CN111175289A - 一种基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统 - Google Patents

一种基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学、微细加工技术领域，具体公开了一种基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，主要由微流控芯片、多通道滤光微透镜，CMOS传感器、计算机组成。本发明采用多通道微流道和多通道滤光微透镜的组合，一方面可以同时获得多个显色通道的颜色信息，因此可以实现多个参数的同时检测，从而提高了水质检测的检测效率；另一方面集成度得到了提高，整个检测装置的体积得到了压缩，因此易于携带或现场检测。

Description

一种基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测 系统
技术领域
本发明涉及光学、微细加工技术领域，具体公开了一种基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统。
背景技术
随着工业化和城市化的推进，我国经济发展和人民生活对水资源的需求逐渐加大。然而一方面我国水资源匮乏，另一方面水污染严重，水环境状况比较严峻。主要污染指标有氨氮、总磷、重金属等。
一般水质检测仪原理是通过电化学反应或者化学药剂反应使水中的相应物质参与其中，然后通过比色法、滴定法、电导率测量等方式计算出水中相应物质的含量；例如，通过纳氏比色法测定氨氮指标，钼酸铵分光光度法测定总磷，双硫腙法测定汞、铅等重金属含量等。
传统的用于水质检测的仪器很多，但大多仪器不仅体积较大，处理样品的过程也较为复杂且耗时，因此存在携带不便、不适合现场或快速检测的缺点。
微流控芯片又称芯片实验室(Lab on a Chip)，指的是一种在一块几平方厘米的芯片上构建的生物或化学实验室，将样品制备、反应、分离、检测等基本生物、化学分析过程在这些预先设置好的微流道中进行。由于微流控芯片技术具有进样量小，反应速度快，灵敏度高，易实现自动化控制和高通量分析的特点，因此，微流控芯片非常适合用于检测水质。将水质检测过程集中到微流控芯片上，将大大缩小检测系统的体积，使现场、快速、准确检测成为可能。目前已经有相关产品或专利发表(如，专利CN104931440，一种基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置)。
然而，目前已有的用于检测水质的微流控芯片，要么检测的指标比较单一——仅能检测某种污染物或某类污染物；要么需要多次测试才能满足不同种类污染物的检测要求，无法同时得出多种污染物的检测结果，因此检测效率上也存在一定的不足。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，本发明提出一种基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，在微流控通道内进行显色反应，通过集成多通道滤光微透镜进行滤光和采光，经COMS感光元件成像，获得颜色图像。经过软件计算获取的颜色图像的强度信息，并与标准曲线进行对比得出水质结果，实现水质的检测。由于采用多通道微流道和多通道滤光微透镜的组合，可以同时获得多个显色通道的颜色信息，因此可以实现多个参数的同时检测，从而提高了水质检测的检测效率。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
本发明的
基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，包括：微流控芯片、光源、多通道滤光微透镜、CMOS传感器、计算机；
所述微流控芯片包括多组微流道结构，每组微流道结构包括：一样品槽、一显色剂槽，以及设置与样品槽、显色剂槽之间的一反应槽，所述样品槽与反应槽之间、显色剂槽与反应槽之间分别通过一微流道连通；所述显色剂槽上设置有控制阀门，用于控制显色剂流入反应槽；
所述反应槽下方设有光源，作为背光源照射反应槽中的反应液；
所述多通道滤光微透镜设置于微流控芯片上方，用于对经反应槽中反应液后的照射光源进行滤光、聚焦；
所述CMOS传感器置于多通道滤光微透镜上方，对透过多通道滤光微透镜的光信号进行处理获得图像；
计算机用于对图像进行处理、计算后，与标准曲线比对获得检测结果，于显示器中显示。
本发明的反应通道为多通道，同时透镜也为多通道透镜(多个透镜)，因此信号处理上都是分离的，所以可以实现多组数据同时分析功能。
