CN110470610A - 水质多参量检测设备和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微全分析芯片领域，公开了一种水质多参量检测设备和水质多参量检测方法。该水质多参量检测设备包括芯片，所述芯片用于促进流体混合，其包括依次连通的进样口(5)、预混池(1)、混合区(2)和检测池(3)；其中，所述混合区(2)包括2个以上的混合单元，该混合单元用于使样品在所述混合区(2)形成局部湍流。本发明的芯片具有独特的混合区结构，使得样品在芯片中流动的过程中即能够充分混合。
Description
技术领域
本发明涉及微全分析芯片领域，具体涉及一种水质多参量检测设备和水质多参量检测方法。
背景技术
随着经济的飞速发展，我国水资源污染问题日趋严重。工业废水是影响水环境的最大因素，对工业废水污染进行防治是影响国民经济的可持续性发展的重要战略。所以我国一直都把防治工业污染作为环境保护的重中之重。水质检测是治理的必要前序步骤，只有准确获知水体组成的具体情况，才能对症下药采用对应的治理方法。同时，水质检测也是环境监督部门判断污水排放是否达标的唯一手段。开发针对复杂水体的快速、准确的现场检测技术势在必行。
在使用微流控芯片分析检测的过程中，微流控芯片上经常需要实现两种流体的均匀混合，而由于微流控芯片尺寸和操作的需要，希望使两种流体在尽可能短的时间和尽可能小的空间上的均匀分布。由于微通道内流体雷诺数低，目前已公开了采用微阀、微泵等模块外加动力源促进混合方法，但是上述方法必须引进特殊结构或操作。而在某些不具备外加动力源的场合下(也即，不存在微阀、微泵等模块)，如何需要依靠芯片结构实现被动混合，或者是利用简单的手动操作实现快速混合，仍没有较好的解决方案。
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，提供一种水质多参量检测设备和水质多参量检测方法，该芯片具有独特的混合区结构，使得样品在芯片中流动的过程中即能够充分混合。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种基于促进流体混合的芯片的水质多参量检测设备，该水质多参量检测设备包括芯片，所述芯片用于促进流体混合，所述芯片包括依次连通的进样口、预混池、混合区和检测池；其中，所述混合区包括2个以上的混合单元，该混合单元用于使样品在所述混合区形成局部湍流。
优选地，所述混合区包括2-50个混合单元
优选地，所述芯片为圆形，所述进样口位于所述芯片的圆心；所述预混池、混合区和检测池沿着所述芯片的半径方向依次分布。
优选地，所述混合单元包括混合池和设置在所述混合池中的混合柱，所述混合单元沿所述芯片的半径方向呈轴对称，所述混合柱使得样品从所述混合柱的两侧流过并在所述混合柱的另一侧汇合。
优选地，所述混合单元包括弯曲的流道结构。
优选地，所述流道的截面积不断变化，并在弯曲处达到最小。
优选地，所述芯片还包括位于靠近所述芯片外周的环状流道，所述环状流道与所述检测池连通。
优选地，所述混合单元绕所述芯片的圆心分布；所述混合单元包括两条以上分流流道和混合池，样品在分别通过所述分流流道进入所述混合池混合。
优选地，该水质多参量检测设备还包括一个以上检测部件。
更优选地，所述检测部件为色度检测部件、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。
优选地，该水质多参量检测设备还包括带动芯片转动的驱动部件、信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件和数据传输部件中的一种或多种。
本发明第二方面提供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，该方法包括：使样品依次通过本发明的水质多参量检测设备的芯片的进样口、预混池、混合区和检测池，并在混合区进行混合。
优选地，该方法通过对所述芯片进行离心促进流体混合。
本发明第三方面提供上述本发明的水质多参量检测设备、水质多参量检测方法在环境污染物检测或体外诊断领域的应用。
通过上述技术方案，本发明通过使芯片具有独特的混合区结构，使得样品在芯片中流动的过程中产生湍流流动，完成快速、充分的混合，特别适用于实现芯片上多种试剂的原位混合。由于芯片上流体的流动以层流为主，在无特殊设计时混合主要依靠扩散完成，效率低；在引进混合区结构后，利用原本驱动液体流动的动力即可方便、快速、高效地实现多种液体的混合。此外，将混合区设置在预混区下游，可以直接在预混区中完成简单混合后(如固体的溶解)立即在混合区中进行彻底混合。
附图说明
图1是本发明一种具体实施方式的芯片的结构示意图；
图2是本发明另一种具体实施方式的芯片的结构示意图；
图3是本发明的不同结构的混合区的结构示意图。
附图标记说明
1、预混池 2、混合区 3、检测池
4、环状流道 5、进样口
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。
