CN109781810A - 快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统 - Google Patents
快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，包括基底，基底上面设有纸基电化学三电极系统，纸基电化学三电极系统两侧设有阵列直线型叉指换能器，基底下面设有隔膜，隔膜对应于纸基电化学三电极系统的位置设有温控结构；应用时智能手机中搭载的循环伏安检测程序发出控制数字信号，经蓝牙模块、微控制器、数模转换模块转换为电压信号，控制用于电化学测量的恒电位仪向纸基电化学三电极系统施加电压，纸基电化学三电极系统发生氧化还原反应后得到的电流信号通过用于电化学测量的恒电位仪、微控制器转换至数字信号，经蓝牙模块向智能手机中搭载的循环伏安检测程序输出，得到循环伏安曲线图；本发明实现精准操控，简单便携，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及微纳制造技术领域，特别涉及一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统。
背景技术
重金属离子引起的环境污染是一个全球性问题，重金属离子在人体内富集，通过产生自由基而导致严重的健康问题。因此如何快速准确的检测重金属离子浓度已经成为迫切的问题。纸基分析装置具有成本低、试剂消耗少、操作简单，便携等优点，在环境检测方面有广泛的应用，但是单纯依靠毛细作用力驱动液体在纸基上反应检测，在无泵送情况下液体流动缓慢，分析时间过长，溶液在基底上挥发会引起定量分析偏差，影响浓度检测精度，并且缺乏采样检测后针对检测结果的实时显示和输出，因此发展具有结构简单、与纸基结合促进液流，同时体积小、便携带、整体重金属离子检测系统具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，实现反应过程的精准操控，同时实现多物质检测；系统简单便携，效率高，能够进行实时温度控制，智能手机上搭载循环伏安检测程序，可实现重金属离子浓度的现场实时检测需求。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，包括基底1，基底1的上面设有纸基电化学三电极系统3，纸基电化学三电极系统3两侧设有阵列直线型叉指换能器2，基底1的下面设有隔膜4，隔膜4对应于纸基电化学三电极系统3的位置设有温控结构5；
所述的阵列声表面波纸基微流控系统应用时和智能手机、循环伏安探测器构成了整个检测系统，循环伏安探测器包括微控制器、功率单元、数模转换模块、蓝牙模块和用于电化学测量的恒电位仪；智能手机中搭载的循环伏安检测程序发出控制数字信号，经蓝牙模块传输至微控制器中的同轴输入输出端口，微控制器发出激励至数模转换模块，数模转换模块将控制数字信号转换为电压信号，控制用于电化学测量的恒电位仪向阵列声表面波纸基微流控系统中的纸基电化学三电极系统3的工作电极7、参比电极8施加电压，纸基电化学三电极系统3发生氧化还原反应后得到的电流信号通过用于电化学测量的恒电位仪向微控制器中的模数转换模块输出，模数转换模块将电流信号转换至数字信号，经微控制器中的同轴输入输出端口传输至蓝牙模块，向智能手机中搭载的循环伏安检测程序输出，得到循环伏安曲线图。
所述的基底1材质为铌酸锂晶体。
所述的阵列直线型叉指换能器2由三个直线型叉指和直线型反射栅组成，直线型叉指的外围布有直线型反射栅；直线型叉指共由20对指条组成，指条长度为5毫米，排布位置为左侧两个直线型叉指形成一列，右侧排布一个直线型叉指，左右直线型叉指间距为16毫米，右侧直线型叉指中心线位于左侧直线型叉指列中心位置处。
所述的纸基电化学三电极系统3包括2个相对的三电极系统，每个三电极系统由对电极6、工作电极7、参比电极8组成，采用丝网印刷制作，先设计好三电极系统，使用导电碳浆印刷至色谱纸9上，烘干后，在色谱纸9反面使用PDMS和TEOS的混合液印刷三电极系统的功能检测区10形成疏水性屏障。
所述隔膜4为二氧化硅薄膜，溅射于基底1下方，隔膜4上溅射有温控结构5。
所述的温控结构5包括2个子结构，每个子结构由能够升降温的热敏电阻5-1和柔性热电模块5-2组成。
