CN113720834B - 一种用于水体生化要素检测的微流控芯片、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水体生化要素检测的微流控芯片、系统及方法，该微流控芯片包括芯片本体，在所述芯片本体中设置有芯片流路，所述芯片流路包括进样器连接通道、多用连接通道、储液管路、试剂交叉混合区、试剂连接通道、反应管路以及内部光程检测池。本发明提供的用于水体生化要素检测的微流控芯片除了内部光程检测池之外，还可以根据用需求外接不同长度液芯波导管路，可实现长光程高灵敏度检测，实现痕量生化要素的高精度检测。与使用多个进样器或注射泵的传统微流控检测系统相比，本发明提供的检测系统只需一个进样器即可实现流路的清洗及各个样品和试剂的进样与反应，大大减小了系统进样装置的体积和功耗。

Description

一种用于水体生化要素检测的微流控芯片、系统及方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片实验室领域，具体涉及一种用于水体生化要素检测的微流控芯片、系统及方法。
背景技术
微流控芯片自20世纪90年代发展至今，已在化学、生物、医学等领域实现了大量应用。
在水体生化要素检测领域，现有的微流控芯片存在如下不足：
1.检测灵敏度受限。现有微流控芯片材质多为PMMA、玻璃、PEI等，材料不具备全反射特性，受微流控芯片材质所限，比色池长度不超过10cm，导致检测灵敏度不高，无法实现痕量要素的检测。且一旦微流控芯片流路确定，其比色池长度即为固定，若需要调整比色池光程长度适应不同范围测量，只能重新设计和加工微流控芯片，加工及时间成本高、使用灵活性差；
2.现有微流控芯片流路采用单向的流动注射分析或“停流”分析技术，即水样和试剂在微流控芯片流路中的反应需通过增加反应时间或延长反应流路来实现，降低了系统检测时效性和集成度；
3.进样装置采用多个进样器或注射泵，系统功耗和体积均较大。
专利文献CN105562131A公开了一种用于总磷检测的微流控芯片、检测系统和检测方法，该芯片虽然可以实现在线监测，但是其检测池的长度是固定的，而且结构比较复杂。
发明内容
为了解决上述背景技术所存在的至少一技术问题，本发明提供一种用于水体生化要素检测的微流控芯片、系统及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种用于水体生化要素检测的微流控芯片，包括芯片本体，在所述芯片本体中设置有芯片流路，所述芯片流路包括进样器连接通道、多用连接通道、储液管路、试剂交叉混合区、试剂连接通道、反应管路以及内部光程检测池；
所述多用连接通道设置有N条，N大于等于1；
所述试剂连接通道设置有M条，M大于等于1；
所述进样器连接通道设置有N个多用连接通道连接口，以用于和所述N条多用连接通道相连接；且所述进样器连接通道和所述储液管路相连通，所述储液管路连通至试剂交叉混合区；
所述试剂交叉混合区设置有M个试剂连接通道接口，以用于和所述M条试剂连接通道相连接；
所述试剂交叉混合区连通至反应管路，所述反应管路连通至内部光程检测池相连通；
在所述芯片本体中设置有外接液芯波导管路安装孔，所述外接液芯波导管路安装孔和所述内部光程检测池相连通。
进一步地，所述外接液芯波导管路安装孔设置有两个，一外接液芯波导管路安装孔和所述内部光程检测池相连通；
在所述芯片本体中还设置有两光源安装孔和两信号接收器安装孔，其中一光源安装孔和一信号接收器安装孔位于内部光程检测池相对的两端，一光源安装孔位于一外接液芯波导管路安装孔的上方，一信号接收器位于另一外接液芯波导管路安装孔的上方。
进一步地，所述试剂连接通道接口位于所述试剂连接通道的上方。
进一步地，所述芯片流路均为相同内径的圆柱型，且流路拐弯处均为弧形设计。
进一步地，所述储液管路和反应管路均为多次迂回的曲折管路。
进一步地，所述芯片流路还包括主流路出口通道，未和内部光程检测池相连通的那一外接液芯波导管路安装孔和所述主流路出口通道相连通，在所述主流路出口通道中设置有主流路截止阀安装孔，以用于安装主流路截止阀。
