发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述问题,提供一种便携式水质多参量检测设备,该装置仅使用一张芯片即可在短时间内完成多种不同检测指标的检测,装置整体尺寸小、便携性高,并且检测过程操作简便,准确度高,能够广泛适用于各种检测方法。
为了实现上述目的,本发明提供一种便携式水质多参量检测设备,该便携式水质多参量检测设备包括可旋转芯片和芯片检测器,所述可旋转芯片能够在芯片检测器中进行旋转;所述可旋转芯片具有多个反应池,多个所述反应池设置在以所述可旋转芯片的中心为圆心的一个以上圆周上,与所述反应池对应设置有用于确定检测信号的标记;所述芯片检测器包括识别部和检测部,所述识别部用于识别所述可旋转芯片上的所述标记,所述检测部用于根据识别部识别的信号相应地检测所述反应池的信号。
优选地,所述可旋转芯片的中心部处设置有固定部件,所述固定部件用于将所述可旋转芯片固定在所述芯片检测器上,并且所述可旋转芯片能够在芯片检测器中进行旋转。
优选地,所述可旋转芯片为圆形。
优选地,所述可旋转芯片包括基片和盖片,所述反应池设置在所述基片上,所述盖片上设置有试剂池,所述基片和所述盖片相对移动,使得所述反应池与所述试剂池相互连通或分离。
优选地,所述试剂池中预置有遇样品会产生色度变化信号、吸光度变化信号、荧光信号、拉曼光谱信号和红外信号中的一种或多种的试剂。
优选地,多个所述反应池设置在以所述可旋转芯片的中心为圆心的一个圆周上。
优选地,所述反应池分为多组且每组具有多个反应池,每组的多个反应池分别设置在以所述可旋转芯片(1)的中心为圆心的一组同心圆中一个的圆周上。
优选地,每组反应池分别对应设置有不同的用于确定检测信号的标记。
优选地,所述检测部包括色度检测部件、吸光度检测部件、荧光信号检测部件、拉曼信号检测部件和红外光谱检测部件中的一种或多种。
优选地,所述可旋转芯片的中心部处设置有固定部件,所述固定部件用于将所述可旋转芯片固定在所述芯片检测器上,并且所述可旋转芯片能够在芯片检测器中进行旋转。
优选地,所述可旋转芯片能够通过手动或者通过芯片检测器中的驱动部件驱动而进行旋转。
优选地,该便携式水质多参量检测设备还包括进样部件、带动芯片转动的机械部件、信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件、数据传输部件中的一种或多种。
本发明还提供了一种水质多参量检测方法,该方法用于对水质进行多参量检测,其特征在于,使用上述本发明的便携式水质多参量检测设备进行水质多参量检测,其中,将样品加样至所述可旋转芯片的所述反应池,使所述可旋转芯片旋转,并利用所述芯片检测器进行检测。
本发明还提供了上述便携式水质多参量检测设备或者上述水质多参量检测方法在环境监测领域、应急检测领域或者分子诊断领域等中的应用。
通过上述技术方案,本发明提供了一种快速、多参数的便携式水质多参量检测设备,与现有技术相比,本发明用微流控芯片集成了移液、混合等操作,使用者只需要用进样器采集样品并注射入芯片,即可快速现场读出多个指标的测试值。芯片内的液体流动可以采用手动驱动,无需外界驱动力,并可以根据需要整合预分离、纯化、稀释、混合、反应等多种功能。多个反应池同时反应,实现多参数测定。反应池内光学信号的读出采用手持式芯片检测仪,光路固定而转动或移动芯片,使反应池顺次通过检测光路,从而实现信号读出,非常适用于环境监测、应急检测等检测领域。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