所述的用于电化学测量的恒电位仪和微控制器通过功率单元供电，功率单元和数模转换模块构成能量转换模块，数模转换模块DAC选用DAC8552TI，功率单元包含两个电源芯片TPS79933和TPS79901，分别为用于电化学测量的恒电位仪和微控制器提供两种5V和3.3V电压供电。
所述的微控制器选用C8051f005，包含两个使用功能，将由同轴输入输出端口发出激励至能量转换模块中的数模转换模块，模数转换模块将用于电化学测量的恒电位仪得到的电流信号转换成数字信号，经微控制器中的同轴输入输出端口传输至蓝牙模块。
所述的用于电化学测量的恒电位仪基于跨阻抗放大器原理设计，选用AD8608(ADI)。
所述的循环伏安检测程序被设计为用户和系统之间的交互式接口，程序启动后，用户能够使用智能手机搜索连接循环伏安探测器；然后，用户在应用程序界面设置初始电压，最终电压，扫描速率和周期；在检测过程中，通过蓝牙模块实时进行数据传输，从而实时绘制循环伏安图。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明适用于微量液体混合、反应的微反应装置，进行重金属离子浓度检测时，应用阵列直线型叉指换能器，能够同时进行两种物质检测，对阵列直线型叉指换能器施加响应频率的交变电压，阵列直线型叉指换能器产生声表面波，对反应区液体进行驱动，交错排列式的叉指换能器产生相互作用的声辐射力，使得液体迅速旋转混合，有效促进了微量液体的反应进程，增强了电化学反应中电信号，同时产生的声辐射力作用形成不同方向的力矩，使得两纸基电化学三电极系统的液体反应区不会相互污染。使用的纸基电化学三电极系统，制作简单，同时满足了电信号的传输需求，结合能量转换模块、用于电化学测量的恒电位仪、蓝牙模块、微控制器形成便携式循环伏安探测器，应用智能手机对循环伏安探测器进行控制和数据显示，完成了重金属离子检测系统的整体搭建。
本发明使用声表面波促进液体反应，使用的纸基电化学三电极系统与阵列直线型叉指换能器分离，可同时实现两种物质检测，并且可更改修饰电极，适合多种物质的微反应检测，温控装置可以保证反应液维持适宜的反应温度，实现不同检测需求。
本发明设备简单便携，集成度高，样本需求量小，能耗低，构建了基于智能手机的循环伏安检测程序，反应效率高，实现多种物质的便携式检测需求。
附图说明
图1是本发明的三维结构视图。
图2是本发明的剖视图。
图3是本发明纸基电化学三电极系统的示意图。
图4是本发明阵列直线型叉指换能器和温控结构的仰视图。
图5是本发明的应用原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
参照图1、图2，一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，包括基底1，基底1的上面设有纸基电化学三电极系统3，纸基电化学三电极系统3两侧设有阵列直线型叉指换能器2，基底1的下面设有隔膜4，隔膜4对应于纸基电化学三电极系统3的位置设有温控结构5。
所述的基底1材质为压电材料128°旋转Y切割X传播方向的铌酸锂晶体。
所述的阵列直线型叉指换能器2应用AutoCAD进行掩模板设计制成菲林片，进行光刻、蒸镀在基底1上，阵列直线型叉指换能器2由三个直线型叉指和直线型反射栅组成，直线型叉指的外围布有直线型反射栅；直线型叉指共由20对指条组成，指条长度为5毫米，排布位置为左侧两个直线型叉指形成一列，右侧排布一个直线型叉指，左右直线型叉指间距为16毫米，右侧直线型叉指中心线位于左侧直线型叉指列中心位置处。
参照图1、图3，所述的纸基电化学三电极系统3包括2个相对的三电极系统，每个三电极系统由对电极6、工作电极7、参比电极8组成，采用丝网印刷制作，先设计好三电极系统，使用导电碳浆印刷至色谱纸9上，烘干后，在色谱纸9反面使用PDMS和TEOS的混合液印刷三电极系统的功能检测区10形成疏水性屏障。
所述的隔膜4为二氧化硅薄膜，溅射于基底1下方，隔膜4上溅射有温控结构5。
参照图4，所述的温控结构5包括2个子结构，每个子结构由能够升降温的热敏电阻5-1和柔性热电模块5-2组成。
所述的基底1高1毫米，阵列直线型叉指换能器2的高度为100纳米；隔膜4高度为70纳米；热敏电阻的高度为2毫米，柔性热电模块的高度为1.5毫米。
