CN112899140B

CN112899140B - 一种用于水体多参数检测的微流控芯片

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Publication number: CN112899140B
Application number: CN202110082461.8A
Authority: CN
Inventors: 田扬超; 刘刚; 熊瑛
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: CN112899140A

Abstract

本发明的一种用于水体多参数检测的微流控芯片，包括微流控芯片模块，所述微流控芯片模块包括介电泳细菌分选芯片模块、阻抗细菌测试芯片模块、萃取荧光测试芯片模块、电泳离子芯片模块；本发明的用于水体多参数检测的微流控芯片，采用微流控技术，通过微通道和微阀实现对液体的精确流向控制，高度集成多个前处理与检测模块在一片小型塑料片上，具有较高集成度与高效的传质与检测速度。在使用时，配合上位机及电磁阀，可实现一体控制，使用本发明的微流控芯片，可用于水质多参数快速检测，水体前处理简单，只需过滤即可。本发明在同一个芯片上集成多个模块，实现多参数的联合检测，且只需要输入一份样本，使得检测的准确性更高。

Description

一种用于水体多参数检测的微流控芯片

技术领域

本发明涉及环境检测技术领域，具体涉及一种用于水体多参数检测的微流控芯片。

背景技术

微流控技术是指通过构建微米级的微通道实现微量液体的控制输送，具有样品需求量少、传质速度快、体积小易便携、易与电学光学等检测手段集成等优点。利用微流控技术制造的微芯片材质成本极低，可提前封装微量反应试剂，材质与微量试剂对环境无二次污染。

分光光度法是光谱法的重要组成部分，是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的方法，避免干扰从而提高灵敏度。非接触式电导检测因灵敏度高、成本低、性能稳定等优点而应用于复杂样品检测。电泳分离技术已成为物质分析的一种主流分析工具，可以将复杂样品中的无机离子依次分离，从而进行定量检测，具有检测速度快、精度高、耗费样品少等优势。相对于传统检测方法，电泳-非接触式电导检测技术一次实验可同时在几分钟内检测几种指标，检测更迅速，成本更低。

近几年，随着微流控技术的快速发展，将微流控技术与光学电学检测技术结合，有望实现微芯片的便携式水质多参数快速检测。然而，目前并未有承载此项技术的相关装置报道。因此，需要开发一种新装置与控制方法，用来实现快速水质多参数的精确测定，从而监测水质。考虑到多手段多技术检测多指标成本会显著提升，一体化高集成的微流控芯片将显著降低成本。

发明内容

本发明提出的一种用于水体多参数检测的微流控芯片，可解决上述技术问题结合控制部件用于监测水质。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

包括介电泳细菌分选芯片模块、阻抗细菌测试芯片模块、萃取荧光测试芯片模块、电泳离子芯片模块；

所述微流控芯片模块上设置四个进口，进口一作为样品入口，进口二、进口三及进口四分别作为缓冲液入口一、缓冲液入口二及缓冲液入口三；

介电泳细菌分选芯片模块分别通过微通道与进口一、样品废液出口连通；

介电泳细菌分选芯片模块还通过微通道与进口二连通；

介电泳细菌分选芯片模块通过微通道与阻抗细菌测试芯片模块连通，介电泳细菌分选芯片模块与阻抗细菌测试芯片模块之间设置片上微型电磁阀一；

介电泳细菌分选芯片模块经片上微型电磁阀二分别与萃取荧光测试芯片模块、电泳离子芯片模块通过微通道连通；

萃取荧光测试芯片模块还通过微通道与进口三连通，电泳离子芯片模块通过微通道与进口四连通；

阻抗细菌测试芯片模块、萃取荧光测试芯片模块、电泳离子芯片模块分别通过微通道一一对应连通液体出口一、液体出口二、液体出口三。

进一步的，还包括激发电路模块和检测电路模块，所述激发电路模块和检测电路模块分别连接至微流控芯片的电极层；

激发电路模块同时还分别接入阻抗测试模块与电泳测试模块的激发电极；

检测电路模块同时还分别接入阻抗测试模块与电泳测试模块的接收电极。

进一步的，还包括微型激发光模块和微型光谱模块，微型激发光模块通过光纤与萃取荧光测试芯片模块中的入射光纤连接，微型光谱模块通过光纤与萃取荧光测试芯片模块中的出射光纤连接；

入射光纤和出射光纤分别通过嵌入方式嵌入到微通道的侧壁。

进一步的，所述微流控芯片从上至下依次为顶盖板层、微流控通道层、微流控通道基底绝缘层、检测电极层、基底固定层；

顶盖板层为聚合物塑料材质，包括芯片左侧的样品进样储存槽、滤膜、滤膜支撑结构、以及芯片右侧三个进样口；滤膜支撑结构放置在样品进样储存槽内，滤膜放置在滤膜支撑结构上；

