯片第一层43的二维码的2到3编码区是农药残留检测显色区51，该结构是由未被喷蜡打印的滤纸在背部涂抹适量的靛酚乙酸酯构成，靛酚乙酸酯是酶抑制反应的水解底物，也就是当农药含量比较低或者没有时乙酰胆碱酯酶会在农药残留检测显色区51将靛酚乙酸酯水解生成蓝色的物质，从而可以运用图像处理技术将编码出的相应颜色归一化为黑色，达到提高条形码扫描识别率的要求。同理，当农药含量较高，农药残留检测显色区51将会为白色。而在外部看由于靛酚乙酸酯涂在了滤纸的背部，所以从芯片外部扫描时不会被试剂本身的颜色影响，仍为白色。打印在芯片第一层43的EAN-8条形码的编码区44到45是亚硝酸盐检测显色区52，该结构是浸润了一定浓度的N-1-萘基乙二胺，在酸性条件下其与氨基苯磺酸形成紫色的络合物，使得该区域成为了与亚硝酸盐浓度成正比的紫色，同理通过图像处理，这种暗紫色也会归一化为黑色。同时为了使得发生在不同层的显色反应能够进行扫描处理，在芯片第一层43还采取了镂空处理，第一层镂空区48镂空的是EAN-8条形码的9到10号编码区、16到17编码区、30到31编码区以及37到38编码区，分别对应于镂空一区38、镂空二区39、镂空三区41以及镂空四区40。所以在芯片第一层43下方这些进行显色反应的化学反应区可以通过外部扫描获得完整的EAN-8条形码的编码结果。

参见图4、图5和图7，芯片第二层44即缓冲层，供引流缓冲之用，其上的左右两边各设有一个第二层导水孔53，两个第二层导水孔53两面都未被喷蜡打印，所以水分子可以在该区域自由的活动。两个第二层导水孔53分别与芯片第一层43中的对应侧的两个第一层导水管道49的出口相连接并连通，并且和下层芯片相连接并连通，使得液体能够在毛细作用下流动。在芯片第二层44的中间设有A4纸质农药检测缓冲通道54、亚硝酸盐检测显色区65、第二层镂空区55、农药残留检测显色区64、亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道56和疏水喷蜡打印区62。其中的A4纸质农药检测缓冲通道54采用了A4纸，与芯片第一层43上的条形码第2到第3编码区即农药残留检测显色区51的位置上下重合相对应，因为反重力渗透再加上A4纸的弱导水性可以使得乙酰胆碱酯酶和检测液混合渗透十分钟左右，从而使得含磷农药有足够的时间对乙酰胆碱酯酶进行充分的抑制。亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道56与芯片第一层43上的条形码第44到第45编码区即亚硝酸盐检测显色区52相对应，亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道56经过慢速滤纸的向上渗透，使氨基苯磺酸与亚硝酸盐检测显色区65接触前时间可优化至约五分钟，使得参与反应的化学制剂充分混合。第二层镂空区55对应于芯片第一层43上的条形码编码区30到31以及编码区16-17，是被镂空的。亚硝酸盐检测显色区65与第一层43上的编码区9到10上下重合对应，浸润了N-1-萘基乙二胺。农药残留检测显色区64与第一层43上的编码区37-38上下重合相对应，通过背面涂抹的靛酚乙酸酯，与未丧失活性的乙酰胆碱酯酶能够生成蓝色水解产物。而芯片第二层44上的其余部分是疏水喷蜡打印区62，使用了防水双面胶覆盖，是经过同样的双面喷啦打印以及恒温溶蜡导致有疏水功能。所以芯片第二层44能够与芯片第一层43紧密连接防止液体在纸纤维间流动时导致泄露。

