CN111715312A - 一种用于水质检测的多参数分析的纸基微流控芯片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型纸基多通道微流控芯片及制作方法，属于快速分析检测领域。纸基微流控芯片是使用压花器将纸基材料直接剪切成需要的形状，该形状为具有六个通道的花朵形、五角星形、七通道花朵形、八通道花朵形或太阳形。该芯片由冲压法和覆膜法制作而成，通过预先负载的指示剂、激活剂等多种反应试剂，可以将常规分析检测方法的多重反应集成在一张微流控芯片上。通过控制关键试剂的位置和负载量，使得操作人员可利用简单的一步操作即实现多步反应的按顺序逐步发生。该芯片和方法可用于pH、磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐等多种水质检测重要参数的快速同时分析，为水质监测、现场快速检测等应用提供价格低廉、操作便捷、反应快速的检测工具。

Description

一种用于水质检测的多参数分析的纸基微流控芯片及其制作 方法
技术领域
本发明涉及一种用于水质检测的多参数分析的纸基微流控芯片及其制作方法，属于快速分析检测技术领域。
背景技术
随着工农业生产的发展和人类生活范围的扩大，水资源的消耗和污染问题日益突出。为了保证民众用水安全和工农业生产的顺利进行，对水资源进行长期现场监测和随机抽样检测十分必要。用于水质监测和水样检测的常用分析方法有滴定法、电化学探头法、比色法、紫外可见分光光度法、原子吸收光谱法、原子荧光法、红外分光光度法、重量法、离子色谱法等。上述方法不同程度上存在步骤繁琐、操作费时、仪器设备成本高、依赖专业人员等问题，不适合现场快速水质分析时使用，也不满足水质监测(尤其是经常性监测和应急监测)的随时随地、快速响应的需求。
pH是水质监测的综合指标之一；氨氮是水体中的主要耗氧污染物，危害水生生物的生长和饮水民众的健康；磷酸盐也是水体的主要污染物，磷酸盐过量是造成藻类大量繁殖，进而影响其他水生生物生长的重要因素；亚硝酸盐易引起食物中毒，而且被列在了世界卫生组织公布的致癌物清单中。上述四种分析指标是评价水质的重要参数，也是水样检测中的重要指标。
纸基微流控芯片技术可以集成多步反应操作，并且具有价低、便携、结构灵活多变等优点。根据实际应用需要，通过通道设计，实现多步反应的级联顺序发生，可以大大简化水质分析检测的操作步骤，提升分析工具的便携性，扩大可以实现分析的场所范围，对于水质分析监测和现场检测新工具的开发具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种新型纸基微流控芯片及试剂排布方案，以实现对各种水样品的多参数并行的快速检测。所制备的纸基微流控芯片和所建立的新型分析方法可将多种分步检测技术集成组合成为只需一步操作的多重检测，所生成的检测结果既可以提供丰富的信息，又可以快速、经济地反映水质情况。
本实践团队在检索环境水样相关标准和检测方法的基础上，拟设计制作纸基微流控芯片，用于环境水样的快速分析。本发明提供一种用于水质检测的多参数分析的纸基微流控芯片,使用压花器将纸基材料直接剪切成需要的形状，所述形状为具有六个通道的花朵形、五角星形、七通道花朵形、八通道花朵形或太阳形。本发明还提供一种用于水质检测的多参数分析的纸基微流控芯片的制作方法，纸基微流控芯片的制作采用冲压法和覆膜法，在环境温度下通过工艺冲压图案化以产生多个通道，通过在芯片表面覆膜来防止污染、减少蒸发。覆膜之前，可以根据所检测的水质分析指标，按照一定顺序在各个通道上滴加反应试剂，晾干后作为pH、磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐等参数的测试区。根据加样后测试区颜色的变化，通过与比色卡对照，可以判断被测水样的pH和磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐的浓度。
其中，冲压法为使用压花器将纸基材料直接剪切成需要的形状。上述形状为具有六个通道的花朵形，其中三个通道为pH检测区(通道1-3)，另外三个通道依次为磷酸盐(通道4)、氨氮(通道5)和亚硝酸盐(通道6)检测区。通道长度14毫米(mm)，花瓣形通道的最宽处为7.2mm，中心上样区直径13.2mm。
进一步的，根据待检测参数的数目，还可以相应增加或减少通道数，相应选择五角星形、七通道花朵形、八通道花朵形、太阳形等多种压花器，将纸基材料剪切成相应的形状。
其中，覆膜法为使用惰性透明薄膜封装芯片，膜中间用打孔器制作一个小孔，作为芯片入口，用于水样的引入。孔直径的不同可以影响样品溶液充满整个芯片的时间，根据实际检测需要，上述小孔的直径应当处于1-6mm范围内。
其中，pH检测通道上的反应试剂可以使用0.8克/升(g/L)的苯酚红溶液、0.8g/L的溴百里酚蓝溶液、0.6g/L的溴甲酚绿溶液。试剂滴加方法为：用移液枪取2.0微升(μL)上述pH检测溶液，滴在pH检测通道的外缘端头，室温晾干即可。