本发明提供的水质多参量检测设备，该水质多参量检测设备包括用于促进流体混合的芯片，该芯片包括依次连通的进样口5、预混池1、混合区2和检测池3；其中，所述混合区2包括2个以上的混合单元，该混合单元用于使样品在所述混合区2形成局部湍流。
在本发明的芯片中，通过样品在形成局部湍流，可以使未得到均匀混合的样品能够混合均匀从而使得后续的样品的检测等操作更为精准和便捷。
在本发明中，通过在所述混合区2中包括多个混合单元，可以在混合区2充分进行混合过程，优选所述混合区2包括2-50个混合单元，例如可以为2-20个、3-8个、3-5个等。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述芯片为圆形，所述进样口位于所述芯片的圆心；所述预混池1、混合区2和检测池3沿着所述芯片的半径方向依次分布。通过将芯片设置为圆形，可以通过离心驱动样品在本发明的芯片中的混合过程，操作简便，混合效率高。使用上述圆形的芯片结构时，优选不同组的预混池1、混合区2和检测池3在所述芯片上均匀分布，即不同组预混池1、混合区2和检测池3之间的夹角相等。
作为使样品在所述混合区2形成局部湍流的方法，根据本发明的一个优选的实施方式，所述混合单元包括混合池和设置在所述混合池中的混合柱，所述混合单元沿所述芯片的半径方向呈轴对称，所述混合柱使得样品从所述混合柱的两侧流过并在所述混合柱的另一侧汇合。优选该具有混合柱的芯片使用在上述圆形的芯片中。作为上述混合柱，其形状和数量没有特别的限定，可以为一个以上，例如可以为2、3、4或5个等，形状可以为直线形、折线形、梭形等，只要垂直于流体原流动方向即可。如图1和图3中的A所示，所述混合池为五边形，所述混合柱为折线形，从而使样品在流出混合池时必须从该混合柱的两侧流过并在混合柱的另一侧汇合，从而达到混合样品的目的。如图3中的C和D所示，所述混合柱为3个，其中一个(混合柱I)设置在靠近混合池入口的一侧，另两个(混合柱II和III)对称设置在靠近混合池出口的一侧，样品在进入混合池后，先绕混合柱I两侧流动，再分别绕混合柱II和III流动，最终在从混合池流出前汇合。
作为混合柱的形状，没有特别的限定，只要能达到上述调节样品流动过程的目的即可。例如可以为圆形、椭圆形或者多边形，从调节样品流动的效率角度，优选为具有尖角的形状。所述混合柱与混合池之间用于样品流动的区域优选较小，例如占混合池面积的60％以下，优选50％以下、40％以下，从而强制样品混合；从便于样品流过的角度考虑，所述混合柱与混合池之间用于样品流动的区域例如可以占混合池面积的10％以上、20以上或者30％以上。所述混合柱可以为设置在所述混合池底面上的凸起结构，也可以为上端与所述混合池的顶面相接的柱状结构，其中优选为后者。
作为使样品在所述混合区2形成局部湍流的方法，例如可以使样品在所述混合区2改变流速。根据本发明的另一个优选的实施方式，所述混合单元包括弯曲的流道结构。通过在弯曲的流道中流动，使得样品的流动速度不断改变，从而位于流体不同区域的样品之间进行混合。上述弯曲的方式没有特别的限定，可以为弧形(如图2)，也可以为折线形(如图3中的B)。
上述弯曲的流道可以具有均一的截面积(如图2)，也可以具有不断变化的截面积(如图3中的B)。
根据本发明的一个优选的实施方式，如图3中的B所示，所述流道的截面积不断变化，并在弯曲处达到最小。通过流道的弯曲与截面积改变共同作用，可以使得样品最大程度地在混合区2进行流速改变，从而提高混合效率。
根据本发明，所述芯片为环形的情况下，优选地，所述芯片还包括位于靠近所述芯片外周的环状流道4，所述环状流道与所述检测池3连通。通过设置上述环状流道4，可以使得不同组的预混池1、混合区2和检测池3之间的压力平衡，便于混合。
根据本发明的另一个优选的实施方式，所述混合单元绕所述芯片的圆心分布；所述混合单元包括两条以上分流流道和混合池，样品在分别通过所述分流流道进入所述混合池混合。如图3中的E所示，每个混合单元包括两个分流流道和圆形的混合池，典型的两个分流流道中一个为直线形，另一个为弧形，其中弧形的分流流道设置在靠近芯片的边缘处。作为驱动上述芯片的方法，优选使芯片绕其圆心进行旋转(例如通过离心进行)，从而使样品从混合池分别进入两个分流流道，再在下一个混合池中混合，通过控制旋转的速度，使得上述过程重复进行，最终芯片的出液口得到均匀混合的样品。
在本发明中，该水质多参量检测设备还可以包括一个以上检测部件。
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/或荧光检测部件。
为了便于检测的进行，所述芯片能够以便于检测的任意方式固定在所述水质多参量检测设备中，例如可以固定、可旋转或者可滑动的方式。
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产生的或经过吸收后的光信号。当需要对不同位置的反应池进行检测时，所述分路光纤可以将检测的入射光分为多路，从而快速完成检测。