作为本发明的其中一种实施方式，所述微流控芯片为玻璃微流控芯片。
作为本发明的其中一种实施方式，所述光源为全光谱LED灯。
所述多通道滤光微透镜的数量与反应槽的数量相对应，用于对每一经反应槽中反应液后的照射光源进行滤光、聚焦。
作为本发明的其中一种实施方式，所述多通道滤光微透镜通过以下方法进行制备：
S1、以清洗干净的玻璃片作为基底，通过涂胶、前烘、掩模板下紫外曝光、显影、后烘等过程，将一种颜色光阻剂按照要求制作在玻璃片上获得滤光区；
其中，前烘的参数为：在85～100℃下烘烤2～5分钟，优选在在85℃下烘烤2分钟；紫外曝光的参数为：波长365nm，20mW/cm2，时间为20～25秒，优选紫外曝光波长365nm，20mW/cm2，时间为25秒；显影参数为：0.5～0.8％的氢氧化钾或氢氧化钠溶液中显影(约40s)；后烘参数：为放于200～250℃或以上烘箱内后烘20～30min，可保证颜色光阻剂完全的固化，优选放于200℃烘箱内后烘20min。
S2、重复以上步骤S1，在玻璃片的其它需要的位置制作其它颜色的滤光区；
S3、通过热熔法在滤光区域上制作多通道滤光微透镜：包括涂胶、前烘、掩模板下紫外曝光、显影、热熔等过程成型。
其中涂胶参数为：旋涂光刻胶AZ4620，光刻胶厚度为22～25μm；前烘参数：置于90～100℃烘箱内前烘8～12min，优选置于90℃烘箱内前烘8min；曝光参数：掩模板的透光圆孔为直径680～700μm，波长365nm，20mW/cm2，曝光时间为12～13秒，优选掩模板的透光圆孔为直径700μm，波长365nm，20mW/cm2，曝光时间为12秒；显影参数为：AZ400型显影液中显影；热熔参数：烘台上，优选在128℃下加热115秒。
光刻胶AZ4620旋涂的厚度过厚或过薄，会造成形成的微透镜曲面不理想，过厚的话，热熔会形成像山峰的行状，如果厚度太薄，会形成驼峰的形状。
热熔温度，太低的话会形成上表面很平的形状，起不到透镜的作用，温度太高，会由于光刻胶流动性太强，形成不了透镜。
所述多通道滤光微透镜直径大概为900微米，焦距大概为5mm。
微流控芯片，由于其可以在很小的基片上制作出微通道网络，在微通道内进行各种化学反应，不仅反应速度快，灵敏度高，需要的样品量也很少，因此，微流控芯片非常适合用于检测水质。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，主要由微流控芯片、多通道滤光微透镜，CMOS传感器、计算机组成。其中微流控芯片及多通道滤光微透镜是通过微纳加工技术完成，集成度高。微流控芯片上制作多条微通道，有盛放待检测水的样品槽、盛放显色剂的显色剂槽，以及用于发生化学反应的反应槽。在通道表面张力的作用下被检测水质与显色剂流向反应池，在反应池内进行显色反应。根据检测参数和显色剂不用，反应后会发出不同的颜色。在全光谱LED背光照射下，利用多通道滤光微透镜的滤光和成像功能。将颜色信息传给CMOS感光芯片，根据颜色及强度不同并经电脑计算得出检测结果显示在屏幕上。
由于采用多通道微流道和多通道滤光微透镜的组合，一方面可以同时获得多个显色通道的颜色信息，因此可以实现多个参数的同时检测，从而提高了水质检测的检测效率；另一方面集成度得到了提高，整个检测装置的体积得到了压缩，因此易于携带或现场检测。
附图说明
图1为多功能快速水质检测系统结构示意图；
图2、图3为多通道滤光微透镜制作流程示意图。
图1标记：101-微流控芯片、102-样品槽、103-反应槽、104-微流道、105-全光谱灯、106-显色剂槽、107-控制阀门、108-多通道滤光区、109-多通道滤光微透镜、110-CMOS传感器、111-线缆、112-计算机、A-红色滤光区、B-黄色滤光区、C-蓝色滤光区；
图2标记：201-玻璃基底、202-颜色光阻剂、203-掩模板、204-紫外光、205-红色滤光区、206-黄色滤光区、207-蓝色滤光区；
图3标记：301-AZ4620光刻胶301、302-紫外光、303-掩模板、304-圆柱形光刻胶图案。
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，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，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。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。
本发明的基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，包括：微流控芯片101、光源、多通道滤光微透镜109、CMOS传感器110、计算机112。CMOS传感器110中附属有电路。