其中，磷酸盐检测通道上的反应试剂滴加方法为：将1μL酒石酸锑钾溶液(2.0％)，0.8μL显色剂(重复滴加5次)，0.8μL稀硫酸溶液依次由通道的外缘端头到中心根部滴在花瓣形通道上，间隔2mm。
进一步的，其中，酒石酸锑钾溶液的浓度为1-5％。
进一步的，其中，显色剂溶液为20.0g/L钼酸钠、8.0g/L米吐尔、30.0g/L亚硫酸钠的混合溶液。
进一步的，其中，稀硫酸溶液为1:3-1:5稀释的硫酸溶液。
其中，氨氮检测通道上的反应试剂滴加方法为：将2.0μL激活剂滴在花瓣形通道的外缘端头上，再将2.0μL显色剂滴在花瓣形通道的中心根部。
进一步的，其中激活剂溶液为，用无氨水和氢氧化钠溶液(2摩尔/升(mol/L))稀释成含有效氯浓度3.5g/L，游离碱浓度0.75mol/L的次氯酸钠溶液。
进一步的，其中显色剂溶液为，浓度为每升含水杨酸钠280～380克(g)(分析纯)、酒石酸钾钠50～68g和亚硝基铁氰化钠0.40～0.54g的无氨水溶液。
其中，亚硝酸盐检测通道上的反应试剂为含有8.16g/L磺胺、69.35g/L柠檬酸、2.59g/L盐酸萘乙二胺的指示剂溶液。将0.15μL上述指示剂溶液滴在芯片花瓣形通道的外缘端头上，待晾干后再重复滴加一次。
其中，比色卡为展示不同pH和不同待测物浓度下，上述纸基微流控芯片的测试区颜色变化的卡片，其获得步骤为：使用上述纸基微流控芯片分析具有不同pH的标准溶液，提取测试区的颜色，制作pH比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同磷酸盐浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作磷酸盐比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同氨氮浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作氨氮比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同亚硝酸盐浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作亚硝酸盐比色卡。
本发明的有益效果：提供了一种新型纸基微流控芯片，可用于pH、磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐等多种水质检测重要参数的快速同时分析。纸基微流控芯片具有成本低、制作简易、使用与携带方便、环境友好、应用范围广、检测速度快等优点，在临床诊断、食品质量控制和环境监测等应用领域具有重要应用。本发明所开发的纸基微流控芯片和水质检测重要参数的分析方法，可以为水质监测、现场快速检测等应用提供价格低廉、操作便捷、反应快速的检测工具。本发明提供了一种新型纸基多通道微流控芯片，用于地表水、自来水等常见水样的多指标快速分析检测。该芯片由冲压法和覆膜法制作而成，通过预先负载的指示剂、激活剂等多种反应试剂，可以将常规分析检测方法的多重反应集成在一张微流控芯片上。通过控制关键试剂的位置和负载量，使得操作人员可以利用简单的一步操作即实现多步反应的按顺序逐步发生。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于水质分析检测的纸基微流控芯片的示意图。
图2(a)-图2(c)为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行pH检测的结果图。图2(a)左上芯片的pH指示剂为苯酚红；图2(b)右上芯片的pH指示剂为溴百里酚蓝；图2(c)下方芯片的pH指示剂为溴甲酚绿。
图3(a)-图3(c)为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行pH检测的比色卡。图3(a)左上芯片的pH指示剂为苯酚红；图3(b)右上芯片的pH指示剂为溴百里酚蓝；图3(c)下方芯片的pH指示剂为溴甲酚绿。
图4为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行磷酸盐检测的结果图。
图5为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行磷酸盐检测的比色卡。
图6为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行氨氮检测的结果图。
图7为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行氨氮检测的比色卡。