根据本发明的便携式水质多参量检测设备,如图1-2所示,该便携式水质多参量检测设备包括可旋转芯片1和芯片检测器2,所述可旋转芯片1能够在芯片检测器2中进行旋转;所述可旋转芯片1具有多个反应池,多个所述反应池设置在以所述可旋转芯片1的中心为圆心的一个以上圆周上,与所述反应池对应设置有用于确定检测信号的标记;所述芯片检测器2包括识别部和检测部,所述识别部用于识别所述可旋转芯片1上的所述标记,所述检测部用于根据识别部识别的信号相应地检测所述反应池的信号。
如上述,本发明的便携式水质多参量检测设备,通过与反应池对应设置用于确定检测信号的标记,从而可以在可旋转芯片1的使用过程中,通过旋转芯片,使得可旋转芯片1中的反应池位于芯片检测器2对应的检测位置处,同时可以确定相应的检测部件,仅使用一张芯片即可在短时间内完成多种不同检测指标的检测。并且检测过程操作简便,准确度高,并且能够广泛适用于各种检测方法。优选地,与每个反应池分别对应设置有用于确定检测信号的标记,由此一张芯片即可在短时间内完成多种不同检测指标的检测。并且检测过程操作简便,准确度高,并且能够适用于各种检测方法。
根据本发明,多个所述反应池的设置方式只要使得芯片旋转后,不同反应池均可以位于芯片检测器2的检测区域即可。通过使多个所述反应池设置在以所述可旋转芯片1的中心为圆心的一个以上圆周上,从而能够用单个检测部件完成芯片上的多个反应池的检测,达到批量检测的目的。
根据本发明,所述反应池中可以根据检测的需要预置试剂。样品与预置的试剂接触并反应后,可以通过芯片检测器进行定量的检测,例如目标成分的浓度、组成等信息,为现场检测提供一种检测的便捷式一体化方法。
在本发明中,所述标记可以为具有特定的颜色或形状的标记,例如可以通过印刷或者粘贴等方式形成在所述可旋转芯片上,也可以是芯片上的具有特定形状的凹槽、缺口等。所述标记的形状没有特别的限定,达到识别和区分的目的即可,例如可以为三角形、正方形、正五边形、星形,当然也可以为数字、字母或者各种不规则的形状。在可旋转芯片1上可以仅设置1个上述标记,该标记用于确定芯片的检测信号(可以是同一检测信号,也可以是多个反应池中不同信号的检测顺序),从而在用不同可旋转芯片进行不同测试时便于确定检测方式;在可旋转芯片上也可以对应一组甚至每个反应池设置相应的检测信号,从而在一张芯片完成不同信号的检测。
在本发明中,所述可旋转芯片1的形状没有特别的限定,可以是通常用于微全分析芯片的各种形状,从便于旋转的角度考虑,所述可旋转芯片1优选为圆形或正多边形,更优选为圆形。所述可旋转芯片为圆形时,优选绕其圆心进行旋转。
根据本发明的一个优选的实施方式,如图2中的b-e所示,所述可旋转芯片1包括基片和盖片,所述反应池设置在所述基片上,所述盖片上设置有试剂池,所述基片和所述盖片相对移动,使得所述反应池与所述试剂池相互连通或分离。
如上述,所述可旋转芯片1进一步由可相对旋转的基片和盖片构成,所述基片上设置有反应池以及可选的流道,所述盖片上设置有试剂池以及可选的流道。所述试剂池中可以预置有检测过程需要的反应试剂。并且由于所述基片和所述盖片相对移动使得所述反应池与所述试剂池能够相互隔离,所述可旋转芯片中可以方便地保存反应试剂,并且在检测时,能够通过再次使所述基片和所述盖片相对移动使得所述反应池与所述试剂池相互连通,从而使得预置在所述试剂池中的试剂与所述反应池中的样品接触,适用于各种需要与试剂反应的检测过程。优选地,相对于一个所述反应池,所述试剂池可以根据需要设置为一个以上,例如2-3个,并通过多次移动达到使该一个以上试剂池中均可以与所述反应池相互连通。由此,可以实现需要多次添加试剂的检测反应。