参照图5，所述的阵列声表面波纸基微流控系统应用时和智能手机、循环伏安探测器构成了整个检测系统，循环伏安探测器包括微控制器、功率单元、数模转换模块、蓝牙模块和用于电化学测量的恒电位仪；循环伏安检测程序搭载在智能手机上,用于控制循环伏安探测器和接收数据，循环伏安探测器中的蓝牙模块与智能手机间进行数据传输与控制；智能手机中搭载的循环伏安检测程序发出控制数字信号，经蓝牙模块传输至微控制器中的同轴输入输出端口，微控制器发出激励至数模转换模块，数模转换模块将控制数字信号转换为电压信号，产生三角波信号的刺激和用于电化学测量的恒电位仪引脚的恒定电压，实现循环伏安电压扫描功能，控制用于电化学测量的恒电位仪向阵列声表面波纸基微流控系统中的纸基电化学三电极系统3的工作电极7、参比电极8施加电压，纸基电化学三电极系统3发生氧化还原反应后得到的电流信号通过用于电化学测量的恒电位仪向微控制器中的模数转换模块输出，模数转换模块将电流信号转换至数字信号，经微控制器中的同轴输入输出端口传输至蓝牙模块，向智能手机中搭载的循环伏安检测程序输出，得到循环伏安曲线图。
所述的用于电化学测量的恒电位仪和微控制器通过功率单元供电，功率单元和数模转换模块构成能量转换模块，数模转换模块DAC选用DAC8552TI，功率单元包含两个电源芯片TPS79933和TPS79901，分别为用于电化学测量的恒电位仪和微控制器提供两种5V和3.3V电压供电。
所述的微控制器选用C8051f005，包含两个使用功能，将由同轴输入输出端口发出激励至能量转换模块中的数模转换模块，模数转换模块将用于电化学测量的恒电位仪得到的电流信号转换成数字信号，经微控制器中的同轴输入输出端口传输至蓝牙模块。
所述的用于电化学测量的恒电位仪基于跨阻抗放大器原理设计，选用AD8608(ADI)，用于设置电化学检测中工作电极7和参比电极8的电压并测量电流，适用于电化学检测中的循环伏安法检测。
所述的蓝牙模块选用HC-06。
所述的循环伏安检测程序被设计为用户和系统之间的交互式接口，程序启动后，用户能够使用智能手机搜索连接循环伏安探测器；然后，用户在应用程序界面设置初始电压，最终电压，扫描速率和周期；在检测过程中，通过蓝牙模块实时进行数据传输，从而实时绘制循环伏安图。
本发明的工作原理为：使用移液枪将反应液滴在纸基电化学三电极系统3的功能检测区10内，对阵列直线型叉指换能器2施加交流电压，直线型叉指换能器产生的声表面波行波驱动功能检测区10内的液体加速旋转混合，加速了反应进程，增强了反应区内氧化还原反应产生的电信号，三电极系统将产生的电流信号传出至用于电化学测量的恒电位仪处，经微控制器中的模数转换模块将采集到的模拟信号转换为数字信号，微控制器中的同轴输入输出端口传输至蓝牙模块，通过蓝牙模块将转换后的数字信号传输到智能手机的循环伏安检测程序，根据传输数据得到循环伏安曲线图，实现对重金属离子浓度的测量，同时智能手机上的循环伏安检测程序对循环伏安探测器进行操控。温控结构5可以实时监测并调整反应液温度，保证反应在适宜温度下进行。该系统采用阵列直线型叉指结构，可同时检测两个反应，满足不同检测需求，不仅可进行重金属离子浓度的检测，还可以完成葡萄糖、农药、过氧化氢等物质浓度检测，同时可促进其他微生物化学反应。
本发明使用智能手机控制的循环伏安探测器扫描速率从0.01V/s—0.1V/s，电压范围可以从-1—1V。与电化学工作站相比，本发明可以移动进行检测，检测精度满足需求，同时可以修改检测物质所用电极，实现多种检测需求。智能手机具备强大的存储、数据处理和显示功能，是进行小型移动检测设备的有利选择。
本发明利用声表面波的声致微流效应，阵列直线型叉指换能器2和纸基电化学三电极系统3结合，能够完成多种电化学反应，利用能量转换模块、用于电化学测量的恒电位仪模块、蓝牙模块和智能手机的循环伏安检测程序搭载了物质浓度检测的数据传输、控制与显示部分，实现物质浓度检测的整体过程。温控结构5可以实时监测并调整反应液温度，保证反应在适宜的温度下进行，本发明可进行具有生物活性的化学反应，采用了微纳加工工艺，大大减小了设备体积，后期电路搭载选用模块体积也小，与现有传统设备相比集成度高，便携，节约能耗，只需微量反应液体，对实验产生的化学污染小，易处理，整体设备可靠性高。
Claims (10)
1.一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，包括基底(1)，其特征在于：基底(1)的上面设有纸基电化学三电极系统(3)，纸基电化学三电极系统(3)两侧设有阵列直线型叉指换能器(2)，基底(1)的下面设有隔膜(4)，隔膜(4)对应于纸基电化学三电极系统(3)的位置设有温控结构(5)；