第二方面，本发明提供一种用于水体生化要素检测的检测系统，包括：
微流控芯片，所述微流控芯片为上述的微流控芯片；
第一微型阀，其设置有N个，以将N条多用连接通道对应地连接至N个多用连接通道连接口中；
第二微型阀，其设置有M个，以将M条试剂连接通道对应地连接至M个试剂连接通道接口中；
光源和信号接收器，各设置有两个，对应地安装在两光源安装孔和信号接收器安装孔中；
进样器，其安装在进样器连接通道的安装孔中；
外部液芯波导管路，其两端对应地安装在两外接液芯波导管路安装孔中。
第三方面，本发明提供一种水体生化要素检测方法，所述方法基于上述的检测系统，包括如下步骤：
使用过滤水样清洗完芯片流路后，在进样器和各试剂通道的第二微型阀的控制下，试剂将按顺序向上注入储液管路中；进样完成后，进样器往复运动若干次，将储液管路中的试剂交叉混合区反向向下推入反应管路中，在流动状态下实现水样和试剂的不完全显色反应；同时，配合内部光程检测池和外接液芯波导管路，实现不同浓度营养盐水体的检测；
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明提供的用于水体生化要素检测的微流控芯片除了内部光程检测池之外，还可以根据用需求外接不同长度液芯波导管路，可实现长光程高灵敏度检测，实现痕量生化要素的高精度检测。
与使用多个进样器或注射泵的传统微流控检测系统相比，本发明提供的检测系统只需一个进样器即可实现流路的清洗及各个样品和试剂的进样与反应，大大减小了系统进样装置的体积和功耗。
本发明提供的检测方法可实现样品和试剂的顺序注射分析，在一定长度流路内通过进样器的往复运动增加反应区带的混合均匀度。同时，相比于流动注射分析和“停流”分析，本方法可以有效降低试剂使用量，而且检测速度快且重现性高，可同时保证系统检测时效性和微型化；同时，配合内部光程检测池和外接液芯波导管路，实现不同浓度营养盐水体的检测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于水体生化要素检测的微流控芯片立体图；
图2为微流芯片的流路图；
图中：1、进样器连接通道；2、多用连接通道；3、储液管路；4、试剂交叉混合区；5、试剂连接通道；6、反应管路；7、内部光程检测池；8、外接液芯波导管路安装孔；9、光源安装孔；10、信号接收器安装孔；11、主流路出口通道；12、外部液芯波导管路；101、多用连接通道连接口；401、试剂连接通道接口；1101、主流路截止阀安装孔。
具体实施方式
实施例：
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
参阅图1-2所示，本实施例提供的用于水体生化要素检测的微流控芯片主要包括芯片本体，该芯片本体是由两面板对称装配而成的，在每一面板中设定有芯片流路通道(一半)。其中，该芯片流路包括主要包括进样器连接通道1、多用连接通道2、储液管路3、试剂交叉混合区4、试剂连接通道5、反应管路6以及内部光程检测池7。
其中，该多用连接通道2在本实施例中设置有四条，以分别作为清洗液、缓冲液、过滤水样和标准样品连接通道；当然在其他的一些实施例中，该多用连接通道2的数量可以根据检测需求来设置，本申请不作具体的数量限定。而该试剂连接通道5在本实施例中则设置有两条，同理，在其他的一些实施例中，试剂连接通道5也是根据检测需求来设置，本申请不作具体的数量限定。
该进样器连接通道1则对应地设置有四个多用连接通道连接口101，以用于和四条多用连接通道2相连接；进样器连接通道1的进口端用于安装进样器，且进样器连接通道1的末端和该储液管路3相连通，该储液管路3则是连通至试剂交叉混合区4中。
该试剂交叉混合区4则对应地设置有两个试剂连接通道接口401，以和两条试剂连接通道5相连接，从而使得试剂通道5和储液管路3相连通，由于储液管路3在进行检测是其主要是存储水样的，试剂通道5则是注入试剂的，两者的交汇处则形成试剂交叉混合区4。试剂交叉混合区4之后则连通至反应管路6，反应管路6则再连通至内部光程检测池7。
