CN112067603A

CN112067603A - 微流控化学发光检测装置及方法

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Publication number: CN112067603A
Application number: CN202010902914.2A
Authority: CN
Inventors: 林金明; 张强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2020-12-11

Abstract

本发明提供一种微流控化学发光检测装置及方法，其中的装置包括化学发光检测系统以及设置在化学发光检测系统内的微流控系统；其中，微流控系统包括微流控芯片、与微流控芯片连接的待测水样，以及与微流控芯片连接且与待测水样对应的反应检测物；待测水样及反应检测物均注入微流控芯片内，在微流控芯片内发生反应并产生发光信号；化学发光检测系统用于实时监测发光信号，以实现对待测水样的在线BOD检测。利用上述发明能够实现水样的在线实时BOD₅监测，检测速度快、质量高。

Description

微流控化学发光检测装置及方法

技术领域

本发明涉及水体生化需氧量测量技术领域，更为具体地，涉及一种微流控化学发光检测装置及方法。

背景技术

有机物质是水体中的重要污染物之一，他们能在微生物的催化作用下被氧气氧化，导致水体缺氧，进而造成水中生物的死亡引起水体腐败。因此，生化需氧量(BOD)是评价水体有机物污染的重要指标，由于自然水体中氧气消耗是一个缓慢的过程，衡量BOD总量需要几十乃至上百天的时间，操作不便。因此研究者们采用一定时间内的BOD来衡量水质，包括五日生化需氧量BOD₅，七日化学需氧量BOD₇，相应的还有BOD₁₀及BOD₂₀等。目前广泛使用的标准是BOD₅。

现有的BOD₅的测定方法主要包括接种稀释法、升温法、活性污泥曝气降解法、生化传感器法等。其中，接种稀释法作为标准测定方法，其虽然准确度高，但需要5天的测量时常并始终保持恒温(20℃)及气密性，不便于快速实时检测。另外，升温法虽然可以在一定程度上加速反应过程，以2-3天的BOD即可估算20℃的BOD₅，但所用时间仍然较长。活性污泥曝气降解法主要是利用过量的活性污泥和不断通入的氧气快速分解样品中的有机物，然后测定样品反应前后的化学需氧量(未经过活性污泥曝气样品的化学需氧量：CODi，活性污泥曝气后样品的化学需氧量：CODf)，以此计算生化需氧量(BOD＝CODi-CODf)，但这种方法操作较为复杂，且需要耗时2h左右。

此外，生化传感器法作为相对简便快捷的方法，其主要是通过一系列化学体系的设计，将有机物氧化过程转化为光电信号：典型的方法有生物荧光法、微生物燃料电池法、生化反应器法。目前，这些方法虽然为快速估测水质BOD打下了重要基础，但仍需要进一步发展以实现便捷快速分析，为水样实时监测提供有力工具。

但是，上述各生化传感器法，需要大型的质谱分析仪器，操作不便；荧光分析需要外界激光系统，结构复杂，光源稳定性(光强、波长等)影响分析过程；此外，电化学分析需要外界电器件，电极污染等不稳定性也会导致分析结果受到影响。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种微流控化学发光检测装置及方法，以解决目前水样BOD检测存在的周期长、成本高、效果差等问题。

本发明提供的微流控化学发光检测装置，包括化学发光检测系统以及设置在化学发光检测系统内的微流控系统；其中，微流控系统包括微流控芯片、与微流控芯片连接的待测水样，以及与微流控芯片连接且与待测水样对应的反应检测物；待测水样及反应检测物均注入微流控芯片内，在微流控芯片内发生反应并产生发光信号；化学发光检测系统用于实时监测发光信号，以实现对待测水样的在线BOD检测。

此外，优选的技术方案是，反应检测物包括酵母悬浮液和鲁米诺反应体系溶液。

此外，优选的技术方案是，酵母悬浮液包括过量的活性酿酒酵母及用于充当氧化还原介体的醌类物质；其中，醌类物质包括1,2-萘醌-4-磺酸钠或者维生素K；鲁米诺反应体系溶液包括过量的鲁米诺钠盐及铁氰化物。

