CN109946242A - 一种基于微流控芯片的可逆式铵检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流控芯片的可逆式铵检测装置，属于微流控芯片检测领域，包括光源和光谱仪，还包括设置在光源的光路上的微流控芯片，微流控芯片集成有：反应芯片，由含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片与玻璃封合而成，设有两个进口以及一个出口；气体扩散芯片，由两片玻璃芯片以及夹在两玻璃芯片中间的气体透过膜封合而成，设有两个进口与两个出口，两个进口的其中一个连接反应芯片的出口，另一个连接吸收液注射泵；检测芯片，由含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片、中间有通孔的玻璃片以及固定有指示剂的底层玻璃按从上到下的顺序封合而成，设有连接气体扩散芯片的一个出口的进口与一个出口，该出口与气体扩散芯片的另一个出口为废液出口。

Description

一种基于微流控芯片的可逆式铵检测装置

技术领域

本发明涉及微流控芯片检测领域，具体地说，涉及一种基于微流控芯片的可逆式铵检测装置。

背景技术

铵盐是自然界及人类生产过程中存在的重要成分之一。农业肥料生产，燃料燃烧，微生物活动等过程都有铵盐的存在。铵盐的另一个来源是氨气，氨气被酸性溶液吸收后同样会形成铵盐。但并不是所有过程中铵盐的存在都是有利的，比如锅炉中产生的硫酸氢氨(ABS)对空预器及脱硝催化剂都会产生损害，水中的铵浓度过高则会对水生生物造成致命影响。

运用光谱检测的方法对铵盐进行定量检测是一种常见有效的方法，主要原理是铵盐与指示剂发生反应后产生特定的颜色变化，颜色变化的程度与待测物浓度成正比。然后用光谱仪记录光强变化，从而得到铵浓度。常见指示剂有靛酚蓝、溴酚蓝、纳氏试剂等。

公告号为CN207992106U的中国专利文献公开了一种应用于水质控制的基于电化学检测的铵测量设备，提出了基于电化学的铵测量，采用自动和主动的方式，特别能够对浊度高的水体进行测量。但是该技术的缺陷在于检测试剂用量大以及电化学装置容易老化失效。

公告号为CN204789321U的中国专利文献公开了一种铵离子检测分析仪，提出了一种基于气体吸收的光谱测量方法，通过将铵离子转化为氨气，然后在紫外光波长范围进行定量分析。这种方法避免了使用添加剂和附加污染等问题，但是却存在试剂用量大，成本较高等问题。

综上所述，基于光谱法的铵测量具有一定的优势，但是目前的方法还存在各种各样的弊端，包括分析试剂用量大，测量过程较为复杂，指示剂反应不可逆，指示剂配置过程有毒性等问题。

发明内容

本发明的目的为提供一种基于微流控芯片的可逆式铵检测装置，解决了分析试剂用量大，指示剂反应不可逆造成浪费的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的基于微流控芯片的可逆式铵检测装置，包括光源和光谱仪，还包括设置在光源的光路上的微流控芯片，微流控芯片集成有：

反应芯片，由含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片与玻璃封合而成，设有分别连接铵溶液注射泵和NaOH溶液注射泵的两个进口以及一个出口；

气体扩散芯片，由两片玻璃芯片以及夹在两玻璃芯片中间的气体透过膜封合而成，设有两个进口与两个出口，两个进口的其中一个连接反应芯片的出口，另一个连接吸收液注射泵；

检测芯片，由含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片、中间有通孔的玻璃片以及固定有指示剂的底层玻璃按从上到下的顺序封合而成，设有连接气体扩散芯片的一个出口的进口与一个出口，该出口与气体扩散芯片的另一个出口为废液出口。