所述的阵列声表面波纸基微流控系统应用时和智能手机、循环伏安探测器构成了整个检测系统，循环伏安探测器包括微控制器、功率单元、数模转换模块、蓝牙模块和用于电化学测量的恒电位仪；智能手机中搭载的循环伏安检测程序发出控制数字信号，经蓝牙模块传输至微控制器中的同轴输入输出端口，微控制器发出激励至数模转换模块，数模转换模块将控制数字信号转换为电压信号，控制用于电化学测量的恒电位仪向阵列声表面波纸基微流控系统中的纸基电化学三电极系统(3)的工作电极(7)、参比电极(8)施加电压，纸基电化学三电极系统(3)发生氧化还原反应后得到的电流信号通过用于电化学测量的恒电位仪向微控制器中的模数转换模块输出，模数转换模块将电流信号转换至数字信号，经微控制器中的同轴输入输出端口传输至蓝牙模块，向智能手机中搭载的循环伏安检测程序输出，得到循环伏安曲线图。
2.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述的基底(1)材质为铌酸锂晶体。
3.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述的阵列直线型叉指换能器(2)由三个直线型叉指和直线型反射栅组成，直线型叉指的外围布有直线型反射栅；直线型叉指共由20对指条组成，指条长度为5毫米，排布位置为左侧两个直线型叉指形成一列，右侧排布一个直线型叉指，左右直线型叉指间距为16毫米，右侧直线型叉指中心线位于左侧直线型叉指列中心位置处。
4.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述的纸基电化学三电极系统(3)包括2个相对的三电极系统，每个三电极系统由对电极(6)、工作电极(7)、参比电极(8)组成，采用丝网印刷制作，先设计好三电极系统，使用导电碳浆印刷至色谱纸(9)上，烘干后，在色谱纸(9)反面使用PDMS和TEOS的混合液印刷三电极系统的功能检测区(10)形成疏水性屏障。
5.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述隔膜(4)为二氧化硅薄膜，溅射于基底(1)下方，隔膜(4)上溅射有温控结构(5)。
6.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述的温控结构(5)包括2个子结构，每个子结构由能够升降温的热敏电阻(5-1)和柔性热电模块(5-2)组成。
7.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述的用于电化学测量的恒电位仪和微控制器通过功率单元供电，功率单元和数模转换模块构成能量转换模块，数模转换模块DAC选用DAC8552TI，功率单元包含两个电源芯片TPS79933和TPS79901，分别为用于电化学测量的恒电位仪和微控制器提供两种5V和3.3V电压供电。
8.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述的微控制器选用C8051f005，包含两个使用功能，将由同轴输入输出端口发出激励至能量转换模块中的数模转换模块，模数转换模块将用于电化学测量的恒电位仪得到的电流信号转换成数字信号，经微控制器中的同轴输入输出端口传输至蓝牙模块。
9.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述的用于电化学测量的恒电位仪基于跨阻抗放大器原理设计，选用AD8608(ADI)。
10.根据权利要求1所述的一种快速检测重金属离子浓度的阵列声表面波纸基微流控系统，其特征在于：所述的循环伏安检测程序被设计为用户和系统之间的交互式接口，程序启动后，用户能够使用智能手机搜索连接循环伏安探测器；然后，用户在应用程序界面设置初始电压，最终电压，扫描速率和周期；在检测过程中，通过蓝牙模块实时进行数据传输，从而实时绘制循环伏安图。
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| GR01 | Patent grant | ||
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