此外，优选的技术方案是，微流控芯片包括相互导通的反应区域和化学发光区域；待测水样与酵母悬浮液同时注入反应区域，混合并充分反应后输入化学发光区域；鲁米诺反应体系溶液注入化学发光区域并与混合液发生化学反应，以产生发光信号。

此外，优选的技术方案是，反应区域包括类特斯拉阀结构的管路；管路包括至少两个混合部以及连接相邻两混合部的弯折部；混合部包括规则分布的分流节点和对撞混合节点。

此外，优选的技术方案是，化学发光检测系统包括暗室、光电倍增管，以及微型温度控制装置；微流控芯片放置在暗室中，光电倍增管设置在化学发光区域下方，微型温度控制装置设置在反应区域下方。

此外，优选的技术方案是，微流控芯片包括三个入口和一个出口；反应检测物和待测水样分别在蠕动泵的作用下从对应的入口注入微流控芯片内，检测完成后的废液通过出口排出。

此外，优选的技术方案是，在待测水样注入微流控芯片之前，还包括：对待测水样进行预处理及评估，以去除待测水样中的颗粒物以及毒性物质。

此外，本发明还提供一种微流控化学发光检测方法，利用上述的微流控化学发光检测装置对待测水样进行检测；方法包括：将待测水样及对应的反应检测物同时注入微流控芯片内进行生化反应，并产生发光信号；待发光信号稳定后，通过化学发光检测系统采集发光信号；根据发光信号确定待测水样的BOD。

此外，优选的技术方案是，在对待测水样进行检测之前，还包括：基于已知BOD₅的标准水样进行预实验，以获取反应检测物的标准浓度和流速参数；基于标准浓度和流速参数确定标准曲线；根据标准曲线及待测水样的BOD确定待测水样的BOD₅。

利用上述微流控化学发光检测装置及方法，将待测水样及反应检测物均注入微流控芯片内，在微流控芯片内发生反应并产生发光信号，然后通过化学发光检测系统实时监测发光信号，最终实现对待测水样的在线BOD检测，能够实现快速、高效的BOD检测。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的微流控化学发光检测装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的微流控芯片结构示意图；

图3为根据本发明实施例的反应区域结构示意图；

图4为根据本发明实施例的微流控化学发光检测方法的流程图。

其中的附图标记包括：微流控系统1、化学发光检测系统2、微流控芯片3、反应区域4、化学发光区域5、蠕动泵6、待测水样7、酵母悬浮液8、鲁米诺反应体系溶液9、废液10。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为详细描述本发明的微流控化学发光检测装置及方法，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的微流控化学发光检测装置的示意结构。

如图1所示，本发明实施例的微流控化学发光检测装置，包括化学发光检测系统2以及设置在化学发光检测系统2内的微流控系统1；其中，微流控系统1包括微流控芯片3、与微流控芯片3连接的待测水样7，以及与微流控芯片3连接且与待测水样7对应的反应检测物；待测水样7及反应检测物均注入微流控芯片3内，在微流控芯片3内发生反应并产生发光信号；化学发光检测系统2用于实时监测发光信号，以实现对待测水样7的在线BOD检测，检测速度快且准确性高。

具体地，反应检测物主要包括酵母悬浮液8和鲁米诺反应体系溶液9。其中，酵母悬浮液8可包括过量的活性酿酒酵母菌及用于充当氧化还原介体的醌类物质；其中，醌类物质包括1,2-萘醌-4-磺酸钠或者维生素K等类似物质，溶液可采用生理盐水等；鲁米诺反应体系溶液9包括过量的鲁米诺钠盐及铁氰化物；其中，鲁米诺反应体系溶液9的制备过程可采用：将鲁米诺钠盐储备液配置后在4℃下避光放置2天使试剂性质稳定，在使用时再进行稀释并与铁氰化钾溶液混合。