滤膜为10μm孔径的阵列结构。

进一步的，微流控通道层的高度大于100μm，微流控通道层也是聚合物塑料材质，是弹塑体，弹塑体通过设定的结构造型形成相互连通的微通道，供液体在其中流通；

微流控通道层在萃取荧光测试芯片模块的侧壁的特定位置安装插入100μm直径的光纤；接收光纤与入射光纤应该成90°直角；

微流控通道基底绝缘层与微通道材质相同，便于键合连接。

进一步的，基底绝缘层在片上微型电磁阀位置设有特定的梯台凸起；

进一步的，基底绝缘层的厚度大于50μm，低于200μm；

梯台凸起的高度为半通道高度。

进一步的，检测电极层埋在基底绝缘层内的下方，紧贴基底固定层；

检测电极层材质为50-100nm的Au与5-10nm的Cr。

由上述技术方案可知，本发明的用于水体多参数检测的微流控芯片，采用微流控技术，通过微通道和微阀实现对液体的精确流向控制，高度集成多个前处理与检测模块在一片小型塑料片上，具有较高集成度与高效的传质与检测速度。在使用时，配合上位机及电磁阀，可实现一体控制，使用本发明的微流控芯片，可用于水质多参数快速检测，水体前处理简单，只需过滤即可。

本发明在同一个芯片上集成多个模块，实现多参数的联合检测，且只需要输入一份样本，使得检测的准确性更高。

附图说明

图1是本发明微流控芯片结构示意图及流体控制流动方向示意图；

图2是本发明在使用时的结构示意图；

图3是本发明的介电泳细菌分选芯片模块通道层与电极层示意图；

图4是本发明的萃取荧光测试模块通道层；

图5是本发明的阻抗测试模块通道层与电极层；

图6是本发明的电泳离子测试模块通道层与电极层；

图7是本发明的微流控芯片静止状态截面示意图；

图8是本发明的微通道盖板层结构示意图；

图9是本发明的介电泳细菌分选芯片模块电极层电极结构与排布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明的用于水体多参数检测的微流控芯片包括四个主要模块，分别为介电泳细菌分选芯片模块、阻抗细菌测试芯片模块、萃取荧光测试芯片模块、电泳离子芯片模块；所述微流控芯片模块上设置四个进口，进口一作为样品入口，进口二、进口三及进口四分别作为缓冲液入口一、缓冲液入口二及缓冲液入口三；

介电泳细菌分选芯片模块还通过微通道与进口二连通；

本实施例所述的用于水体多参数检测的微流控芯片，在用于对水质的检测时，可结合控制模块，电子阀等器件，实现自动控制；

在发明实施例的用于水体多参数检测的微流控芯片，在具体应用时本套装备由微流控芯片、上位机、控制电路、电源模块、采集卡、激发电路模块、检测电路模块、微型光谱模块、微型激光发光模块、定量电磁泵、微型电磁泵、旋转阀以及缓冲液瓶废液瓶等组成，各部件连接如图2所示。

样品瓶的管子连接至定量电磁泵的进口，进口前固定放置30目与60目塑料材质纱网，定量电磁泵的出口连接流量计1的进口。流量计1的出口连接微流控芯片的进口1，微流控芯片的出口连接至流量计2的入口处，流量计2的出口处连接至废液。缓冲液1通过旋转阀连接至进口2，缓冲液2通过旋转阀连接至进口3，缓冲液4通过旋转阀连接至进口4。微量电磁泵为缓冲液提供动力驱动。控制电路控制所有的泵阀电路等通断，上位机控制整个系统。还包括激发电路模块和检测电路模块，所述激发电路模块和检测电路模块分别连接至微流控芯片的电极层；激发电路模块同时还分别接入阻抗测试模块与电泳测试模块的激发电极；检测电路模块同时还分别接入阻抗测试模块与电泳测试模块的接收电极。微型激发光模块通过光纤连接微流控芯片的萃取荧光测试芯片模块中嵌入微通道侧壁的入射光纤模块，微型光谱模块通过光纤连接微流控芯片的萃取荧光测试芯片模块中嵌入微通道侧壁的出射光纤模块。

用于便携式水质多参数速测的微芯片包括进样口，废液口，三个缓冲液口，片上两个微型电磁阀，通过这些口与阀，控制片上微通道的液体流向为特定方向，如图2所示，防止发生回液或者逆向流动情况，以免检测准确度降低。

