CN109856095A - 一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统与方法，包括微流控芯片、暗室、激光发射器和激光发射器探头、硅光电二极管、直流电源、数据采集仪以及服务器终端；微流控芯片包括基底和设置在基底上的芯片主体；芯片主体包括：设置在芯片主体上的润滑油样品进液池、CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池、与润滑油样品进液池和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池连通的混合直通道、与混合直通道连通的混合弯通道、与混合弯通道末端连通的样品检测池以及与样品检测池末端连通的废弃池；混合直通道内还设置有n根混合小柱。本发明技术方案实现在线检测润滑油中的铜离子，将光学检测系统进行自组装实现检测方法的便携性，检测时间短、成本低、稳定性高。

Description

一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统与方法

技术领域

本发明涉及检测润滑油中铜离子含量的技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统与方法。

背景技术

机械设备润滑油中的添加元素及含量如钙、镁、锌、磷、钡等通常是表明油品质量的重要特征值，而使用过程中或使用过的润滑油中能指示磨损和污染的金属元素及含量如铁、铬、铜、锰、铅、铝、镍等却是能够监测润滑油性能和预测各种机械故障的重要参数。监测机械设备润滑油中的金属离子含量可以实时显示设备的磨损状态和故障预判，维护人员可据此采取相应措施，从而有效降低机械故障的发生概率，及时防止重大机械事故的发生。例如，在润滑油中混有少量的铜离子是正常的，但如果铜离子浓度突然急剧上升，则意味着可能发生了摩擦磨损机械故障，维护人员据此应立即采取紧急停机等操作，将损失降至最低。

目前常规的铜离子检测方法主要有：分光光度法、原子吸收法、流动注射法、电化学分析法、X荧光分析、离子色谱法。大部分检测方法操作复杂、仪器昂贵、设备大型而不适用于现场检测，此外还需专业人员进行操作。另外，最重要的是上述方法通常仅能用于水溶液而不能用于有机介质如滑油，在润滑油中检测铜离子仍然是一个较大的挑战，因此建立一种简单、快速、有效、便携、试剂用量少、绿色环保的润滑油中铜离子检测方法非常必要。

全无机卤化铯铅钙钛矿量子点(CsPbX₃,X＝Cl,Br,I或其混合)近年来由于其独特的性质如高光致发光量子产率，独特的载流子分离性能，高电荷载流子迁移率和较长的有效扩散长度而备受关注，其在LED、太阳能电池、存储器件、荧光传感器等领域显示出巨大的潜力。由于钙钛矿量子点荧光探针对有机介质中的金属离子检测有独特的光学性质，其可为润滑油中的铜离子检测提供新的思路。

微流控芯片实验室(Lab-On-Chip)是把生物、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。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统与方法。本发明主要利用将微流控芯片作为整个反应及检测载体对润滑油中铜离子浓度进行检测，利用硅光电二极管对荧光信号进行检测。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，其特征在于包括微流控芯片、用于为检测提供黑暗环境进而防止外界光线形成干扰的暗室、用于为样品检测池中的混合样品提供激发光源产生荧光信号的激光发射器和激光发射器探头、用于采集样品检测池中的反应物荧光信号的硅光电二极管、用于为硅光电二极管提供电源的直流电源、用于将硅光电二极管采集到的电信号放大并进行处理的数据采集仪以及用于对所述数据采集仪处理后的信号进行计算并显示的服务器终端；

所述微流控芯片包括基底和设置在基底上的芯片主体；所述芯片主体包括：

设置在芯片主体上的润滑油样品进液池、CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池、与润滑油样品进液池和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池连通的混合直通道、与所述混合直通道连通的混合弯通道、与混合弯通道末端连通的样品检测池以及与样品检测池末端连通的废弃池；所述混合直通道内还设置有n根混合小柱；所述混合直通道和所述混合弯通道组成混合微通道。

进一步地，所述微流控芯片为双层结构，上层为PDMS材质的通道层，下层为玻璃基底层，所述混合直通道和混合弯通道设置在通道层的下方，与所述玻璃基底层贴合形成密封通道；所述润滑油样品进液池、CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池以及废液池的开口均设置在通道层的上方。