此外，酵母悬浮液8中的酵母菌是一种优选的微生物菌种，在实际操作中可根据当地待测水样的具体情况选择更加有针对性的菌种组合。在检测过程中，还应确保酵母悬浮液8处于不停的搅拌中，保证酵母菌在水相中均匀分散，以提高待测水样BOD的检测精度。

进一步地，微流控芯片3包括相互导通的反应区域4和化学发光区域5；其中，待测水样7与酵母悬浮液8同时注入反应区域4，混合并充分反应后输入化学发光区域5；鲁米诺反应体系溶液9注入化学发光区域5并与混合液发生化学反应，以产生相应的发光信号，供化学发光检测系统2进行采集。

具体地，图2和图3分别示出了根据本发明实施例的微流控芯片及反应区域的示意结构。

如图1至图3所示，微流控芯片3包括相连的反应区域4和化学发光区域5，反应区域4包括两个入口，化学发光区域5包括一个入口和一个出口；其中，反应区域4进一步包括类特斯拉阀结构的管路(以下可称管道或通道)，管路包括至少两个混合部以及连接相邻两混合部的弯折部，其混合部包括规则分布的分流节点和对撞混合节点；如图3所示，微流控芯片中的反应区域4采用类特斯拉阀的管道结构，液流(方向如图3中虚线所示)会在该混合部中实现多次分流——对撞汇合的过程，进而实现不断的搅拌，保证反应物能在过量酵母细胞的作用下进行充分反应。

另外，化学发光区域5可设置为螺旋形或者其他能够在节省空间的情况下实现液体快速混合的通道结构形式。

可知，微流控芯片3包括三个入口和一个出口，反应检测物和待测水样7分别在蠕动泵6的作用下同时从反应区域4的两个入口注入微流控芯片3内，二者在接下来的管道中发生恒温生化反应，形成混合液；待反应一定时间后，该混合液与化学发光区域5入口的鲁米诺反应体系溶液9相遇，并在螺旋形通道中完成快速的混合、反应并产生发光信号，反应及检测后的废液10则从化学发光区域5的出口排出。

需要说明的是，上述管路或者螺旋形通道的结构、长度、尺寸以及反应物在其中的流速均可根据待测水样或者检测要求进行设定及调整，并不限于附图中所示具体的尺寸及结构。

在本发明的一个具体实施方式中，化学发光检测系统2包括暗室、光电倍增管(图中未示出)，以及微型温度控制装置(图中未示出)；其中，微流控芯片3放置在暗室中；微型温度控制装置设置在反应区域4下方，用于调控生化反应的温度，例如，20℃，该温度可根据实验需求进行优化和调整，进而辅助微流控系统1实现生化反应；光电倍增管设置在化学发光区域5下方，用于实时动态准确地记录反应过程中的发光信息，即发光信号。

此外，为确保待测水样7的检测精度，在待测水样7注入微流控芯片3之前，还包括对待测水样7进行预处理及评估，若预计待测水样7的BOD过高，则应进行一定的稀释。。必要情况下，可采用沉淀、过滤等方式除去待测水样7中的颗粒及高毒性物质，以避免在通道堵塞及酵母菌失活死亡等情况发生。

在本发明的微流控化学发光检测装置中，由于待测水样7中通常会含有一些金属离子(如铁离子、铜离子)，这些离子会加速鲁米诺化学发光反应，但不会影响发光总量。在检测过程中，只要保证在监测的时间窗口内(对应着一定流速下的微流控芯片3的化学发光区域5的个通道路径长度)，有机物质被微生物氧化所产生的活性氧物种能够充分与鲁米诺反应体系溶液反应发光，那么所测算到的发光总量便可以衡量有机物质的含量。此外，过高浓度的金属离子可能会显著降低微生物代谢活性，此时可采用沉淀过滤或添加掩蔽剂等方式避免其不利影响。

进一步地，为保证待测水样7中有机物质能在生化反应区域(包括反应区域和化学发光区域)内充分被氧化，水样中有机物浓度不能过高。在预估待测水样BOD过高时，需事先采用一定的稀释措施，稀释操作也可在微流控芯片3上进行一定范围内的调控：例如，通过调整微流控芯片3进样的流速比例，控制待测水样7和反应检测物的进样体积比，进而实现不同程度的水样稀释。