在图2中的b示出了可旋转芯片1的基片,其上设置了反应池,c示出了可旋转芯片1的盖片,其上设置了试剂池。图2中的d、e分别为所述可旋转芯片1的两种旋转状态图,示出了反应池与不同的试剂池连通的状态。
在本发明中,所述可旋转芯片1上的反应池可以为2个以上,优选为5个以上,更优选为5-50个。
在本发明中,所述可旋转芯片的形状没有特别的限定,从便于旋转操作的角度考虑,优选为圆形。
根据本发明的一个优选的实施方式,如图2中的a所示,多个所述反应池设置在以所述可旋转芯片1的中心为圆心的圆周上。即多个所述反应池距离可旋转芯片1的中心的距离相等。优选所述可旋转芯片的中心部设置有进样孔,所述进样孔和所述反应池直接通过流道连接。所述流道成放射状,优选分为多组设置。
根据本发明的另一个优选的实施方式,如图2中的b-e所示,所述反应池分为多组且每组具有多个反应池,每组的多个反应池分别设置在以可旋转芯片1的中心为圆心的一组同心圆中一个的圆周上。即每组的多个反应池距离可旋转芯片1的中心的距离相等。此时,标记的设置方式没有特别的限定,从简化装置的角度考虑,优选检测同一信号的标志对应一组反应池设置。
根据本发明的进一步优选的实施方式,所述基片和所述盖片绕所述可旋转芯片1的中心相对转动,此时,优选所述试剂池和与之对应的反应池设置在以可旋转芯片1的中心为圆心的同一个圆周上。
根据本发明,所述试剂池中预置的试剂可以根据检测反应的需要进行选择,例如可以预置有遇样品会产生色度变化信号、吸光度变化信号、荧光信号、拉曼光谱信号和红外信号中的一种或多种的试剂。作为上述吸光度变化,可以为可见光和/或紫外光谱区的吸光度变化信号。例如进行吸光度检测时,需要预置与样品接触会产生吸光度变化的试剂;进行光度检测时,需要预置与样品接触会产生色度变化的试剂。
根据本发明,所述可旋转芯片的可旋转芯片1的中心部处设置有固定部件,所述固定部件用于将所述可旋转芯片固定在检测装置上,并且所述可旋转芯片能够绕可旋转芯片1的中心旋转。所述固定部件可以为带有卡扣或者螺纹等结构的中空孔、凹槽结构、吸盘结构或者粘扣结构等,只要能将所述可旋转芯片固定在检测装置上,并且所述可旋转芯片能够在芯片检测器2中进行旋转即可。
根据本发明,所述可旋转芯片的材质没有特别的限定,优选为对测试区间的光吸收较小的透光性材质,例如所述芯片可以为玻璃芯片、石英芯片或高分子材料芯片等。其中优选玻璃芯片或有机玻璃芯片等。
根据本发明,所述可旋转芯片的转动方式没有特别的限定,优选地,所述可旋转芯片1能够通过手动或者通过芯片检测器2中的驱动部件驱动在芯片检测器2中进行旋转。从简化芯片检测系统,降低成本,便于便携式操作的角度考虑,所述可旋转芯片优选通过手动旋转。而从提高检测效率,短时间内实现大规模检测的角度考虑,所述可旋转芯片优选通过芯片检测器中的驱动部件驱动旋转。
根据本发明,为了实现多种参数的检测,所述芯片检测器中具有识别部件和一个以上检测部,所述识别部用于检测所述可旋转芯片上的用于确定检测信号的标记,所述检测部与所述可旋转芯片上的用于确定检测信号的标记相对应。在芯片的旋转过程中,所述识别部识别可旋转芯片上对应各反应池设置的标记,然后分别确定每个反应池需要采用的检测方式,从而实现对不同标志物的分别检测。
根据本发明,所述检测部件没有特别的限定,可以用于芯片检测的各种检测部件,例如所述检测部件可以为色度检测部件、吸光度检测部件、荧光信号检测部件、拉曼信号检测部件和红外光谱检测部件中的一种或多种。其中优选为吸光度检测部件和荧光检测部件中的一种或多种。