进一步地，所述芯片主体采用PDMS材料制成。

进一步地，所述混合微通道为促进样品与荧光试剂混合的阵列结构，至少为三列并排且具有统一宽度和长度的回形结构。

进一步地，所述润滑油样品进液池和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池的入口均设置有用于同时向所述两个进液池分别自动注入润滑油样品和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液的驱动装置。

进一步地，所述驱动装置为微量注射泵。

进一步地，所述服务器终端为LabView软件。

本发明还提供了一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测方法，所述方法利用基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统实现，且包括如下步骤：

步骤1：制备标准浓度的CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液；

步骤2：将微量注射泵与微流控芯片两个样品进液池通过PTEF管进行密封连接，并将芯片插入暗箱中；

步骤3：使用微量注射泵，将CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液和润滑油样品同时注入芯片中；

步骤4：待CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液与润滑油样品中的铜离子在混合通道内混合完全后，混合后样品进入样品检测池中，打开激光发射器，使用硅光电二极管对样品检测池中的荧光信号进行在线检测，使用专用的LabView软件对测试数据进行分析，与标准曲线进行比对，得出检测结果。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统与方法，通过采用微流控芯片，将光学检测系统进行自组装实现了对润滑油中铜离子的检测，操作简单。

2、本发明提供的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统与方法，微流控芯片通道将润滑油样品与钙钛矿荧光量子点试剂混合、反应及检测集中于一体，可实现在线检测润滑油中的铜离子；检测时间短、稳定性较高。

3、本发明提供的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统与方法，芯片通道设计具有促进润滑油样品与钙钛矿荧光量子点试剂混合和反应的结构，降低了荧光试剂和样品的用量，检测成本低。

基于上述理由本发明可在检测润滑油中铜离子含量等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明检测系统结构示意图。

图2为本发明检测系统中微流控芯片的结构示意图。

图中：1、微流控芯片；2、暗箱；3、直流电源；4、激光发射探头；5、激光发射器；6、硅光电二极管；7、数据采集仪；8、服务器终端；9、润滑油样品进液池；10、CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池；11、混合直通道；12、混合小柱；13、混合弯通道；14、样品检测池；15、废液池。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如图1所示，本发明提供了一种微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，包括微流控芯片1、用于为检测提供黑暗环境进而防止外界光线形成干扰的暗室2、用于为样品检测池中的混合样品提供激发光源产生荧光信号的激光发射器5和激光发射器探头4、用于采集样品检测池中的反应物荧光信号的硅光电二极管6、用于为硅光电二极管提供电源的直流电源3、用于将硅光电二极管采集到的电信号放大并进行处理的数据采集仪7以及用于对所述数据采集仪7处理后的信号进行计算并显示的服务器终端8；

如图2所示，微流控芯片1包括基底和设置在基底上的芯片主体；芯片主体包括：设置在芯片主体上的润滑油样品进液池9、CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池10、与润滑油样品进液池9和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池10连通的混合直通道11、与混合直通道11连通的混合弯通道13、与混合弯通道13末端连通的样品检测池14以及与样品检测池末端连通的废弃池15；混合直通道11内还设置有n根混合小柱12；混合直通道11和混合弯通道13组成混合微通道，混合微通道为促进样品与荧光试剂混合的阵列结构，至少为三列并排且具有统一宽度和长度的回形结构。

作为优选的实施方式，微流控芯片1为双层结构，上层为PDMS材质的通道层，下层为玻璃基底层，混合直通道11和混合弯通道13设置在通道层的下方，与玻璃基底层贴合形成密封通道；润滑油样品进液池9、CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池10以及废液池15的开口均设置在通道层的上方。

作为优选的实施方式，润滑油样品进液池9和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池10的入口均设置有用于同时向所述两个进液池分别自动注入润滑油样品和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液的驱动装置，驱动装置为微量注射泵。