图8为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行亚硝酸盐检测的结果图。
图9为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行亚硝酸盐检测的比色卡。
具体实施方式
本发明的纸基微流控芯片的制作采用冲压法和覆膜法，在环境温度下通过工艺冲压图案化以产生多个通道，通过在芯片表面覆膜来防止污染、减少蒸发。覆膜之前，可以根据所检测的水质分析指标，按照一定顺序在各个通道上滴加反应试剂，晾干后作为pH、磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐等参数的测试区。根据加样后测试区颜色的变化，通过与比色卡对照，可以判断被测水样的pH和磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐的浓度。其中，冲压法为使用压花器将纸基材料直接剪切成需要的形状。图1为本发明提供的一种用于水质分析检测的纸基微流控芯片的示意图。如图1所示，上述形状为具有六个通道(1-6)的花朵形，其中三个通道为pH检测区(通道1-3)，另外三个通道依次为磷酸盐(通道4)、氨氮(通道5)和亚硝酸盐(通道6)检测区。通道长度14毫米(mm)，花瓣形通道的最宽处为7.2mm，中心上样区直径13.2mm。
进一步的，根据待检测参数的数目，还可以相应增加或减少通道数，相应选择五角星形、七通道花朵形、八通道花朵形、太阳形等多种压花器，将纸基材料剪切成相应的形状。其中，覆膜法为使用惰性透明薄膜封装芯片，膜中间用打孔器制作一个小孔，作为芯片入口，用于水样的引入。孔直径的不同可以影响样品溶液充满整个芯片的时间，根据实际检测需要，上述小孔的直径应当处于1-6mm范围内。
其中，pH检测通道上的反应试剂可以使用0.8克/升(g/L)的苯酚红溶液、0.8g/L的溴百里酚蓝溶液、0.6g/L的溴甲酚绿溶液。试剂滴加方法为：用移液枪取2.0微升(μL)上述pH检测溶液，滴在pH检测通道的外缘端头，室温晾干即可。图2(a)-图2(c)为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行pH检测的结果图。图2(a)左上芯片的pH指示剂为苯酚红；图2(b)右上芯片的pH指示剂为溴百里酚蓝；图2(c)下方芯片的pH指示剂为溴甲酚绿。图3(a)-图3(c)为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行pH检测的比色卡。图3(a)左上芯片的pH指示剂为苯酚红；图3(b)右上芯片的pH指示剂为溴百里酚蓝；图3(c)下方芯片的pH指示剂为溴甲酚绿。
其中，磷酸盐检测通道上的反应试剂滴加方法为：将1μL酒石酸锑钾溶液(2.0％)，0.8μL显色剂(重复滴加5次)，0.8μL稀硫酸溶液依次由通道的外缘端头到中心根部滴在花瓣形通道上，间隔2mm。进一步的，其中，酒石酸锑钾溶液的浓度为1-5％。进一步的，其中，显色剂溶液为20.0g/L钼酸钠、8.0g/L米吐尔、30.0g/L亚硫酸钠的混合溶液。进一步的，其中，稀硫酸溶液为1:3-1:5稀释的硫酸溶液。图4为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行磷酸盐检测的结果图。图5为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行磷酸盐检测的比色卡。
其中，氨氮检测通道上的反应试剂滴加方法为：将2.0μL激活剂滴在花瓣形通道的外缘端头上，再将2.0μL显色剂滴在花瓣形通道的中心根部。进一步的，其中激活剂溶液为，用无氨水和氢氧化钠溶液(2摩尔/升(mol/L))稀释成含有效氯浓度3.5g/L，游离碱浓度0.75mol/L的次氯酸钠溶液。进一步的，其中显色剂溶液为，浓度为每升含水杨酸钠280～380克(g)(分析纯)、酒石酸钾钠50～68g和亚硝基铁氰化钠0.40～0.54g的无氨水溶液。图6为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行氨氮检测的结果图。图7为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行氨氮检测的比色卡。
其中，亚硝酸盐检测通道上的反应试剂为含有8.16g/L磺胺、69.35g/L柠檬酸、2.59g/L盐酸萘乙二胺的指示剂溶液。将0.15μL上述指示剂溶液滴在芯片花瓣形通道的外缘端头上，待晾干后再重复滴加一次。图8为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行亚硝酸盐检测的结果图。图9为使用本发明提供的纸基微流控芯片进行亚硝酸盐检测的比色卡。