此外，在该芯片本体中设置有外接液芯波导管路安装孔8，该外接液芯波导管路安装孔8和该内部光程检测池7相连通。通过设置有有外接液芯波导管路安装孔8可以外接外部液芯波导管路12。
由此可见，本实施例提供的用于水体生化要素检测的微流控芯片除了内部光程检测池之外，还可以根据用需求外接不同长度液芯波导管路，可实现长光程高灵敏度检测，实现痕量生化要素的高精度检测。
具体地，上述的外接液芯波导管路安装孔8设置有两个，一外接液芯波导管路安装孔8和该内部光程检测池7相连通；在该芯片本体中还设置有两光源安装孔9和两信号接收器安装孔10，其中一光源安装孔9和一信号接收器安装孔10位于该内部光程检测池7相对的两端，一光源安装孔9位于一外接液芯波导管路安装孔8的上方，一信号接收器10位于另一外接液芯波导管路安装孔8的上方，以实现长光程高灵敏度检测。
优选地，该试剂连接通道接口401位于该试剂连接通道5的上方。也就是说，试剂的注入方向是向上。
优选地，该芯片流路均为相同内径的圆柱型，且流路拐弯处均为弧形设计，以避免反应区带在流经流路拐弯处和外接液芯波导管路时流路和反应区带发生突变，减小死体积，提高系统检测稳定性和重现性。该储液管路和反应管路均为多次迂回的曲折管路，以在最小的空间获得最长的管路。
此外，上述的芯片流路还包括主流路出口通道11，未和内部光程检测池相连通的那一外接液芯波导管路安装孔和所述主流路出口通道相连通，未和内部光程检测池相连通的那一外接液芯波导管路安装孔8和主流路出口通道11相连通，在该主流路出口通道11中设置有主流路截止阀安装孔1101，以用于安装主流路截止阀。
相应地，本实施例还提供了一种用于水体生化要素检测的检测系统，包括：
微流控芯片，该微流控芯片为上述的微流控芯片；
第一微型阀，其设置有四个，以将四条多用连接通道对应地连接至四个多用连接通道连接口中；
第二微型阀，其设置有两个，以将两条试剂连接通道对应地连接至两个试剂连接通道接口中；
光源和信号接收器，各设置有两个，对应地安装在两光源安装孔和信号接收器安装孔中；
进样器，其安装在进样器连接通道的安装孔中；
外部液芯波导管路，其两端对应地安装在两外接液芯波导管路安装孔中。
与使用多个进样器或注射泵的传统微流控检测系统相比，本实施例提供的检测系统只需一个进样器即可实现流路的清洗及各个样品和试剂的进样与反应，大大减小了系统进样装置的体积和功耗。
相应地，本实施例还提供一种水体生化要素检测方法，该方法采用上述的检测系统，包括如下步骤：
使用过滤水样清洗完芯片流路后，在进样器和各试剂通道的第二微型阀的控制下，试剂将按顺序向上注入储液管路中；进样完成后，进样器将储液管路中的试剂交叉混合区反向向下推入反应管路中，在流动状态下实现水样和试剂的不完全显色反应；优选地，进样器可往复运动X次，以增加混合溶液反应程度，X值可根据检测试验的需求来进行设置。相比“停流”分析技术和延长反应管路等传统微流控芯片检测方法，本方法可实现样品和试剂的顺序注射分析，在一定长度流路内通过进样器的往复运动增加反应区带的混合均匀度。同时，相比于流动注射分析和“停流”分析，本方法可以有效降低试剂使用量，而且检测速度快且重现性高，可同时保证系统检测时效性和微型化；同时，配合内部光程检测池和外接液芯波导管路，实现不同浓度营养盐水体的检测。
综上，本发明与现有技术相比，具有如下技术优势：