根据本发明，为了实现功能集成，该水质多参量检测设备还可以包括信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件和数据通信部件中的一种或多种。作为该水质多参量检测设备的一种优选实施方式，其包括数据处理部件、数据输出部件、数据传输部件。作为所述数据处理部件，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。
在本发明中，该水质多参量检测设备还可以进样部件，所述进样部件用于向所述芯片进样。所述进样部件可以使用现有的通常用于芯片进样的各种进样器，可以为手动或者自动，根据需要，所述进样部件上可以设置有用于对样品进行预处理的预处理部，或者控制进样量的刻度等。
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，该方法包括：使样品依次通过上述本发明的水质多参量检测设备的芯片的进样口5、预混池1、混合区2和检测池3，并在混合区2进行混合。通过本发明芯片独特的芯片结构，可以保证样品在混合区充分混合。
根据本发明，作为使样品在本发明的芯片中混合的方法，例如可以通过对样品加压使其依次流过进样口5、预混池1、混合区2和检测池3完成，也可以通过对芯片进行离心使样品依次流过进样口5、预混池1、混合区2和检测池3完成。从操作简便的角度考虑，优选地，该方法通过对所述芯片进行离心促进流体混合。
在本发明中，作为上述样品，可以为通过进样口5加入芯片中的样品，也可以为预置在芯片中的样品。样品可以为一种以上，例如两种、三种、四种，样品之间可以发生或者不发生相互溶解、反应等，通过使用上述本发明的芯片和混合方法，最终达到多种样品充分混合的目的。具体地，可以为芯片检测过程中需要使用的各种固体或者液体样品，例如水样、体液样品、反应试剂等。
本发明还提供了上述水质多参量检测设备或者水质多参量检测方法在环境污染物检测或体外诊断领域的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，将购自中华标准物质网的GBW(E)080220 100mg/L氨氮成分分析标准物质稀释10倍后流经预置了粉末状氨氮检测试剂(日本共立理化水质测试包WAK-氨氮)的预混池1和混合区2后进入读出池3，立即进行吸光度测试。通过测试混合后的吸光度变化考察混合效率。通过分光光度法进行测试，实验设备为ocean optics公司氘灯/钨灯光源和QE Pro光谱仪，检测波长为640nm。
实施例1
使用水质多参量检测设备进行检测，该设备包括如图1所示的芯片。
该芯片为圆形，进样口5设置在其圆心，该芯片包括八组依次连通的进样口5、预混池1、混合区2和检测池3，以及位于靠近所述芯片外周的环状流道4，所述环状流道与所述检测池3连通。该预混池1为长方形，检测池3为圆形，混合区2包括两个混合单元，每个混合单元中包括成五边形的混合池和折线形的混合柱。
预混池1中预置有氨氮检测试剂粉末。
通过进样口5注入标准溶液使其进入预混池1，与上述预置试剂进行预混合。与上述预置试剂预混合后的样品进入混合区2的两个混合单元，所述混合柱使得样品从所述混合柱的两侧流过并在所述混合柱的另一侧汇合，从而完成样品与预置试剂的混合。样品通过混合区2混合后，最终进入检测池3，采用光纤光谱仪进行检测，其结果如下表1。其中检测位置a、b、c分别代表检测池的不同位置，其中a位于靠近检测池入口，b位于检测池中央，c位于远离检测池入口的对侧，通过移动光纤改变光路通过检测池的位置，每个位置所需检测时间约为5s，反应时间约为8分钟，从第8分钟开始依次测试检测位置a、b、c处的吸光度。
表1
| 检测时间 | 检测位置 | 吸光度 |
| 8min | a | 0.937 |
| 8min+10s | b | 0.937 |
| 8min+20s | c | 0.937 |
实施例2
根据实施例1的方法进行样品检测，不同的是，使用图2所示的芯片进行。该芯片与图1所示的芯片区别仅在于混合区2，该混合区2包括两个混合单元，混合单元为弯曲的流道，流道具有均一的宽度。
通过进样口5注入水样使其进入预混池1，与上述预置试剂进行预混合。样品在混合区的弯曲流道中流过，由于流道的阻挡，流速不断改变，从而完全混合。样品通过混合区2混合后，最终进入检测池3，采用与实施例1相同的方法进行检测，其结果如下表2。
表2
| 检测时间 | 检测位置 | 吸光度 |
| 8min | a | 0.938 |
| 8min+10s | b | 0.939 |
| 8min+20s | c | 0.938 |
实施例3
根据实施例1的方法进行样品检测，不同的是，芯片的混合区2具有如图3中的D所示的结构。混合区2包括8个混合单元，每个混合单元包括不规则的多边形混合池和3个混合柱，3个混合柱中一个(混合柱I)为长方形且设置在靠近混合池入口的一侧，另两个(混合柱II和III)近似为三角形且设置对称设置在靠近混合池出口的一侧，样品在进入混合池后，先绕混合柱I两侧流动，再分别绕混合柱II和III流动，最终在从混合池流出前汇合。样品通过混合区2混合后，最终进入检测池3，采用与实施例1相同的方法进行检测，其结果如下表3。