(一)微流控芯片
所述微流控芯片101是以玻璃为基底的玻璃微流控芯片101；微流控芯片101在水质检测中，经常会遇到与酸碱溶液的化学反应，基底的化学性质稳定性很重要。由于玻璃具有化学稳定性，另外玻璃具有非常好的透光性和重复利用性。因此，本发明采用玻璃作为微流控芯片101的基底。玻璃微流控芯片101制作工艺较为成熟，主要加工步骤包括图形设计、掩模制造、光刻、蚀刻等步骤。本发明需要制作多组(至少三组)微流道104结构，每组都包括样品槽102，显色剂槽106和反应槽103。
如图1所示，微流控芯片101包括三组微流道104结构，每组微流道104结构包括：一样品槽102、一显色剂槽106，以及设置与样品槽102、显色剂槽106之间的一反应槽103，所述样品槽102与反应槽103之间、显色剂槽106与反应槽103之间分别通过一微流道104连通；所述显色剂槽106上设置有控制阀门107，用于控制显色剂流入反应槽103；
所述反应槽103下方设有光源，本实施方式中具体为全光谱灯105(如LED)，作为背光源照射反应槽103中的反应液。
(二)多通道滤光微透镜
所述多通道滤光微透镜109设置于微流控芯片101上方，每一多通道滤光微透镜109对应上述每一反应槽103，所述多通道滤光微透镜109通过以下方法制备得到：
S1、以清洗干净的玻璃片作为基底，通过涂胶(a1)、前烘(a1)步骤，再在掩模板203下紫外光204曝光、显影、后烘等，将一种颜色光阻剂202按照要求制作在玻璃基底201上，获得一滤光区。
其中前烘的参数为：在85℃下烘烤2分钟；紫外曝光的参数为：波长365nm，20mW/cm2，时间为25秒；显影参数为：0.5％的氢氧化钾溶液中显影约40s；后烘参数：为放于200℃烘箱内后烘20min。
S2、重复以上步骤S1，在玻璃基底201的其它需要的位置制作其它颜色的滤光区。本实施例方式最终制备红、绿、蓝三通道可见光滤光区域：红色滤光区205、黄色滤光区206、蓝色滤光区207，为了不造成颜色光阻剂202的重叠，上述掩模板应带有对准标记。
S3、通过热熔法在滤光区域上制作多通道滤光微透镜109。包括涂胶(a6)、前烘(a6)、掩模板紫外曝光(a7)、显影(a8)、热熔(A9)等过程。
其中涂胶参数为：旋涂光刻胶AZ4620，光刻胶厚度为25μm；前烘参数：置于90℃烘箱内前烘8min；曝光参数：掩模板的透光圆孔为直径700μm，波长365nm，20mW/cm2，曝光时间为12～13秒；显影参数为：AZ400型显影液中显影获得圆柱形光刻胶图案304。通过多次显影并用台阶仪测量圆柱高度的方式来控制显影程度，保证圆柱高度在20μm左右；热熔参数：烘台上在128℃下加热115秒。这样制作出来的多通道滤光微透镜109直径大概为900微米，焦距大概为5mm。如图2、图3中的工艺流程示意图所示。
(三)CMOS传感器
CMOS传感器110置于多通道滤光微透镜109上方。由于多通道滤光微透镜109焦距大概约为5mm，因此，CMOS传感器110离多通道滤光微透镜109距离也在5mm左右。
(四)计算机
计算机112用于对图像进行处理、计算后，于显示器中显示。
经过多通道滤光微透镜109滤光聚焦和CMOS传感器110处理获取图像信息后，需要对图像进行后处理，主要包括获取图像的颜色信息和强度信息，得出数据后和已有的数据库进行对比，得出检测参数的数值。
本发明中，至少可以同时检测三种不同的参数。由于可以实现多个参数的同时检测，因此提高了水质检测的检测效率。
实施例1
检测氨氮的含量，首先在样品槽102中滴入待检测水样，在显色剂槽106中滴入纳氏试剂，打开阀门，检测水样和纳氏试剂会在毛细力作用下流到反应槽103中，检测水样中的氨与纳氏试剂发生反应，生成黄棕色胶态化合物(原理是：在水样中加入碘化汞和碘化钾的强碱溶液(纳氏试剂)，则与氨反应生成黄棕色胶态化合物)。在底层全光谱灯105(400nm-700nm)的照射下，经过多通道滤光微透镜109滤光、聚焦和CMOS传感器110处理后，得到黄棕色的图片，经过软件计算得到图片的强度，与已有的标准库进行对比，最后得出检测的氨氮含量。建立标准库，首先配一个已知含量的检测溶液，通过该设备能够得到一个亮度值；经过一系列的实验后，就能的到一系列的含量-亮度图，根据这些值，拟合出一个含量-亮度曲线图。当检测样品时，将根据被检测溶液具体的亮度值在曲线上的某一点来得到具体的含量值。
实施例2
