CN114720463A - 一种快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及试纸条技术领域，特别是涉及一种快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片及制备工艺。包括，底层的隔离层、设置在隔离层上的显色层、设置在显色层上的吸附扩散层以及设置在吸附扩散层上的盖板层；其中所述显色层为吸附有显色剂的
No.3滤纸，所述吸附层为
No.1滤纸；所述盖板层中心设置有加样孔。本发明在丰富三价铁Fe的现场检测方法的同时，实现采用低碳技术检测对城市公园水环境中三价铁Fe。
Description
技术领域
本发明涉及试纸条技术领域，特别是涉及一种快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片及制备工艺。
背景技术
随着人类生产力水平的不断提高和社会结构的改变，人类生活的重心从注重工农业生产的工业化时代，逐渐转变为关注精神文明和休闲生活的后工业化时代。人们寻找绿植和水资源充足、空气清新的地点进行游憩娱乐。城市公园作为能够为城市居民提供锻炼身体的场地，提供绿色植物和新鲜的空气的休闲娱乐场所，在城市的建设中越发重要。
城市公园内的水体是城市公园系统中的主要成分之一，拥有较大的占地面积，还具有严格的水质标准。城市公园内的水体是广大游客可以观赏也可以亲密接触的景观，水体的水质质量不但关系着城市公园的环境质量，还和游客的身体健康息息相关。但是城市公园内的水体由于自身面积较广，大部分都是露天裸露的状态，经常会被外界的大气、交通、生物和人类行为所污染和破坏。为了保证城市公园水体符合《地表水环境质量标准》GB3838中规定的Ⅲ类标准，创新可以快速检测或者持续性监测城市公园水体中的单个或多个水质指标的水环境检测装置逐渐成为研究热点。
地表水中的铁元素存在的形态是多种多样的，但一般为三价铁离子。地表水中三价铁离子自然来源是水溶解的岩层的铁、地表水中高价氧化物被还原以及风化作用使得岩层中的铁进入地表水。洪涝灾害和暴雨冲刷都会使得自然界中的岩石和土壤中的铁进入地表水中。随着工业中制铁行业的大量发展，越来越多的含铁废水被人为的排放进地表水中。《地表水环境质量标准》GB383-2002中规定集中式生活饮用水地表水源地中铁浓度不能超过0.3mg/L。人体中铁元素过量会导致铁中毒。铁中毒的症状为肝、脾有大量铁沉积，并出现肝硬化、骨质疏松、软骨钙化、皮肤棕黑色、腺体纤维化、胰岛素分泌减少等，进而导致碳水化合物代谢紊乱和糖尿病，严重的会导致心脏病水中铁含量过高会产生金属味，颜色也会发红，并且会污染卫生设备、家用器具以及加快金属管道的腐蚀等。铁也是动植物生长必须的微量元素。但是动物摄入过量的铁会和身体内其他物质形成不溶性磷酸盐，降低动物对磷的吸收，从而导致佝偻病。过量的铁还会引起食欲下降、腹痛、腹泻、肾功能障碍等，导致饲料转化率低，生长速度下降。动物铁中毒的临床症状表现为动物共济运动失调，肌肉痉挛性收缩，呼吸困难等。植物铁中毒会导致叶片边缘和叶片尖端出现褐斑，叶片颜色出现暗绿色，根系变灰黑色，容易变软发烂。
目前检测三价铁离子的方法有苯胺a萘酚分光光度法、紫外分光光度法、催化(褪色)光度法、示波极谱分析法、荧光分析法和离子色谱法等等。这些方法虽然检测精度高，但是存在仪器占地面积大、操作过程复杂、检测费用昂贵、对操作人员要求高、检测试剂用量多等缺点。为了解决以上方法目前存在的两个大问题：现有的检测方法检测过程操作步骤繁琐，需要使用大型仪器，无法做到现场即时检测；现有的检测方法需要配置大量的检测试剂，不仅检测时间长，而且产生的废液需要处理，增加检测成本。现有的三价铁离子检测方法还没有将纸基微流控技术应用于城市公园水环境中三价铁离子浓度的检测。因为，纸基微流控芯片技术是从2008年被哈佛大学的White等人发明出来，属于比较新兴的微流控分析技术平台。纸基微流控芯片以质量轻、价格便宜的纸作为基底，代替了易碎、厚重和价格昂贵的玻璃、硅和高聚物材料，具有成本低、加工简单、使用和携带方便的特点。基于以上的特点，纸基微流控芯片被广泛的应用于临床诊断、食品安全和环境监测领域等领域。而使用纸基微流控芯片来检测三价铁离子能够很好地克服现在三价铁离子检测中存在的困难。同时为了响应城市低碳公园建设，在整个纸基微流控芯片检测城市公园水体的制作、检测以及后续处理过程应进行生命周期评估，以更加低碳的方式来完成整个设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片及制备工艺。在丰富Fe(Ⅲ)的现场检测方法的同时，实现采用低碳技术检测对城市公园水环境中Fe(Ⅲ)。本发明提出一种三维纸基微流控芯片，基于纸基微流控芯片的毛细管作用能够对待测样品完成进样、分流和检测等化学实验操作步骤，达到低成本、低剂量、高速率的检测效果。
本发明的技术方案之一，一种快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，包括，底层的隔离层、设置在隔离层上的显色层、设置在显色层上的吸附扩散层以及设置在吸附扩散层上的盖板层；
其中所述显色层为吸附有显色剂的
No.3滤纸，所述吸附层为
No.1滤纸；所述盖板层中心设置有加样孔。