其中，介电泳细菌分选芯片模块位于整个芯片的前端，样品入口通道直接连接至介电泳细菌分选电极腔前端，缓冲液入口通道1连接至电极腔前端汇聚后进入介电泳细菌分选电极腔前端。腔外主要为微通道，腔内具有多层结构，包括电极层，电极层的结构位于图9，电极层的显著特征是以凸起形的矩形、半圆形、三角形、梯形微结构为主，排列方式为对立型与错开型。腔的出口分为两路，一路直接连接到样品废液出口，另一路是介电泳模块液体出口也就直接连接到阻抗模块液体进口。原理：细菌在微通道内受到流体力与介电泳力两个力的影响，流体力主要由流速控制，介电泳力由凸起结构与施加的交流电信号共同决定，细菌进入分选腔后，在两个力影响下细菌向着阻抗模块进口那路移动。

电泳芯片和阻抗细菌测试芯片模块同样包含电极层。电极结构如图所示。激发电极与接收电极分别连接至激发电路模块与检测电路模块。

萃取荧光测试芯片模块，共计三个口，左侧一个荧光测试模块入口，右侧缓冲液入口2，液体出口2。入口进入后分两路，形成以90度折弯，折弯处的通道壁垂直放置出射光纤和入射光纤。样品的流速低于缓冲液流速，且左侧设置月牙形的流向变道辅助结构，共同作用使得液体流向转向。两对光纤分别测试进样口的和经过缓冲液萃取后的荧光强度。

微流控芯片及辅助夹具共有五层结构，从上至下依次为顶盖板层、微流控通道层、微流控通道基底绝缘层、检测电极层、基底固定层。

顶盖板层为聚合物塑料材质，如图8所示，包括芯片左侧的样品进样储存槽、滤膜、滤膜支撑结构、以及芯片右侧三个进样口。滤膜为10μm孔径的阵列结构，可以过滤10μm以上的杂物，且可让10μm以下的细菌通过，进入微通道内。

微通道的高度应大于100μm，微流控通道层也是聚合物塑料材质，是弹塑体，弹塑体通过一定的结构造型形成相互连通的微通道，供液体在其中流通。该层在萃取荧光测试芯片模块的侧壁的特定位置安装插入100μm直径的光纤。为了提高光谱仪信号的信噪比，减少入射光对结果的影响，接收光纤与入射光纤应该成90°直角。

微流控通道基底绝缘层与微通道材质相同，便于键合连接。基底绝缘层在片上微型电磁阀位置有特定的梯台凸起。因材料具有一定弹性，当片上电磁阀工作时候，电磁阀伸出顶在凸起位置，凸起位置顶起，顶到通道盖板层位置，对通道内的液体进行阻断。绝缘层的厚度应大于50μm，低于200μm。凸起的高度为半通道高度。电磁阀伸出长度也仅需半通道高度。这样既可保证静止时液体顺利流通，梯台下不易形成死体积；另一方面，工作时，变形量不至于过大，免得寿命过低。

电极层埋在绝缘层内的下方，紧贴基底固定层。电极层材质为50-100nm的Au与5-10nm的Cr。电极只出现在特定位置。

本发明实施例在具体应用时候可对水质进行快速检，可针对水质检测的三类指标：细菌数量、无机离子浓度、以及有机物三类。

区别于现有传统国标检测方法，本方面实施例的检测方法直接检测样品，无需额外添加标记物、显色剂等试剂，不会对环境产生二次污染。区别于现有单指标检测方法或仪器，样品分成几份后再进样，本发明因采用一块完整的微流控芯片，提出检测新方法的进样样品是同一份样品，由同一份样品进样进行三类指标的检测，消除了部分系统误差，检测结果更可信更具有说服力。取野外采集河水、湖水等水样需使用洁净滤网进行粗过滤，仅去除固体杂质即可，取地下水、生活饮用水等水样可无需进行粗过滤。将待测样品按照标准采样法采样并混合均匀后，将一端连接至微流控芯片左侧样品口的进样管的另一端插入样品瓶，样品口如图2所示。

第一步，缓冲液灌洗。启动上位机控制程序，关闭定量电磁泵，开启片上微型电磁阀1和2，旋转阀切换至连通缓冲液1和进口2位置，开启微量电磁泵，灌注缓冲液1，洗涤微通道比挤出通道内密封空气。关闭微量电磁泵。

第二步，润洗。采用定量电磁泵提供动力源，该动力源可进行样品定量的持续输送，将样品瓶中样品液体经过滤饼定量输送至微流控通道。此时，片上微型电磁阀1和片上微型电磁阀2为关闭状态。流量计1开始记录进样的流量v1，流量计2开始记录出口流向废液的流量v2。当V1＝V2后，开始自动计时，为稳定润洗微通道的时间t1。优选得，t1应大于1分钟。

第三步，进样。启动片上微型电磁阀1，控制样品溶液进入介电泳模块，待v2稳定时，开始计时。v2稳定的判定策略为：流量计2采集的频率为几赫兹至几十赫兹，优选得，为20Hz，当下一秒20个采样点的平均速度v2’与上一秒20个采样点的平均速度v2满足公式|v2’-v2|/v2’*100％<5％时，即可判定v2稳定。