上述技术方案中，刚开始指示剂呈现绿色，通过铵溶液注射泵和NaOH溶液注射泵将铵溶液和NaOH溶液分别注入反应芯片的两个进口，在反应芯片中铵溶液和NaOH溶液反应，产生NH₃，由于NaOH溶液浓度高，溶液整体呈碱性，含有NH₃的碱性溶液到达气体扩散芯片的一个进口，在气体扩散芯片的流动过程中，NH₃会通过气体透过膜扩散进入含有吸收液的另外一边，吸收液成分为去离子水，通过吸收液注射泵注入。去离子水吸收扩散而来的NH₃后，携带其进入检测芯片。在检测芯片中，指示剂与水中的NH₃分子发生反应，颜色由绿色变为紫色，变色程度与NH₃浓度有关，此时光谱仪记录下光谱的变化(以没有NH₃时的光谱作为参考)，从而得到一开始的NH₄ ⁺浓度。测量结束后，在反应芯片的进口处将铵溶液改为去离子水，将不会再有NH₃进入反应芯片，此时已经结合的指示剂和NH₃分子将会分离，由紫变绿，足够长的时间后回归原始状态，此时可以开始下一次测量。整个过程可逆，节约了原料。

作为优选，使用聚四氟乙烯管连接所述反应芯片、气体扩散芯片以及检测芯片的各个进口与出口。

作为优选，气体透过膜是以聚二甲基硅氧烷为材质的薄膜，膜厚为10μm。

作为优选，底层玻璃上以4000r/min的转速悬涂有聚二甲基硅氧烷及固化剂，作为指示剂的固定层。

作为优选，指示剂通过将锌卟啉永久染色在氢型阳离子交换树脂表面制作而成。锌卟啉与NH₃分子而非NH₄ ⁺进行反应，通过反应芯片将NH₄ ⁺转化为NH₃，通过气体扩散芯片将NH₃分离，避免其他成分的干扰，最后通过检测芯片中锌卟啉进行检测。锌卟啉为可逆指示剂，避免了浪费。

作为优选，检测芯片的制作过程为：

在聚二甲基硅氧烷没有固化时，将中间有通孔的玻璃片放置在固定层上，将指示剂通过通孔均匀撒在固定层上，然后将所述固定层在真空条件下加热固化，实现指示剂的固定；

采用标准光刻法制作一层含有通道的聚二甲基硅氧烷层，在进口和出口处打孔，插入钢针，然后通过等离子处理实现不可逆封合。

作为优选，光谱仪连接计算机，并通过光纤连接有一透镜，光源透过微流控芯片后传入透镜内，经透镜聚焦到光纤内，传入光谱仪内。可采用LED作为光源，并固定准直器，产生一束平行光，照射含有指示剂的部分，平行光的宽度与检测芯片上通孔的宽度相近。光纤固定在透镜的焦点处，将通过检测芯片的光收集到光纤中，将光纤与光谱仪连接，光谱仪与计算机连接，实现光谱的检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的基于微流控芯片的可逆式铵检测装置采用微流控芯片作为分析平台，只需很少的试剂量即可完成分析。指示剂具有良好的可逆性，能够重复利用，节省了指示剂，提升了测量的经济性，同时指示剂配置过程没有毒性，操作简便。且测量系统紧凑灵活，占用空间小，方便随拆随用。

附图说明

图1为本发明实施例的可逆式铵检测装置结构示意图；

图2为本发明实施例的微流控芯片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1和图2，本实施例的基于微流控芯片的可逆式铵检测装置包括LED光源001、准直器002、光谱仪003、微流控芯片004、焦距为50mm的透镜005、光纤006和计算机007。LED光源001通过准直器002，产生一束平行光，照射含有指示剂的微流控芯片004，平行光的宽度与微流控芯片004上通孔的宽度相近。光纤006固定在透镜005的焦点处，透镜与光纤通过定制的可调镜筒进行调节与固定，将通过微流控芯片004的光收集到光纤006中，光纤006与光谱仪003连接，光谱仪003与计算机007连接，实现光谱的检测。