本发明技术方案中，微流控体现在滤纸本身的毛细管作用，试验结果显示，换成其他的滤纸的实验结果没有
No.3和
No.1的优异。
进一步地，所述吸附有显色剂的
No.3滤纸的制备包括以下步骤：将
No.3滤纸置于由4-6g/L的鞣花酸溶液(溶剂为体积分数为95％的乙醇)和0.5-1mol/L的氢氧化钠按照体积比30-20:1混合而成的混合溶液中浸泡 15-20min后取出、烘干得到吸附有显色剂的
No.3滤纸；所述隔离层和盖板层为透明玻璃纸。
鞣花酸需要完全溶解才能达到最好的显色效果，但是鞣花酸不溶于水，微溶于乙醇，碱性溶液则可以使得鞣花酸在体积分数为95％的乙醇溶液中充分溶解。
进一步地，所述显色层包括若干个吸附有显色剂的
No.3滤纸，若干个吸附有显色剂的
No.3滤纸沿所述加样孔中心圆周排列；
进一步地，所述吸附扩散层包括一体成型的样品接收区、样品输送区和显色传输区，其中，样品输送区、显色传输区数量分别和吸附有显色剂的
No.3滤纸数量一致，所述样品接收区与所述加样孔中心对应，所述显色传输区与吸附有显色剂的
No.3滤纸对应，所述样品输送区连接样品接收区和显色传输区。
进一步地，所述吸附扩散层为八角梅花形
No.1滤纸，所述八角梅花形
No.1滤纸的中心和加样孔中心对应，显色层滤吸附有显色剂的
No.3滤纸分别和八角梅花形的八个角中心对应。
本发明通过设置两种滤纸的组装形状，可以提升溶液在纸基的毛细管作用下扩散在显色区域的速度。
进一步地，所述加样孔为直径为10mm的圆形加样孔，所述显色层包括8 个吸附有显色剂的、直径为6-8mm的圆形
No.3滤纸；
所述样品接收区为直径10mm的圆形，所述显色传输区为直径6mm的圆形，所述样品输送区通过宽度为2mm、长为4.28mm的矩形通道连接样品接收区和显色传输区。
本发明的技术方案之二，上述快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：
从下至上，按照隔离层、显色层、吸附扩散层以及盖板层的顺序将材料进行组合固定得到所述快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片。
本发明的技术方案之三，上述快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片在检测水体中三价铁浓度中的应用。
本发明的技术方案之四，一种水体中三价铁浓度快速检测方法，使用上述快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，利用比色卡进行水体检测，具体包括以下步骤：
配制不同浓度的三价铁标准溶液，分别滴加到快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的加样孔，15-20min后避光条件下记录显色层颜色，并制备标准比色卡；
将待测水体滴加至快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的加样孔， 15-20min后将显色层颜色，和标准比色卡进行颜色比对，确定待测水体中三价铁浓度；
其中，加样孔样品滴加量为150-200μL，待测水体中三价铁浓度 0.1-10.0mg/L。
本发明的技术方案之五，一种水体中三价铁浓度快速检测方法，使用上述快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，利用PS图像处理技术进行水体检测，具体包括以下步骤：
配制不同浓度的三价铁标准溶液，分别滴加到快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的加样孔，15-20min后避光条件下拍照记录显色层颜色，将拍摄的照片导入Photoshop软件中，在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色层灰度值，绘制标准曲线；
将待测水体滴加至快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的加样孔， 15-20min后避光条件下拍照记录显色层颜色，将拍摄的照片导入Photoshop软件中，在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色层灰度值，所获得的数据带入标准曲线，计算待测水体中三价铁的浓度；
其中，加样孔样品滴加量为150-200μL，待测水体中三价铁浓度0-10.0mg/L。
进一步地，所述待测水体滴加至加样孔前，调节溶液pH值至2；
进一步地，所述快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片制备完成后8天内完成检测。
进一步地，所述待测水体中HCO3 -浓度不高于0.65mol/L，所述Cr6+浓度不高于0.4mol/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过使用
No.1滤纸作为吸附层能够使待测溶液均匀、快速地扩散到显色层，使用
No.3滤纸作为显色层可以储存更高体积的鞣花酸溶液与三价铁离子反应来产生更加明显的显色结果，结合隔离层和盖板层得到了一种三维检测试纸，实现了快速检测水体中三价铁的技术目的。在优选的方案中，将吸附层滤纸设计成八角梅花形的形状，可以将待测溶液等分为8个样品，沿着设计路径流向显色区域，同时的到8个平行实验结果。