其中，比色卡为展示不同pH和不同待测物浓度下，上述纸基微流控芯片的测试区颜色变化的卡片，其获得步骤为：使用上述纸基微流控芯片分析具有不同pH的标准溶液，提取测试区的颜色，制作pH比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同磷酸盐浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作磷酸盐比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同氨氮浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作氨氮比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同亚硝酸盐浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作亚硝酸盐比色卡。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：分别称取24毫克(mg)苯酚红、24mg溴百里酚蓝、18mg溴甲酚绿固体粉末，以30毫升(mL)无水乙醇作溶剂得到0.8g/L的苯酚红溶液、0.8g/L的溴百里酚蓝溶液、0.6g/L的溴甲酚绿溶液。用移液枪分别取2.0μL上述三种溶液，滴在芯片“花瓣”三个端头1-3，晾干溶剂，打孔覆膜封装。配制pH分别为4、5、6、7、8、9、10的标准溶液。将标准溶液分别滴到纸芯片进样中心孔使其完全浸润，观察实验现象(图2(a)-图2(c))，分别读取每个芯片的RGB值，制得pH标准比色卡(图3(a)-图3(c))。由图1和图2(a)-图2(c)可知：苯酚红通道在pH4.0-10.0有明显颜色变化，颜色由黄-红；溴百里酚蓝在pH 6.0-10.0有明显颜色变化，颜色由黄-蓝；溴甲酚绿在pH4.0-6.0有明显颜色变化，颜色由黄-绿。
实施例2：配制磷酸盐标准溶液：0毫克/升(mg/L)、2.5mg/L、5mg/L、10mg/L、25mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、400mg/L。配制芯片显色剂：20.0g/L钼酸钠、8.0g/L米吐尔、30.0g/L亚硫酸钠的混合溶液。配制A试剂：1:3硫酸溶液；B试剂：2.0％酒石酸锑钾溶液。将1μL酒石酸锑钾溶液(2.0％)，0.8μL*5次显色剂(20.0g/L钼酸钠、8.0g/L米吐尔、30.0g/L亚硫酸钠的混合溶液)，0.8μL硫酸(1:3硫酸溶液)依次由尖部到根部滴在芯片瓣上。将不同浓度的磷酸盐标准液过量滴加在制成芯片上，每片芯片6瓣即6组平行，实验结果显示磷酸盐标准溶液的浓度越高，颜色越深(图4)。用扫描方式得到直观图片材料，通过软件分别得到芯片显色区域平均RGB值，制作标准比色卡(图5)。
实施例3：将氯化铵于110摄氏度(℃)下烘干2小时(h)，配制不同浓度的氯化铵标准无氨水溶液：0mg/L、0.2mg/L、5mg/L、10mg/L、20mg/L、50mg/L。配制芯片显色剂：浓度为每升含水杨酸钠280g(分析纯)、酒石酸钾钠50g和亚硝基铁氰化钠0.40g的无氨水试剂溶液。配制激活剂：用无氨水和氢氧化钠溶液(2mol/L)稀释成含有效氯浓度3.5g/L，游离碱浓度0.75mol/L的次氯酸钠溶液。将2.0μL激活剂，2.0μL指示剂依次由尖部到根部滴在芯片瓣上，将氯化铵标准溶液分别过量滴到纸芯片进样中心孔使滤纸吸饱水，静候数秒。实验结果显示氯化铵标准溶液的浓度越高，颜色越深(图6)。用扫描方式得到直观图片材料，通过软件分别得到芯片显色区域平均RGB值，制作标准比色卡(图7)。
实施例4：配制不同浓度的亚硝酸盐标准溶液：0mg/L、0.05mg/L、0.2mg/L、0.5mg/L、1mg/L、3mg/L、5mg/L、10mg/L。配制含有8.16g/L磺胺、69.35g/L柠檬酸、2.5917g/L盐酸萘乙二胺的指示剂。将0.15μL指示剂叠加两次滴在芯片瓣的尖部上，将亚硝酸盐标准溶液分别过量滴到纸芯片进样中心孔使滤纸吸饱水，静候数秒试纸显色。实验结果显示亚硝酸盐标准溶液的浓度越高，颜色越深(图8)。用扫描方式得到直观图片材料，通过软件分别得到芯片显色区域平均RGB值，制作标准比色卡(图9)。
以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于水质检测的多参数分析的纸基微流控芯片,其特征在于，使用压花器将纸基材料直接剪切成需要的形状，所述形状为具有六个通道的花朵形、五角星形、七通道花朵形、八通道花朵形或太阳形。
2.根据权利要求1所述的纸基微流控芯片，其特征在于，所述具有六个通道的花朵形中，其中三个通道为pH检测区，另外三个通道依次为磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐检测区，通道长度14mm，花瓣形通道的最宽处为7.2mm，中心上样区直径13.2mm。