参见图4、图5和图8，芯片第三层45上设有两个第三层导水孔83，通过第三层导水孔83与芯片第二层44中的第二层导水孔53相连通，其中，左边的第三层导水孔83与PBS缓冲区57通过芯片无印刷导水通道42相连通，PBS缓冲区57浸润有PH=7的PBS缓冲液，可以缓冲检测液PH值的波动，维持酶最佳活性PH值7.0。PBS缓冲区57通过弧形开口与涂抹有乙酰胆碱酯酶的乙酰胆碱酯酶区61相连，乙酰胆碱酯酶区61对应在二维码编码区2-3的位置。而在右边的第三层导水孔83则与渗透有硫酸锌的硫酸锌蛋白质沉降区58通过芯片无印刷导水通道42相连接，硫酸锌蛋白质沉降区58经过活性炭滤纸59与位于二维码第44到45编码区的氨基苯磺酸区60相互接触，氨基苯磺酸区60经过实验调试，施加最佳浓度，浓度为使得重氮耦合反应PH=1.0左右为宜，在该酸性条件附近可以使得重氮耦合反应发生在PH值最优条件下，有最佳的显色效果。活性炭滤纸59起排除抗坏血酸的干扰的作用，抗坏血酸可能导致检测结果误认为亚硝酸盐含量偏低，从而活性炭滤纸59可以排除这一实验干扰因素。

在氨基苯磺酸区60和乙酰胆碱酯酶区61之间从左到右是亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道69、农药残留检测显色区66、亚硝酸盐检测显色区67、A4纸质农药检测缓冲通道68。其中，亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道69位于芯片第一层43上EAN-8条形码9到10编码区，而A4纸质农药检测缓冲通道68位于条形码37到38编码区，农药残留检测显色区66位于芯片第一层43所述的EAN-8条形码16到17编码区，而亚硝酸盐检测显色区67位于条形码的30到31编码区。在芯片第三层45上除了两边的第三层导水孔83以及A4纸质农药检测缓冲通道68之外，亚硝酸盐检测显色区67、亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道69、农药残留检测显色区66以及氨基苯磺酸60和乙酰胆碱酯酶61都会覆盖上防水双面胶，从而达到与芯片第二层44紧密贴合使得液体的活动轨道达到密封防止液体泄漏，同时与两边的第三层导水孔83相连的仅有背部喷蜡打印的白色导水通道可以良好的承载液体。

参见图4、图5和图9，在芯片第四层46上的左右两侧各开有第四层导水孔84，通过两边的第四层导水孔84与芯片第三层45上的第三层导水孔83相通。其中，左边的第四层导水孔84通过导水通道连接硫酸锌蛋白质沉降区73，硫酸锌蛋白质沉降区73再通过弧形开口与活性炭滤纸76相连接，活性炭滤纸76与在氨基苯磺酸区77相接触。硫酸锌蛋白质沉降区73对该层检测液进行蛋白质的沉降，并经过活性炭滤纸76减少抗坏血酸对亚硝酸盐含量的不稳定影响，最终与位于二维码第9到10编码区的氨基苯磺酸区77相连，在氨基苯磺酸区77的酸性条件下，亚硝酸盐可以在芯片第三层45通过亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道69的与氨基苯磺酸在适宜条件下充分缓冲混合。而右边的第四层导水孔84通过导水通道连接PBS缓冲区72，PBS缓冲区72与位于EAN-8条形码第37到38编码区的乙酰胆碱酯酶区78相连接，使得检测液在进行酶抑制反应之前，将PH稳定在7.0左右，从而有益于乙酰胆碱酯酶的活性。在乙酰胆碱酯酶区78和氨基苯磺酸区77之间是A4纸质农药检测缓冲通道70和亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道71，其中A4纸质农药检测缓冲通道70位于条形码16到17编码区, 亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道71位于条形码30到31编码区。相似地，芯片第四层46除了设有两个第四层导水孔84、乙酰胆碱酯酶78、亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道71、氨基苯磺酸77以及A4纸质农药检测缓冲通道70，其它位置也均会覆盖防水双面胶，从而令芯片第四层46能够与芯片第三层45紧密相连，芯片第四层46两边与第四层导水孔84相连的仅有背面喷蜡打印导水管道可以保持良好的液体密封性，更好的承载液体。