第四步，介电泳分离样品中细菌。待v2稳定时，同步地，启动激发电路模块中的激发介电泳部分，输入稳定的低压正弦高频信号，优选地，该信号为峰值为5Vpp，频率为1MHz的正弦波信号。此时，因细菌受到介电泳力，被截留在介电泳模块的微通道内。关闭定量电磁泵，从v2稳定至关闭定量电磁泵的时间，记为t2，通过流量计的差值计算样品进入量，进入的样品量为(v1-v2)*t2。

细菌被介电泳截留的原理：本发明提出的一种带有特殊的微电极图形的微通道，如图3所示，黑色为电极图案，通过排布电极凸起，实现通道内电场强度的变化，使得样品中的细菌受到介电泳力的影响被截留在黑色电极边缘。

第五步，细菌数量检测。开启微量泵，旋转阀切换至缓冲液1泵入进口2，片上微型电磁阀1开启，检测电路中的阻抗细菌测试芯片模块开启，此时，激发电路模块中的激发介电泳部分输入的正弦信号降低为3，缓冲液具有一定流速，将被截留的细菌沿着介电泳微电极边缘冲入阻抗谱检测模块，阻抗微电极检测流过的细菌，以此判定细菌数量。待阻抗谱无信号检出后，进行下一步。

第六步，有机物萃取荧光检测。关闭片上微型电磁阀1，开启微型电磁阀2，时间为t3后，关闭微型电磁阀2，此时进入的样品量为(v1-v2)*t3。微量电磁泵启动，旋转阀切换到缓冲液2泵入进口3。此时启动微型光谱模块作为光学检测模块，启动微型激光发光模块作为激发光模块。光学检测模块中连接光纤，直接插入微通道的侧壁。通过检测经过光纤的特定检测部位微通道的光强信号，推算样品中有机物含量，从而完成有机物检测。

第七步，无机离子检测。仍关闭片上微型电磁阀1，微量电磁泵启动，旋转阀切换到缓冲液3泵入进口4。在电泳模块中施加直流高压1kv，启动激发电路模块中的激发非接触电导激发电路部分，输入稳定的低压正弦低频信号，启动检测电路中非接触电导检测电路。通过检测经过非接触电导电极的电压信号，推算样品中无机离子含量，从而完成无机离子检测。

本发明的用于水体多参数检测的微流控芯片，采用微流控技术，通过微通道和微阀实现对液体的精确流向控制，高度集成多个前处理与检测模块在一片小型塑料片上，具有较高集成度与高效的传质与检测速度。在使用时，配合上位机及电磁阀，可实现一体控制，使用本发明的微流控芯片，可用于水质多参数快速检测，水体前处理简单，只需过滤即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于水体多参数检测的微流控芯片，其特征在于：

介电泳细菌分选芯片模块还通过微通道与进口二连通；

2.根据权利要求1所述的用于水体多参数检测的微流控芯片，其特征在于：

还包括激发电路模块和检测电路模块，所述激发电路模块和检测电路模块分别连接至微流控芯片的电极层；

3.根据权利要求1所述的用于水体多参数检测的微流控芯片，其特征在于：

还包括微型激发光模块和微型光谱模块，微型激发光模块通过光纤与萃取荧光测试芯片模块中的入射光纤连接，微型光谱模块通过光纤与萃取荧光测试芯片模块中的出射光纤连接；

4.根据权利要求1所述的用于水体多参数检测的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片从上至下依次为顶盖板层、微流控通道层、微流控通道基底绝缘层、检测电极层、基底固定层；

滤膜为10μm孔径的阵列结构。

5.根据权利要求4所述的用于水体多参数检测的微流控芯片，其特征在于：

微流控通道层的高度大于100μm，微流控通道层也是聚合物塑料材质，是弹塑体，弹塑体通过设定的结构造型形成相互连通的微通道，供液体在其中流通；

微流控通道层在萃取荧光测试芯片模块的侧壁安装插入100μm直径的光纤；接收光纤与入射光纤应该成90°直角；

微流控通道基底绝缘层与微通道材质相同，便于键合连接。

6.根据权利要求4所述的用于水体多参数检测的微流控芯片，其特征在于：

基底绝缘层在片上微型电磁阀位置设有梯台凸起，梯台凸起为弹性材质，梯台凸起的高度为半通道高度；

基底绝缘层的厚度大于50μm，低于200μm。

7.根据权利要求4所述的用于水体多参数检测的微流控芯片，其特征在于：

检测电极层埋在基底绝缘层内的下方，紧贴基底固定层；

检测电极层材质为50-100nm的Au与5-10nm的Cr或Ti。