检测某种重金属，如铅的含量，首先在样品槽102中滴入待检测水样，在显色剂槽106中滴入纳米金材料，如AuNPs@(SG)x，打开阀门，检测水样和纳米金材料会在毛细力作用下流到反应槽103中，检测水样中的铅与AuNPs@(SG)x发生反应得到红色的化合物。在底层全光谱灯105(400nm-700nm)的照射下，经过多通道滤光微透镜109滤光聚焦和CMOS传感器110处理后，得到红色的图片，经过软件计算得到图片的强度，与已有的标准库进行对比，最后得出检测的铅含量。
实施例3
检测总磷的含量，首先在样品槽102中滴入待检测水样，在显色剂槽106中滴入总磷检测试剂，检测水样中的氨与总磷检测试剂发生反应，生成蓝色络合物(原理是钼锑抗分光法,在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，生成蓝色的络合物)。在底层全光谱灯105(400nm-700nm)的照射下，经过多通道滤光微透镜109滤光聚焦和CMOS传感器110处理后，得到蓝色的图片，经过软件计算得到图片的强度，与已有的标准库进行对比，最后得出检测的总磷含量。
需要注意的是某些参数检测，如总磷的检测，需要先对检测水质进行消解预处理。
其他不同的水质参数，如COD，不同的重金属离子等，都可以通过不同的显色剂进行检测，并且几种参数可以同时进行，得出结果，因此检测效率上大大提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，其特征在于，包括：微流控芯片、光源、多通道滤光微透镜、CMOS传感器、计算机；
所述微流控芯片包括多组微流道结构，每组微流道结构包括：一样品槽、一显色剂槽，以及设置与样品槽、显色剂槽之间的一反应槽，所述样品槽与反应槽之间、显色剂槽与反应槽之间分别通过一微流道连通；所述显色剂槽上设置有控制阀门，用于控制显色剂流入反应槽；
所述反应槽下方设有光源，作为背光源照射反应槽中的反应液；
所述多通道滤光微透镜设置于微流控芯片上方，用于对经反应槽中反应液后的照射光源进行滤光、聚焦；
所述CMOS传感器置于多通道滤光微透镜上方，对透过多通道滤光微透镜的光信号进行处理获得图像；
计算机用于对图像进行处理、计算后，与标准曲线比对获得检测结果，于显示器中显示。
2.根据权利要求1所述的基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，其特征在于，所述微流控芯片为玻璃微流控芯片。
3.根据权利要求1所述的基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，其特征在于，所述光源为全光谱LED灯。
4.根据权利要求1所述的基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，其特征在于，所述多通道滤光微透镜的数量与反应槽的数量相对应，用于对每一经反应槽中反应液后的照射光源进行滤光、聚焦。
5.根据权利要求1所述的基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，其特征在于，所述多通道滤光微透镜通过以下方法进行制备：
S1、以清洗干净的玻璃片作为基底，通过涂胶、前烘、掩模板下紫外曝光、显影、后烘过程，将一种颜色光阻剂按照要求制作在玻璃片上获得滤光区；
S2、重复以上步骤S1，在玻璃片的其它需要的位置制作其它颜色的滤光区；
S3、通过热熔法在滤光区域上制作多通道滤光微透镜：包括涂胶、前烘、掩模板下紫外曝光、显影、热熔过程成型。
6.根据权利要求5所述的基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，其特征在于，S1中，所述前烘的参数为：在85～100℃下烘烤2～5分钟；紫外曝光的参数为：波长365nm，20mW/cm2，时间为20～25秒；显影参数为：0.5～0.8％的氢氧化钾或氢氧化钠溶液中显影；后烘参数：为放于200～250℃或以上烘箱内后烘20～30min。
7.根据权利要求5所述的基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，其特征在于，S3中，所述涂胶参数为：旋涂光刻胶AZ4620，光刻胶厚度为22～25μm；前烘参数：置于90～100℃烘箱内前烘8～12min，；曝光参数：掩模板的透光圆孔为直径680～700μm，波长365nm，20mW/cm2，曝光时间为12～13秒；显影参数为：AZ400型显影液中显影；热熔参数：烘台上，在128℃下加热115秒。
8.根据权利要求1所述的基于多光谱成像和微流控技术的多功能快速水质检测系统，其特征在于，所述多通道滤光微透镜直径为900微米，焦距为5mm。
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