根据本发明的一个优选的实施方式,所述检测部件由光源、分路光纤和光谱设备构成。所述光源用于产生进行测试所需波长的光,所述分路光纤用于同时检测多个反应池内光学信号,所述光谱设备用于收集经过反应池后的光信号。当可旋转芯片上设置有与所述可旋转芯片1的中心距离不等的两个以上反应池时,所述分路光纤可以将用于检测的入射光分为多路,从而实现与所述可旋转芯片1的中心距离不等的反应池的检测。
根据本发明,为了实现数据处理、数据传输等作用,该芯片检测系统还可以包括进样部件、带动芯片转动的机械部件、信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件、数据传输部件中的一种或多种。作为芯片检测系统的一种优选实施方式,还包括数据处理部件、数据输出部件、数据传输部件。作为所述数据处理部件,例如可以是包括控制器、运算器和寄存器的中央处理器等;作为所述数据输出部件,可以包括具有图形输出功能的显示屏、触摸屏、语音输出等;作为所述数据传输部件,可以将原始数据上传至远程服务器进行远程处理,再将结果直接返回至指定终端,也可以将数据处理部件产生的处理后的信息远传至云端进行信息收集。
作为所述进样部件,没有特别的限定,能够将样品加入所述可旋转芯片1中即可。从便携性和操作性的角度考虑,优选为手动进样器。
如图1所示,所述进样器3包括样品腔、控制部和出样部,所述控制部与所述样品腔相连接,用于使样品进入并保持在所述样品腔中或者使样品经所述出样部推出所述样品腔,所述出样部位于所述样品腔的与所述控制部相对的一侧;所述手动进样器3与所述可旋转芯片1的进样口可拆卸地密封连接。优选地,所述样品腔为柱形,更优选地,所述样品腔和控制部形成为套筒结构。优选地,所述控制部设置在所述样品腔的内部。
优选地,所述进样器3的出样部设置有与所述可旋转芯片的进样口相互配合的连接部件,例如用于二者旋接的螺纹,或者用于起到密封作用的密封垫片等,只要使二者密封即可。
优选地,所述进样器3的样品腔内靠近所述出样部的部分可以进一步设置有预处理单元。作为所述预处理单元,其目的在于对样品进行过滤、吸附、富集、纯化等等,例如可以为过滤柱、吸附柱、萃取柱、填料柱等。所述预处理单元可以根据样品和检测需要进行设置,从而进一步集成和简化样品处理的操作过程。通过所述进样器3和可旋转芯片1的配合,可以方便地实现样品的预处理、稀释、混合、反应过程。
根据本发明,所述控制部的结构没有特别的限定,例如所述控制部可以为活塞、具有可伸缩侧壁的密封腔、具有螺纹密封结构的体积可变的腔室等。优选为活塞。
如图1所示,图1中a-b示出了取样过程,先将进样器3的活塞状控制器推到底部,再将进样器3的出样部浸入样品中,通过拉动手动进样器3的活塞状控制部使样品通过出样部进入样品腔。图1中的c-e示出了进样的过程,将完成取样后的进样器3的出样部与可旋转芯片1的进样口连接,推动活塞状控制器,将样品压入可旋转芯片。样品进入可旋转芯片后,通过流道流入各样品池,达到e状态,将进样器3与可旋转芯片1分离。图1中的f-g示出了可旋转芯片的检测过程,将可旋转芯片1插入芯片检测器2的内部,插入后圆形可旋转芯片的一部分露出芯片检测器2的外部,便于手动旋转。然后手动旋转可旋转芯片1,使得各个反应池进入检测区域,识别部检测对应每个反应池设置的标记,确定需要选取的检测部,然后用检测部进行检测,从而完成各个反应池中的信号检测过程。
本发明还提供了一种水质多参量检测方法,该方法用于对水质进行多参量检测,其特征在于,使用上述本发明的便携式水质多参量检测设备进行水质多参量检测,其中,将样品加样至所述可旋转芯片1的所述反应池,使所述可旋转芯片1旋转,并利用所述芯片检测器2进行检测。