3.一种用于水质检测的多参数分析的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，纸基微流控芯片的制作采用冲压法和覆膜法，在环境温度下通过工艺冲压图案化以产生多个通道，通过在芯片表面覆膜来防止污染、减少蒸发，覆膜之前，可以根据所检测的水质分析指标，按照一定顺序在pH、磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐检测通道上滴加反应试剂，晾干后作为pH、磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐参数的测试区。
4.根据权利要求3所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，采用所述冲压法使用压花器将纸基材料直接剪切成需要的形状，所述形状为具有六个通道的花朵形、五角星形、七通道花朵形、八通道花朵形或太阳形。
5.根据权利要求4所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述覆膜法为使用惰性透明薄膜封装芯片，膜中间用打孔器制作一个小孔，作为芯片入口，用于水样的引入，根据实际检测需要，所述小孔的直径处于1-6mm范围内。
6.根据权利要求3或4所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述pH检测通道上的反应试剂可使用0.8g/L的苯酚红溶液、0.8g/L的溴百里酚蓝溶液、0.6g/L的溴甲酚绿溶液，试剂滴加方法为：用移液枪取2.0μL上述pH检测溶液，滴在pH检测通道的外缘端头，室温晾干即可。
7.根据权利要求3或4所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述磷酸盐检测通道上的反应试剂滴加方法为：将1μL的酒石酸锑钾溶液，0.8μL显色剂，0.8μL稀硫酸溶液依次由通道的外缘端头到中心根部滴在花瓣形通道上，间隔2mm。
8.根据权利要求7所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述酒石酸锑钾溶液的浓度为1-5％，显所述色剂溶液为20.0g/L钼酸钠、8.0g/L米吐尔、30.0g/L亚硫酸钠的混合溶液，所述稀硫酸溶液为1:3-1:5稀释的硫酸溶液。
9.根据权利要求3或4所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述氨氮检测通道上的反应试剂滴加方法为：将2.0μL激活剂滴在花瓣形通道的外缘端头上，再将2.0μL显色剂滴在花瓣形通道的中心根部。
10.根据权利要求9所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述激活剂溶液为，用无氨水和2mol/L氢氧化钠溶液稀释成含有效氯浓度3.5g/L，游离碱浓度0.75mol/L的次氯酸钠溶液，所述显色剂溶液为，浓度为每升含水杨酸钠280～380g分析纯、酒石酸钾钠50～68g和亚硝基铁氰化钠0.40～0.54g的无氨水溶液。
11.根据权利要求3或4所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述亚硝酸盐检测通道上的反应试剂为含有8.16g/L磺胺、69.35g/L柠檬酸、2.59g/L盐酸萘乙二胺的指示剂溶液，将0.15μL上述指示剂溶液滴在芯片花瓣形通道的外缘端头上，待晾干后再重复滴加一次。
12.根据权利要求3或4所述的纸基微流控芯片的制作方法，其特征在于，根据加样后测试区颜色的变化，通过与比色卡对照，可以判断被测水样的pH和磷酸盐、氨氮和亚硝酸盐的浓度，比色卡为展示不同pH和不同待测物浓度下，上述纸基微流控芯片的测试区颜色变化的卡片，其获得步骤为：使用上述纸基微流控芯片分析具有不同pH的标准溶液，提取测试区的颜色，制作pH比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同磷酸盐浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作磷酸盐比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同氨氮浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作氨氮比色卡；使用上述纸基微流控芯片分析具有不同亚硝酸盐浓度的标准溶液，提取测试区的颜色，制作亚硝酸盐比色卡。
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