作为优选的实施方式，所述服务器终端8为LabView软件，用于对数据采集仪处理后的信号进行计算、显示。

作为优选的实施方式，所述微流控芯片1的芯片主体采用PDMS材料制成。

作为优选的实施方式，在对润滑油样品进行检测时，先将微量注射泵分别和润滑油样品进液池9以及CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池10使用PTEF管进行密封连接，将润滑油样品从润滑油样品进液池9引入，CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液从CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池10引入，润滑油样品与CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液在混合直通道11和混合弯通道13内充分混合，混合直通道11内的混合小柱12可以增强混合效果。由于CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点可以与有机溶剂如润滑油中的铜离子发生特异性反应，从而使铜离子对CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点的荧光有一定的猝灭作用，降低荧光强度，铜离子浓度越大，猝灭作用越强，混合物的荧光强度越弱。激光发射器5可以产生一定波长的激光，对混合物中的光子进行激发产生荧光，硅光电二极管6用于采集发出的荧光强度，通过数据采集仪7和服务器终端8在计算机中显示，从而得出检测结果。

本发明还提供了一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测方法，所述方法利用基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统实现，且包括如下步骤：

步骤1：制备标准浓度的CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液；

步骤2：将微量注射泵与微流控芯片两个样品进液池通过PTEF管进行密封连接，并将芯片插入暗箱中；

步骤3：使用微量注射泵，将CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液和润滑油样品同时注入芯片中；

步骤4：待CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液与润滑油样品中的铜离子在混合通道内混合完全后，混合后样品进入样品检测池中，打开激光发射器，使用硅光电二极管对样品检测池中的荧光信号进行在线检测，使用专用的LabView软件对测试数据进行分析，与标准曲线进行比对，得出检测结果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，其特征在于包括微流控芯片、用于为检测提供黑暗环境进而防止外界光线形成干扰的暗室、用于为样品检测池中的混合样品提供激发光源产生荧光信号的激光发射器和激光发射器探头、用于采集样品检测池中的反应物荧光信号的硅光电二极管、用于为硅光电二极管提供电源的直流电源、用于将硅光电二极管采集到的电信号放大并进行处理的数据采集仪以及用于对所述数据采集仪处理后的信号进行计算并显示的服务器终端；

所述微流控芯片包括基底和设置在基底上的芯片主体；所述芯片主体包括：

设置在芯片主体上的润滑油样品进液池、CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池、与润滑油样品进液池和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池连通的混合直通道、与所述混合直通道连通的混合弯通道、与混合弯通道末端连通的样品检测池以及与样品检测池末端连通的废弃池；所述混合直通道内还设置有n根混合小柱；所述混合直通道和所述混合弯通道组成混合微通道。

2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，其特征在于，所述微流控芯片为双层结构，上层为PDMS材质的通道层，下层为玻璃基底层，所述混合直通道和混合弯通道设置在通道层的下方，与所述玻璃基底层贴合形成密封通道；所述润滑油样品进液池、CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池以及废液池的开口均设置在通道层的上方。

3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，其特征在于，所述芯片主体采用PDMS材料制成。

4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，其特征在于，所述混合微通道为促进样品与荧光试剂混合的阵列结构，至少为三列并排且具有统一宽度和长度的回形结构。

5.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，其特征在于，所述润滑油样品进液池和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液进液池的入口均设置有用于同时向所述两个进液池分别自动注入润滑油样品和CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液的驱动装置。

6.根据权利要求5所述的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，其特征在于，所述驱动装置为微量注射泵。

7.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统，其特征在于，所述服务器终端为LabView软件。

8.一种基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测方法，其特征在于所述方法利用权利要求1所述的基于微流控芯片的润滑油中铜离子检测系统实现，且包括如下步骤：

步骤1：制备标准浓度的CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液；

步骤2：将微量注射泵与微流控芯片两个样品进液池通过PTEF管进行密封连接，并将芯片插入暗箱中；

步骤3：使用微量注射泵，将CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液和润滑油样品同时注入芯片中；

步骤4：待CsPbBr₃钙钛矿荧光量子点溶液与润滑油样品中的铜离子在混合通道内混合完全后，混合后样品进入样品检测池中，打开激光发射器，使用硅光电二极管对样品检测池中的荧光信号进行在线检测，使用专用的LabView软件对测试数据进行分析，与标准曲线进行比对，得出检测结果。