本发明的三维试纸实现微流控优势在于检测范围广泛，能够检测地表水中 0-10.0mg/L的三价铁离子。能够同时得到8个平行实验结果，节约试验时间。检测速度相较于其他方法很快。并且碳排放量很低，属于低碳环保的检测方法。本发明设计合理，将一种Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片设计成便携式的试纸条并配备现场检测和比色装置，实现了现场检测城市公园水环境中Fe(Ⅲ)含量。不仅能够减少水环境中Fe(Ⅲ)的检测步骤，还大大缩短了检测时间，采用了低碳技术还能够大大降低检测成本。
本发明提出一种三维纸基微流控芯片，基于纸基微流控芯片的毛细管作用能够对待测样品完成进样、分流和检测等化学实验操作步骤，达到低成本、低剂量、高速率的检测效果。本发明首次将纸基微流控技术应用于城市公园水环境中三价铁离子浓度的检测。纸基微流控芯片以质量轻、价格便宜的纸作为基底，代替了易碎、厚重和价格昂贵的玻璃、硅和高聚物材料，具有成本低、加工简单、使用和携带方便的特点。使用纸基微流控芯片来检测三价铁离子能够很好地克服现在三价铁离子检测中存在的困难。同时响应城市低碳公园建设，有利于在整个纸基微流控芯片检测城市公园水体的制作、检测以及后续处理过程应进行生命周期评估。
本发明所提供的快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片全生命周期产生的温室气体排放通量为0.87gCO2-eq，相较于传统分光光度法降低了74.78％的碳排放。
附图说明
图1本发明实施例切割的滤纸和玻璃纸的最佳形状示意图；其中a为盖板层透明玻璃纸形状，b为吸附扩散层
No.1滤纸形状，c为显色层
No.3滤纸形状；
图2为本发明实施例三价铁三维纸基微流控芯片的组合示意图；
图3为本发明实施例1中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图，其中(a)： PS处理后的图片；(b)：正面和反面在检测前后的灰度值；
图4本发明实施例2中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图，其中(a)： PS处理后的图片；(b)：正面和反面在检测前后的灰度值；
图5为本发明实施例3中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图6为本发明实施例4中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图7为本发明实施例5中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图8为本发明实施例6中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图9为本发明实施例7中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图10为本发明实施例8中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图11为本发明实施例9中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图12为本发明实施例11中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图13为本发明实施例12中三价铁三维纸基微流控芯片检测结果图；
图14为本发明实施例水体中三价铁检测流程图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例吸附扩散层使用
No.1滤纸，显色层使用
No.3滤纸。
本发明实施例隔离层和盖板层使用普通市售透明玻璃纸，订书钉为普通的市售订书钉。
本发明实施例所用显色剂药品为鞣花酸。
本发明三价铁三维纸基微流控芯片的切割的滤纸和玻璃纸的形状示意图如图1所示；其中a为盖板层透明玻璃纸形状，b为吸附扩散层
No.1 滤纸形状，c为显色层
No.3滤纸形状(尺寸以各实施例记载内容为准)。
本发明实施例三价铁三维纸基微流控芯片的示意图如图2所示，其中第一层为玻璃纸盖板(盖板层)，第二层为梅花形纸芯片(吸附扩散层)，第三层为原形显色层(显色层)，第四层为玻璃纸垫层(隔离层)。
实施例1吸附扩散层滤纸筛选
步骤1：先利用家用型压花机和八角梅花形的碳素刀模将
No.1、
No.3和中速滤纸(市售的直径为9cm的双圈牌中速滤纸)切割成八角梅花形纸芯片。
步骤2：利用家用型压花机和8mm的圆形碳素刀模将
No.1切割成8mm的圆形显色层。圆形显色层浸泡在1g/L的鞣花酸溶液中20min后取出，放在数显恒温加热板上，在100℃下烘干至没有水分。再按照图2中的顺序组装成三维纸基微流控芯片。
步骤3：从加样孔中滴加100μL，浓度为1mg/L的Fe(Ⅲ)溶液，等待Fe (Ⅲ)溶液扩散到显色层与鞣花酸反应后并稳定后，再放入拍摄装置(自制的拍摄装置由纸箱(250mm×250mm×260mm)、LED台灯(工作电压为500mA、额定功率为1.4w的LED)组成；拍摄仪器为后置摄像头为1600万(彩色)像素+2400万(黑白)像素的华为Nova3手机)中，对三维纸基微流控芯片的正面和反面进行拍照。