在进样器和各个微型阀的控制下，基于本发明所设计流路，水样和试剂可在一定长度流路和较短时间内实现流动状态下不完全混合反应的高度重现性，配合内部短光程流通池和外部液芯波导管路(外接液芯波导检测池)，即可实现不同浓度营养盐水体高灵敏度、高精度检测。本发明所示微流控芯片结构及连接方式简单、检测重现性高、适应性强，用户可根据自身需求连接不同光程的外部液芯波导流路(＞10cm)，极大的提高基于微流控芯片的比色测量系统检测灵敏度，突破了现有微流控芯片检测下限高、无法实现痕量生化要素快速检测的瓶颈。本发明适用于所有基于比色测量的水体生化参数微流控芯片系统。基于多光程特点，本发明可适用于痕量及高浓度生化要素的宽动态范围检测，同时，发明的微型化便于其集成和搭载在多种平台开展生化要素检测/监测分析。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于水体生化要素检测的微流控芯片，包括芯片本体，其特征在于，在所述芯片本体中设置有芯片流路，所述芯片流路包括进样器连接通道、多用连接通道、储液管路、试剂交叉混合区、试剂连接通道、反应管路以及内部光程检测池；
所述多用连接通道设置有N条，N大于等于1；
所述试剂连接通道设置有M条，M大于等于1；
所述进样器连接通道设置有N个多用连接通道连接口，以用于和所述N条多用连接通道相连接，形成一进样器连接通道连接N条多用连接通道的结构；且所述进样器连接通道和所述储液管路相连通，所述储液管路连通至试剂交叉混合区；所述进样器连接通道的进口端用于安装进样器；
所述试剂交叉混合区设置有M个试剂连接通道接口，以用于和所述M条试剂连接通道相连接；
所述试剂交叉混合区连通至反应管路，所述反应管路连通至内部光程检测池相连通；
在所述芯片本体中设置有外接液芯波导管路安装孔，所述外接液芯波导管路安装孔和所述内部光程检测池相连通；
所述试剂连接通道接口位于所述试剂连接通道的上方。
2.如权利要求1所述的用于水体生化要素检测的微流控芯片，其特征在于，所述外接液芯波导管路安装孔设置有两个，一外接液芯波导管路安装孔和所述内部光程检测池相连通；
在所述芯片本体中还设置有两光源安装孔和两信号接收器安装孔，其中一光源安装孔和一信号接收器安装孔位于内部光程检测池相对的两端，一光源安装孔位于一外接液芯波导管路安装孔的上方，一信号接收器位于另一外接液芯波导管路安装孔的上方。
3.如权利要求1所述的用于水体生化要素检测的微流控芯片，其特征在于，所述芯片流路均为相同内径的圆柱型，且流路拐弯处均为弧形设计。
4.如权利要求1所述的用于水体生化要素检测的微流控芯片，其特征在于，所述储液管路和反应管路均为多次迂回的曲折管路。
5.如权利要求1所述的用于水体生化要素检测的微流控芯片，其特征在于，所述多用连接通道设置有四条，以作为清洗液、缓冲液、过滤水样和标准样品连接通道。
6.如权利要求1所述的用于水体生化要素检测的微流控芯片，其特征在于，所述芯片流路还包括主流路出口通道，未和内部光程检测池相连通的那一外接液芯波导管路安装孔和所述主流路出口通道相连通，在所述主流路出口通道中设置有主流路截止阀安装孔，以用于安装主流路截止阀。
7.如权利要求1所述的用于水体生化要素检测的微流控芯片，其特征在于，所述试剂通道设置有两条。
8.一种用于水体生化要素检测的检测系统，其特征在于，包括：
微流控芯片，所述微流控芯片为权利要求1-7任一所述的微流控芯片；
第一微型阀，其设置有N个，以将N条多用连接通道对应地连接至N个多用连接通道连接口中；
第二微型阀，其设置有M个，以将M条试剂连接通道对应地连接至M个试剂连接通道接口中；
光源和信号接收器，各设置有两个，对应地安装在两光源安装孔和信号接收器安装孔中；
进样器，其安装在进样器连接通道的安装孔中；
外部液芯波导管路，其两端对应地安装在两外接液芯波导管路安装孔中。
9.一种水体生化要素检测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求8所述的检测系统，包括如下步骤：
使用过滤水样清洗完芯片流路后，在进样器和各试剂通道的第二微型阀的控制下，试剂将按顺序向上注入储液管路中；进样完成后，进样器往复运动若干次，将储液管路中的试剂交叉混合区反向向下推入反应管路中，在流动状态下实现水样和试剂的不完全显色反应；同时，配合内部光程检测池和外接液芯波导管路，实现不同浓度营养盐水体的检测。
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