微流控芯片004内集成有反应芯片010、气体扩散芯片020和检测芯片030。反应芯片010通过以下方法制作：采用标准光刻法制作出含有反应通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)层，通道采用蜿蜒曲折的设计，提升反应物在通道内的时间和反应完全程度。在进口和出口处打孔，然后插入中空的钢针。将PDMS层与盖玻片在等离子清洗器中处理后粘和在一起，通过共价键形成永久不可逆的封合。

气体扩散芯片020通过以下方法制作：上层玻璃021和下层玻璃022采用标准湿法刻蚀制作出形状完全对称的通道，各自含有一个进口和一个出口，但上、下层的进口和出口采用不对称设计，避免压力过大损坏气体透过膜023。气体透过膜023材质为PDMS，厚度为10μm。上层玻璃021、下层玻璃022以及气体透过膜023通过等离子处理后实现永久不可逆封合。

检测芯片030通过以下方法制作：将锌卟啉永久染色在氢型阳离子交换树脂表面，作为指示剂。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)悬涂在玻璃片上，作为指示剂的固定层031。在PDMS没有固化时，将一片中间有10mm通孔的玻璃片032轻轻放置在固定层031上，将指示剂通过通孔均匀撒在固定层031上，然后将固定层031在真空条件下加热固化，实现指示剂的固定。同样采用标准光刻法制作一层含有通道的PDMS层033，在进口和出口处打孔，插入钢针，然后通过等离子处理实现永久不可逆封合。

反应芯片010设有两个进口和一个出口，两个进口分别连接铵溶液注射泵040和NaOH溶液注射泵050。气体扩散芯片020设有两个进口与两个出口，两个进口的其中一个连接反应芯片010的出口，另一个连接吸收液注射泵060。检测芯片030设有连接气体扩散芯片020的一个出口的进口与一个出口，该出口与气体扩散芯片020的另一个出口为废液出口。反应芯片010中通道的宽度和深度均为100μm，气体扩散芯片中通道宽度为300μm，深度为50μm，检测芯片030中通道宽度和深度均为100μm。

铵溶液注射泵040和NaOH溶液注射泵050的注射速率均为0.1μL min^-1，吸收液注射泵060的注射速率为0.2μL min^-1。NaOH溶液注射泵050注射成份为1M的NaOH和0.1M的EDTA，铵溶液注射泵040在采集参考光谱时注射成分为去离子水，进行铵测量时注射成分为铵溶液，吸收液注射泵060注射成分为去离子水。开始使用前需检查芯片各自的密封性以及连接的密封性，防止出现液体泄漏等现象。

本实施例采用便携式光谱仪进行光谱分析，选用的测试波长为450nm。采集参考光谱和测量光谱前，首先测量暗光谱并将其在随后的测量中减去。先进行参考光谱的采集，随后进行铵测量光谱的采集，铵测量光谱采集需要持续到光谱稳定后一段时间。参考光谱和测量光谱都用光谱中的最大值做归一化处理。在测量未知浓度的样品前，先进行标定，方法为：配制一系列已知浓度的铵溶液，分别得到测量光谱，提取450nm处的强度与参考光谱中450nm处的强度相减，得到不同氨浓度下光谱强度变化，据此结果作图得到标定曲线。每个浓度至少得到3个数据点后取平均值作为结果。每次测量结束后，用微量注射泵2注射去离子水使锌卟啉恢复到初始的绿色状态，并通过光谱强度变化数据与0做比较判断锌卟啉是否仍然能够继续使用，然后在进行下一次测试。使用过程中需要保持LED灯、芯片、透镜的位置保持相对固定，否则需要重新进行标定。