表3
| 检测时间 | 检测位置 | 吸光度 |
| 8min | a | 0.937 |
| 8min+10s | b | 0.938 |
| 8min+20s | c | 0.938 |
实施例4
根据实施例1的方法进行样品检测，不同的是，芯片为圆形，其混合区2具有如图3中的E所示的结构。混合区2包括6个绕所述芯片的圆心分布的混合单元，每个混合单元包括两条分流流道和混合池，样品在分别通过所述分流流道进入所述混合池混合。样品通过混合区2混合后，最终进入检测池3，采用与实施例1相同的方法进行检测，其结果如下表4。
表4
| 检测时间 | 检测位置 | 吸光度 |
| 8min | a | 0.937 |
| 8min+10s | b | 0.938 |
| 8min+20s | c | 0.938 |
对比例1
根据实施例1的方法进行样品检测，不同的是，混合单元中不具有混合柱。样品通过混合区2混合后，最终进入检测池3，采用与实施例1相同的方法进行检测，其结果如下表5。
表5
| 检测时间 | 检测位置 | 吸光度 |
| 8min | a | 0.814 |
| 8min+10s | b | 0.822 |
| 8min+20s | c | 0.837 |
通过对比实施例1和对比例1的检测结果可知，实施例1中检测池3不同检测位置a、b、c的吸光度基本相同，说明具有混合柱的混合单元达到了良好的混合效果，能保证检测池3中待测样品的吸光度均匀一致；而对比例1中检测池3不同检测位置a、b、c的吸光度有较大差异，说明混合效果差，不能完成均匀混合。从而可知，通过使用本发明的水质多参量检测设备，可以完成对样品的准确检测。
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。
Claims (13)
1.一种基于促进流体混合的芯片的水质多参量检测设备，其特征在于，该水质多参量检测设备包括芯片，所述芯片用于促进流体混合，所述芯片包括依次连通的进样口(5)、预混池(1)、混合区(2)和检测池(3)；
其中，所述混合区(2)包括2个以上的混合单元，该混合单元用于使样品在所述混合区(2)形成局部湍流。
2.根据权利要求1所述的水质多参量检测设备，其中，所述混合区(2)包括2-50个混合单元。
3.根据权利要求1所述的水质多参量检测设备，其中，所述芯片为圆形，所述进样口位于所述芯片的圆心；
所述预混池(1)、混合区(2)和检测池(3)沿着所述芯片的半径方向依次分布。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的水质多参量检测设备，其中，所述混合单元包括混合池和设置在所述混合池中的混合柱，
所述混合单元沿所述芯片的半径方向呈轴对称，
所述混合柱使得样品从所述混合柱的两侧流过并在所述混合柱的另一侧汇合。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的水质多参量检测设备，其中，所述混合单元包括弯曲的流道结构。
6.根据权利要求5所述的水质多参量检测设备，其中，所述流道的截面积不断变化，并在弯曲处达到最小。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的水质多参量检测设备，其中，所述芯片还包括位于靠近所述芯片外周的环状流道(4)，所述环状流道与所述检测池(3)连通。
8.根据权利要求1所述的水质多参量检测设备，其中，所述混合单元绕所述芯片的圆心分布；
所述混合单元包括两条以上分流流道和混合池，样品在分别通过所述分流流道进入所述混合池混合。
9.根据权利要求1-3中任意一项所述的水质多参量检测设备，该水质多参量检测设备还包括一个以上检测部件；
优选地，所述检测部件为色度检测部件、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。
10.根据权利要求1-3中任意一项所述的水质多参量检测设备，该水质多参量检测设备还包括带动芯片转动的驱动部件、信号采集部件、数据处理部件、数据输出部件和数据传输部件中的一种或多种。
11.一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，该方法包括：使样品依次通过权利要求1-10中任意一项所述的水质多参量检测设备的芯片的进样口(5)、预混池(1)、混合区(2)和检测池(3)，并在混合区(2)进行混合。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法通过对所述芯片进行离心促进流体混合。
13.权利要求1-10中任意一项所述的水质多参量检测设备或者权利要求9或10所述的水质多参量检测方法在环境污染物检测或体外诊断领域的应用。
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