需要说明的是，理论上的BOD指有机物完全反应的耗氧量，所对应的氧化过程通常需要几十乃至上百天，反映的是水中有机物的绝对含量。标准接种稀释法所测出的五日生化需氧量BOD₅只是理论BOD的一种近似估算值，相应的还有BOD₇，BOD₁₀及BOD₂₀等，目前普遍采用BOD₅作为水质衡量标准。在本发明提供的微流控化学发光检测装置中，采用过量的高活性微生物、调控反应温度、稀释样品等方式让有机物尽可能快速反应完全进而定量转化为发光信号，所测出的BOD_CL亦可有效估算理论BOD。

由于，在待测水样7有机物组成变化不大时，一定有机物浓度区间内的BOD_CL和BOD₅具有稳定的定量关系，可根据已知BOD₅的标准水样测定制作出标准曲线，从而将实际样品检测中实时测得BOD_CL换算为BOD₅，进而实时待测水体是否出现异常污染情况。其中，标准水样需要从待测水样中获得，以保证制作标准曲线的样品有机物组成与实际测量时尽可能的接近。

与上述微流控化学发光检测装置相对应，本发明还提供一种微流控化学发光检测方法，利用上述微流控化学发光检测装置对待测水样进行检测。

具体地，图4示出了根据本发明实施例的微流控化学发光检测方法的示意流程。

如图4所示，本发明实施例的微流控化学发光检测方法，包括：

S110：将待测水样及对应的反应检测物同时注入微流控芯片内进行生化反应，并产生发光信号。

S120：待所述发光信号稳定后，通过化学发光检测系统采集发光信号。

S130：根据所述发光信号确定待测水样的BOD。

此外，在对待测水样进行检测之前，还包括：基于已知BOD₅的标准水样进行预实验，以获取反应检测物的标准浓度和流速参数；然后，基于标准浓度和流速参数确定标准曲线；最后，根据标准曲线及待测水样的BOD确定待测水样的BOD5。

具体地，微流控化学发光检测方法包括以下步骤：

1、将微流控芯片3、三台蠕动泵、待测水样7、酵母悬浮液8、鲁米诺反应体系溶液9及废液10按照图1所示结构组装连接成微流控系统1。其中，微流控芯片3置于暗室内的特定位置，使得微流控芯片的反应区域4置于温控装置，例如微型温度控制装置上方，化学发光区域5对准化学发光检测器，例如光电倍增管，微流控芯片3通过管路与外部其他器件相连。

2、根据已知BOD₅值的标准水样进行预实验，以优化各种反应检测物试剂的浓度及流体流速等实验细节参数，并做出标准曲线。其中，若预估待测水样BOD值过高，则还应对样品进行稀释处理。

3、利用蠕动泵将待测水样和酵母悬浮液按设定的流速同时注入微流控芯片，引发生化反应，形成混合液。待该混合液通过反应区域后(可通过流速和时间进行估算)，注入鲁米诺反应体系，进一步引发化学发光反应。

4、待液体充满化学发光区域的螺旋形通道后，化学发光信号将趋于稳定，此时可以开始正式记录数据。其中，螺旋通道内流体所产生的二次流可促使溶液快速混合反应，进而产出可靠的化学发光数据。

本发明微流控化学发光检测方法的实施例可参考对应装置实施例中的描述，此处不再一一赘述。

利用上述根据本发明的微流控化学发光检测装置及方法，具有以下优点：

1、本发明采用微流控芯片化学发光检测方法测定BOD_CL，进而估算对应的BOD₅，能够大幅度减少试剂消耗、提升分析速度，实现便携式在线检测方案，可用于水样BOD的实时监测。