本实施例的检测过程为：将锌卟啉染在氢型离子交换树脂表面，呈现绿色，通过铵溶液注射泵040和NaOH溶液注射泵050将铵溶液和NaOH溶液分别注入反应芯片010的两个进口，在反应芯片010中铵溶液和NaOH溶液反应，产生NH₃，由于NaOH溶液浓度高，溶液整体呈碱性，含有NH₃的碱性溶液到达气体扩散芯片的一个进口，在气体扩散芯片的流动过程中，NH₃会通过气体透过膜扩散进入含有吸收液的另外一边，吸收液成分为去离子水，通过吸收液注射泵注入。去离子水吸收扩散而来的NH₃后，携带其进入检测芯片。在检测芯片中，锌卟啉与水中的NH₃分子发生反应，颜色由绿色变为紫色，变色程度与NH₃浓度有关，此时光谱仪记录下光谱的变化(以没有NH₃时的光谱作为参考)，从而得到一开始的NH₄ ⁺浓度。测量结束后，在反应芯片010的进口处将铵溶液改为去离子水，将不会再有NH₃进入反应芯片，此时已经结合的锌卟啉和NH₃分子将会分离，由紫变绿，足够长的时间后回归原始状态，此时可以开始下一次测量。由于锌卟啉与NH₃分子而非NH₄ ⁺进行反应，因此通过反应芯片将NH₄ ⁺转化为NH₃，通过气体扩散芯片将NH₃分离，避免其他成分的干扰，最后通过检测芯片030中固定的可逆指示剂锌卟啉进行检测。整个过程可逆，节约了原料。

Claims (8)

1.一种基于微流控芯片的可逆式铵检测装置，包括光源和光谱仪，其特征在于，还包括设置在所述光源的光路上的微流控芯片，所述微流控芯片集成有：

反应芯片，由含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片与玻璃封合而成，设有分别连接铵溶液注射泵和NaOH溶液注射泵的两个进口以及一个出口；

气体扩散芯片，由两片玻璃芯片以及夹在两玻璃芯片中间的气体透过膜封合而成，设有两个进口与两个出口，两个进口的其中一个连接所述反应芯片的出口，另一个连接吸收液注射泵；

检测芯片，由含有通道的聚二甲基硅氧烷芯片、中间有通孔的玻璃片以及固定有指示剂的底层玻璃按从上到下的顺序封合而成，设有连接所述气体扩散芯片的一个出口的进口与一个出口，该出口与气体扩散芯片的另一个出口为废液出口。

2.根据权利要求1所述的可逆式铵检测装置，其特征在于，使用聚四氟乙烯管连接所述反应芯片、气体扩散芯片以及检测芯片的各个进口与出口。

3.根据权利要求1所述的可逆式铵检测装置，其特征在于，所述的气体透过膜是以聚二甲基硅氧烷为材质的薄膜。

4.根据权利要求1所述的可逆式铵检测装置，其特征在于，所述的底层玻璃上悬涂有聚二甲基硅氧烷及固化剂，作为所述指示剂的固定层。

5.根据权利要求4所述的可逆式铵检测装置，其特征在于，所述的指示剂通过将锌卟啉永久染色在氢型阳离子交换树脂表面制作而成。

6.根据权利要求5所述的可逆式铵检测装置，其特征在于，所述的检测芯片的制作过程为：

在聚二甲基硅氧烷没有固化时，将中间有通孔的玻璃片放置在固定层上，将指示剂通过通孔均匀撒在固定层上，然后将所述固定层在真空条件下加热固化，实现指示剂的固定；

采用标准光刻法制作一层含有通道的聚二甲基硅氧烷层，在进口和出口处打孔，插入钢针，然后通过等离子处理实现不可逆封合。

7.根据权利要求1所述的可逆式铵检测装置，其特征在于，所述的光谱仪连接计算机，并通过光纤连接有一透镜，所述的光源透过所述微流控芯片后传入所述透镜内，经透镜聚焦到所述光纤内，传入所述光谱仪内。

8.根据权利要求1所述的可逆式铵检测装置，其特征在于，所述的吸收液为去离子水。