参见图4、图5和图10，芯片第五层47的左右两侧设有第五层导水孔85，第五层导水孔85与芯片第四层46对应两侧的第四层导水孔84相连通。其中，左边的第五层导水孔85经导水通道与PBS缓冲区74相连接，PBS缓冲区74再与乙酰胆碱酯酶区81相连接，乙酰胆碱酯酶区81位于EAN-8条形码编码区16-17。PBS缓冲区74进行PH值优化，确保参与实验酶的最佳活性之后与乙酰胆碱酯酶区81相连接。而右边的第五层导水孔85经导水通道与硫酸锌蛋白质沉降区75相连接，硫酸锌蛋白质沉降区75又连接活性炭滤纸79，活性炭滤纸79与氨基苯磺酸区80相接触。硫酸锌蛋白质沉降区75的蛋白质沉降以及活性炭滤纸79的抗坏血酸过滤效果与位于条形码编码区30到31的氨基苯磺酸80相连接，使得最终检测出的亚硝酸盐含量能够充分混合并且排除蛋白质以及PH的干扰。在芯片第五层47，除了第五层导水孔85以及乙酰胆碱酯酶81与氨基苯磺酸80，其余位置也会被覆盖防水双面胶带，从而与芯片第四层46紧密相连，达到芯片各层之间的紧密耦合，同时芯片之间未被防水胶带覆盖的导水区域形成了如图5中所示的三维管道形状，使得检测液可以在多层芯片之间互联互通。

参见图1-11，本发明检测装置检测时，首先将多层微流控纸芯片29放入可加热芯片检测腔30中，然后手动洗净样品并进行称重，再将电源模块23接通电源，可调节光源26被点亮，同时闭合的电子开关25回路对可加热芯片检测腔30进行加热，在整个检测过程中数字温控仪63在可加热芯片检测腔30高于37.5度时断开电子开关25而在其低于36.5度时重新关闭电子开关25，提前确保多层微流控纸芯片29在适宜的反应温度。

然后通过橡胶密封盖9将样品放入切割搅拌装置33中，总控制台12控制数字水位监控仪7的注水量，在数字水位监控仪7完成预定注水量时，打开第一电动阀门6，将蒸馏水通过引流管31输送进入切割搅拌装置33中，总控制台12根据样品的质量与水的体积比为1g：1ml进行水量控制，实现进液。进液完毕后，开启电机13，电机13带动切割刀片11对放入的样品与蒸馏水进行切割搅拌，直至达到预先设定的时间后关闭电机13。在同时，将智能移动设备20设定好实际实验得出的最佳扫描时间。

电机13关闭后，总控制台12控制第二电动阀门8和打开第三电动阀门14同时打开，通过大气压强差的作用样品混合液首先通过漏斗形粗过滤装置15进行一重过滤，然后通过细过滤装置16的两重逐渐变细的过滤网进行细过滤，通过三层过滤，由粗网口到细网口，避免了过早采取细网口过滤导致的残渣堵塞的问题，提高过滤效率，也降低混合液杂质的含量。从细过滤装置16的混合检测液经过几字缓冲管道17后进入滴管18，由滴管18逐滴地将样品混合液滴加在芯片进样口37中，被引流至多层微流控纸芯片29中，对芯片进样。

在多层微流控纸芯片29中，每层的芯片条形码检测区82中的不同的化学检测区根据样品混合液的成分显色不同的颜色。首先，检测液体通过芯片第一层43的芯片进样口37分别向两边的导水通道扩散，然后通过芯片第二层44上的第二层导水孔53，分别进入到芯片第三层45的左右导水管道，在左边导水管道的检测液首先经过PBS缓冲区57对检测液的PH进行了优化，然后到乙酰胆碱酯酶区61中充分混合，之后与芯片第二层44上的A4纸质农药检测缓冲通道54，经过约十分钟的充分的渗透混合，若是检测中含有含磷农药，则有足够时间将乙酰胆碱酯酶的活性进行抑制。最终检测液通过第二层的A4纸质农药检测缓冲通道54与位于芯片第一层43的农药残留检测显色区51进行显色反应。而在芯片第三层45的右导水通道的检测液首先经过硫酸锌蛋白质沉降区58去除蛋白质的干扰，然后经过活性炭滤纸59到达含有氨基苯磺酸区60的滤纸上，经过芯片第二层44上的硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道56到达芯片第一层43上的亚硝酸盐检测显色区52进行显色反应。其余的检测液通过芯片第三层45的导水通道进入芯片第四层46的左右导水通道，芯片第四层46的左导水通道经过了硫酸锌蛋白质沉降区73，通过活性炭滤纸76去除抗坏血酸与含有氨基苯磺酸77的滤纸相接触融合，经过特定浓度的氨基苯磺酸可达到重氮偶合反应所需的酸性条件，经过芯片第三层45的亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道69与芯片第二层44的亚硝酸盐检测显色区65进行显色反应。而芯片第四层46的右导水通道经过PBS缓冲区72与乙酰胆碱酯酶区78混合，经过芯片第三层45的A4纸质农药检测缓冲通道68与芯片第二层44的农药残留检测显色区64进行显色反应。通过芯片第四层46的左右导水通道，检测液到达芯片最底层即芯片第五层47，左边的导水通道与PBS缓冲区74相连，进行PH优化后，与乙酰胆碱酯酶区81相接触，经由芯片第四层46的A4纸质农药检测缓冲通道70的充分混合与芯片第三层45的农药残留检测显色区66进行显色反应。芯片第五层47的右导水通道与硫酸锌蛋白质沉降区75通过导水通道和活性炭滤纸相互连接，过滤掉检测液中的抗坏血酸后，与氨基苯磺酸80充分混合，通过芯片第四层46亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道71在芯片第三层45的亚硝酸盐检测显色区67进行显色。从而在芯片检测盖27上方，一个显示有检测液的有害物质含量的二维码就被完整的编码出来。