根据本发明,使所述可旋转芯片1旋转的方式可以通过手动或者通过芯片检测器中的驱动部件驱动而进行。
另外,本发明还提供了上述便携式水质多参量检测设备在环境监测领域、应急检测领域或者分子诊断领域中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
使用可旋转芯片1、芯片检测器2和进样器3组成的便携式水质多参量检测设备进行水质样品的检测。
所述可旋转芯片1为圆形且具有12个反应池,多个反应池设置在以可旋转芯片1的中心点为圆心的一个圆周上,与每个反应池分别对应设置有用于确定检测信号的标记,12个反应池中1-3为总氮检测池,4-6为COD检测池,7-9为硫化物检测池,10-12为总磷检测池,分别预置了固体粉末状的总氮(试剂来源为日本共立理化水质检测试剂盒)、COD(试剂来源为日本共立理化水质检测试剂盒)、硫化物(试剂来源为按照国标法GB/T 16489-1996配置的液体试剂冷冻干燥后产生的固体粉末)、总磷(试剂来源为日本共立理化水质检测试剂盒)检测试剂;所述可旋转芯片1的进样口设置在所述可旋转芯片1的中心部,并设置放射状流道连通各个反应池和进样口。
所述芯片检测器2包括识别部、检测部和用于带动可旋转芯片1转动的马达,所述识别部用于识别所述可旋转芯片1上的所述标记,所述检测部用于根据识别部识别的信号相应地检测所述反应池的信号,检测波长包括:410nm(总氮)、620nm(COD)、665nm(硫化物)和880nm(总磷)。
所述进样器3包括样品腔、控制部和出样部,所述控制部与所述样品腔的顶部相连接,用于使样品进入并保持在所述样品腔中或者使样品经所述出样部推出所述样品腔,所述出样部位于所述样品腔的底部;所述手动进样器3与所述可旋转芯片1的进样口可拆卸地旋接。所述控制部的顶部具有LDPE(低密度聚乙烯)材料构成的腔体,通过挤压该腔体,可以使样品进入或排出样品腔。
使用进样器3采集0.05~1mL水质样品,通过螺纹将进样器3固定在芯片1的进样口上,挤压进样器3的控制部使样品进入流道,并填充各个反应池。等待15分钟后待反应池中样品产生吸光度变化后将芯片插入芯片检测器2内。芯片在芯片检测器2内置马达带动下间歇性旋转,识别部识别各个反应池对应设置的标记,并选择适当的波长进行检测,所有反应池逐一经过预设光路。
测得吸光度经过换算后对应浓度如下表1所示。
表1
实施例2
采用与实施例1相同的便携式水质多参量检测设备进行水质检测,不同的是,芯片检测器2不具有马达,进样器3的控制部为可推拉活塞,进样器3的样品腔的底部预置了用于过滤固体颗粒物的PTFE(聚四氟乙烯)材质的过滤单元。
检测过程与实施例1相同,区别仅在于通过推拉活塞进行采样,采用手动旋转可旋转芯片1。测得吸光度经过换算后对应浓度如下表2所示。
表2
实施例3
采用与实施例1相同的便携式水质多参量检测设备进行水质检测,不同的是,芯片检测器2不具有马达,进样器3的控制部为可推拉活塞;可旋转芯片1上共有排列的18个反应池,其中,1-3为总氮检测池,4-6为COD检测池,7-9为硫化物检测池,10-12为总磷检测池,13-15为水中酚检测池,16-18为空白对照组以确保结果可靠。
检测过程与实施例1相同,区别仅在于通过推拉活塞进行采样,采用手动旋转可旋转芯片1。测得吸光度经过换算后对应浓度如下表2所示。
测得吸光度经过换算后对应浓度如下表3所示。
表3
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。