2、本发明微流控芯片中采用类特斯拉阀结构，利用流体自身流动产生对撞混合作用，不需借助外界电、磁、机械等因素即可实现流体搅拌，节省了成本，简化了操作。

3、微流控芯片设计中规避了凹槽、“口袋”等结构，能够避免流体在角落里的长期滞留，使得流体基本上是按注入的先后顺序在管路内进行流动，保证在线实时分析的可靠性。

4、利用微流控中“时空转换”的性质，在设定的管路长度下，仅依靠蠕动泵流速的调节便可调控生化反应时间，能够避免常规试管方法中频繁的反应引发、终止及计时等操作，方便在线分析，减少人为操作带来的误差。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的微流控化学发光检测装置及方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的微流控化学发光检测装置及方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims

1.一种微流控化学发光检测装置，其特征在于，包括化学发光检测系统以及设置在所述化学发光检测系统内的微流控系统；其中，

所述微流控系统包括微流控芯片、与所述微流控芯片连接的待测水样，以及与所述微流控芯片连接且与所述待测水样对应的反应检测物；

所述待测水样及所述反应检测物均注入所述微流控芯片内，在所述微流控芯片内发生反应并产生发光信号；

所述化学发光检测系统用于实时监测所述发光信号，以实现对所述待测水样的在线BOD检测。

2.如权利要求1所述的微流控化学发光检测装置，其特征在于，

所述反应检测物包括酵母悬浮液和鲁米诺反应体系溶液。

3.如权利要求2所述的微流控化学发光检测装置，其特征在于，

所述酵母悬浮液包括过量的活性酿酒酵母及用于充当氧化还原介体的醌类物质；其中，所述醌类物质包括1,2-萘醌-4-磺酸钠或者维生素K；

所述鲁米诺反应体系溶液包括过量的鲁米诺钠盐及铁氰化物。

4.如权利要求2所述的微流控化学发光检测装置，其特征在于，

所述微流控芯片包括相互导通的反应区域和化学发光区域；

所述待测水样与所述酵母悬浮液同时注入所述反应区域，混合并充分反应后输入所述化学发光区域；

所述鲁米诺反应体系溶液注入所述化学发光区域并与所述混合液发生化学反应，以产生所述发光信号。

5.如权利要求4所述的微流控化学发光检测装置，其特征在于，

所述反应区域包括类特斯拉阀结构的管路；

所述管路包括至少两个混合部以及连接相邻两混合部的弯折部；

所述混合部包括规则分布的分流节点和对撞混合节点。

6.如权利要求4所述的微流控化学发光检测装置，其特征在于，

所述化学发光检测系统包括暗室、光电倍增管，以及微型温度控制装置；

所述微流控芯片放置在所述暗室中，所述光电倍增管设置在所述化学发光区域下方，所述微型温度控制装置设置在所述反应区域下方。

7.如权利要求1所述的微流控化学发光检测装置，其特征在于，

所述微流控芯片包括三个入口和一个出口；

所述反应检测物和所述待测水样分别在蠕动泵的作用下从对应的入口注入所述微流控芯片内，检测完成后的废液通过所述出口排出。

8.如权利要求1所述的微流控化学发光检测装置，其特征在于，在所述待测水样注入所述微流控芯片之前，还包括：

对所述待测水样进行预处理及评估，以去除所述待测水样中的颗粒物以及毒性物质。

9.一种微流控化学发光检测方法，其特征在于，利用如权利要求1至8任一项所述的微流控化学发光检测装置对待测水样进行检测；所述方法包括：

将待测水样及对应的反应检测物同时注入微流控芯片内进行生化反应，并产生发光信号；

待所述发光信号稳定后，通过化学发光检测系统采集所述发光信号；

根据所述发光信号确定所述待测水样的BOD。

10.如权利要求9所述的微流控化学发光检测方法，其特征在于，在对所述待测水样进行检测之前，还包括：

基于已知BOD₅的标准水样进行预实验，以获取所述反应检测物的标准浓度和流速参数；

基于所述标准浓度和流速参数确定标准曲线；

根据所述标准曲线及所述待测水样的BOD确定所述待测水样的BOD₅。