智能移动设备20在预设时间通过光学附件21对多层微流控纸芯片29的显色结果进行成像并三次扫描，纪录下三次扫描识别频次最大的码字，判断是否得到规定的码字，若不是规定的码字，或者三次扫描皆为不同的码字，则再次扫描，直到有规范的结果出现并纪录，得到农药和亚硝酸盐是否超标的检测结果。当EAN-8条形码扫描结果为“77799999”，表明亚硝酸盐超标, 农药未超标。当扫描结果为“79797979”，表明亚硝酸盐与农药都超标,当扫描结果为“97999799”，表明亚硝酸盐与农药都未超标，当扫描结果为“99997779”， 表明农药超标，亚硝酸盐未超标，则为规范的扫描结果，若不是这四种码字，智能移动设备20会按之前的设定进行重复扫描。

Claims (5)

1.基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置，该检测装置的最底部是一个封装检测箱（36），封装检测箱（36）的顶部中间是固定设置的可加热芯片检测腔（30），可加热芯片检测腔（30）内部放置多层微流控纸芯片（29），多层微流控纸芯片（29）由从上至下叠放的胶接在一起的五层组成，每层上都有芯片条形码检测区（82），多层微流控纸芯片（29）的上方有滴管（18）和智能移动设备（20），智能移动设备（20）上设有光学附件（21），滴管（18）正对着可加热芯片检测腔（30）的芯片进样口（37），光学附件（21）正对着芯片条形码检测区（82），滴管（18）顶端还经过滤装置和几字缓冲管道（17）连接切割搅拌装置（33）的底端，切割搅拌装置（33）上方设有蒸馏水储液池（10），蒸馏水储液池（10）底部通过引流管（31）连接切割搅拌装置（33），所述的多层微流控纸芯片（29）的芯片第一层（43）两侧各设有一个第一层导水管道（49），芯片进样口（37）连接两个第一层导水管道（49）的进口，芯片第一层（43）的正中间是位于芯片条形码检测区（82）的EAN-8编码区，其中的编码区2到3是涂抹有靛酚乙酸酯的第一农药残留检测显色区（51），编码区44到45是浸润N-1-萘基乙二胺的第一亚硝酸盐检测显色区（52），编码区9到10、16到17、30到31以及37到38是第一层镂空区（48）；

多层微流控纸芯片（29）的芯片第二层（44）的左右两边各设有一个分别与同侧的第一层导水管道（49）相连通的第二层导水孔（53），芯片第二层（44）的中间设有对应于编码区2到3的第一A4纸质农药检测缓冲通道（54）、对应于编码区9到10的第二亚硝酸盐检测显色区（65）、对应于编码区30到31以及16-17的第二层镂空区（55）、对应于编码区37到38的第二农药残留检测显色区（64）、对应于编码区44到45的第一亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道（56）；

多层微流控纸芯片（29）的芯片第三层（45）的左右两侧各设有两个与第二层导水孔（53）相连通的第三层导水孔（83），芯片第三层（45）的左边的第三层导水孔（83）与第一PBS缓冲区（57）通过芯片无印刷导水通道（42）相连通，第一PBS缓冲区（57）浸润有PH=7的PBS缓冲液，第一PBS缓冲区（57）与对应于编码区2到3的第一乙酰胆碱酯酶区（61）相连，右边的第三层导水孔（83）与渗透有硫酸锌的第一硫酸锌蛋白质沉降区（58）相连接，第一硫酸锌蛋白质沉降区（58）经过第一活性炭滤纸（59）与对应于编码区44到45的第一氨基苯磺酸区（60）相互接触；

在第一氨基苯磺酸区（60）和第一乙酰胆碱酯酶区（61）之间从左到右是第二亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道（69）、第三农药残留检测显色区（66）、第三亚硝酸盐检测显色区（67）、第二A4纸质农药检测缓冲通道（68），第二亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道（69）位于芯片第一层（43）上EAN-8条形码9到10编码区，第二A4纸质农药检测缓冲通道（68）位于条形码37到38编码区，第三农药残留检测显色区（66）位于芯片第一层（43）所述的EAN-8条形码16到17编码区，第三亚硝酸盐检测显色区（67）位于条形码30到31编码区；

多层微流控纸芯片（29）的芯片第四层（46）上的左右两侧各设有与第三层导水孔（83）相通的第四层导水孔（84），左边的第四层导水孔（84）连接第二硫酸锌蛋白质沉降区（73），第二硫酸锌蛋白质沉降区（73）再与第二活性炭滤纸（76）相接触，第二活性炭滤纸（76）与对应于编码区9到10的氨基苯磺酸区（77）相连，右边的第四层导水孔（84）连接第二PBS缓冲区（72），第二PBS缓冲区（72）连接对应于编码区37到38的第二乙酰胆碱酯酶区（78），在第二乙酰胆碱酯酶区（78）和第二氨基苯磺酸区（77）之间是对应于编码区16到17的第三A4纸质农药检测缓冲通道（70）和对应于编码区30到31的第三亚硝酸盐检测慢速滤纸缓冲通道（71）；

多层微流控纸芯片（29）的芯片第五层（47）的左右两侧各设有与第四层导水孔（84）相通的第五层导水孔（85），左边的第五层导水孔（85）与第三PBS缓冲区（74）相连接，第三PBS缓冲区（74）再与对应于码编码区16到17的第三乙酰胆碱酯酶区（81）相连接，右边的第五层导水孔（85）与第三硫酸锌蛋白质沉降区（75）相连接，第三硫酸锌蛋白质沉降区（75）又连接第三活性炭滤纸（79），第三活性炭滤纸（79）与对应于编码区30到31的第三氨基苯磺酸区（80）相接触。

2.根据权利要求1所述的基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置，其特征是：蒸馏水储液池（10）底部通过引流管（31）连接切割搅拌装置（33），蒸馏水储液池（10）的侧壁上固定粘连连接总控制台（12）的数字水位监控仪（7），引流管（31）上设有连接总控制台（12）的第一电动阀门（6）。

3.根据权利要求1所述的基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置，其特征是： 切割搅拌装置（33）外壳顶部设有橡胶密闭封盖（9）和设有与大气相通的压强平衡软管（32），压强平衡软管（32）上设有与总控制台（12）相连接的第二电动阀门（8），切割搅拌装置（33）外壳内部是四个互成90度的切割刀片（11），四个切割刀片（11）连接于电机（13），电机（13）与总控制台（12）相连。

4.根据权利要求1所述的基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置，其特征是：可加热芯片检测腔（30）下方连接有数字温控仪（63），数字温控仪（63）通过电子开关（25）连接电源模块（23），电源模块（23）还连接可调节光源电源底座（35），有两个可调节光源电源底座（35）设在封装检测箱（36）顶面上，每个可调节光源电源底座（35）上装有一个可调节光源（26）。

5.一种如权利要求1所述的基于扫码式纸芯片的农药残留与亚硝酸盐检测装置的检测方法，其特征是包括以下步骤：

A、将样品放入切割搅拌装置（33）中，蒸馏水通过引流管（31）输送进入切割搅拌装置（33）中，样品的质量与水的体积比为1g：1ml，切割搅拌装置（33）对样品与蒸馏水进行切割搅拌，样品混合液通过过滤装置和几字缓冲管道（17）进入滴管（18），滴管（18）逐滴地将混合液滴加在芯片进样口（37）中，

B、多层微流控纸芯片（29）中每层的芯片条形码检测区（82）根据样品混合液的成分显出不同的颜色；

C、 智能移动设备（20）通过光学附件（21）对多层微流控纸芯片（29）的显色结果进行成像并扫描，判断是否得到规定的码字，得到农药和亚硝酸盐是否超标的检测结果。

Images