步骤4：将拍摄的照片导入Photoshop软件中，在LAB环境中打开L通道后，在分别打开和a通道和b通道，然后分别计算显色区域的a值和b值。再打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。
本实施例的结果图如图3所示，(a)为拍摄的图片经PS处理后的图片，(b) 为显色区域的灰度值；由图3能够看出，
No.1作为梅花形纸芯片并在灰度环境下，不论是手机拍摄还是PS后的图片有利于比色法观察检测结果，且此时的灰度平均值也处于最高的值。所以后续的实验过程中将采用
No.1作为梅花形纸芯片并在灰度环境下的显色区域作为实验结果。
以上试验结果中，从人眼看8个滤纸的显色的颜色是一致的，可以任意拍摄一个区域作为结果。但是在PS软件中显示的灰度值不相同，所以最后的结果为 8个区域的灰度值的平均值(以下同)。
实施例2显色层滤纸筛选
步骤1：根据实施例1中选择出的液体扩散和显色最好的
No.1，然后制作成梅花形纸芯片。再利用家用型压花机和碳素刀具模型将
No.1、
No.3和中速滤纸切割成6mm和8mm的圆形显色层。
步骤2：将所有的圆形显色层浸泡在1g/L的鞣花酸溶液中20min后取出，放在数显恒温加热板上，在100℃下烘干至没有水分。再按照图2中的顺序组装方法和表1的组合方式成三维纸基微流控芯片(表1)。
表1
步骤3：从加样孔中滴加100μL，浓度为1mg/L的Fe(Ⅲ)溶液，待Fe(Ⅲ) 溶液扩散到显色层与鞣花酸反应后并稳定后，再放入拍摄装置中，对三维纸基微流控芯片的正面和反面进行拍照。将拍摄的照片导入Photoshop软件中，在LAB 环境中打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。
本实施例的结果如图4所示，其中(a)为拍摄的图片经PS处理后的图片， (b)为显色区域的灰度值；由图4能够看出，当以
No.1作为梅花形纸芯片，并以8mm的
No.3作圆形显色层，手机拍摄的图片和PS处理后的图片都是黑灰色，呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的灰度平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用
No.1作为梅花形纸芯片，并以8mm的
No.3作圆形显色层来制作三维纸基微流控芯片。
实施例3显色溶液浓度筛选
步骤1：根据实施例1和2的实验结果裁剪梅花形纸芯片(
No.1) 和圆形显色层(
No.3)。然后配制浓度为0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、 8.0、10.0、12.0、15.0和20.0g/L的鞣花酸溶液。
步骤2：将圆形显色层分别浸泡在0.0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、 12.0、15.0和20.0g/L的鞣花酸溶液中20min后取出，放在数显恒温加热板上，在100℃下烘干至没有水分。再按照图2中的顺序组装方法组合成三维纸基微流控芯片。
步骤3：从加样孔中滴加100μL，浓度为1mg/L的Fe(Ⅲ)溶液，等待Fe (Ⅲ)溶液扩散到显色层与鞣花酸反应后并稳定后，再放入拍摄装置中，对三维纸基微流控芯片的正面进行拍照。将拍摄的照片导入Photoshop软件中，在LAB 环境中打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。
本实施例的结果如图5所示，由图5能够看出，当鞣花酸的体积为6g/L时，手机拍摄的图片和PS处理后的图片呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的灰度平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用鞣花酸的浓度为6g/L。
实施例4氢氧化钠添加量筛选
步骤1：根据实施例1-2的实验结果裁剪梅花形纸芯片和圆形显色。配制浓度为6g/L的鞣花酸溶液和1mol/L的氢氧化钠溶液。再按照鞣花酸：氢氧化钠的体积比为1:0，1:5，1:10，1:20，1:40，1:50，1:80，1:100，1:200，1:400，1:800 和1:1000配制混合显色溶液。
步骤2：将所有的圆形显色层浸泡在不同体积比的混合显色溶液中20min 后取出，放在数显恒温加热板上，在100℃下烘干至没有水分。再按照图2中的顺序组装方法和表1的组合方式组合成三维纸基微流控芯片。
步骤3：从加样孔中滴加100μL，浓度为1mg/L的Fe(Ⅲ)溶液，等待Fe (Ⅲ)溶液扩散到显色层与鞣花酸反应后并稳定后，再放入拍摄装置中，对三维纸基微流控芯片的正面进行拍照。将拍摄的照片导入Photoshop软件中，在LAB 环境中打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。
本实施例的结果如图6所示，由图6能够看出，当鞣花酸和氢氧化钠的体积比为20：1时，手机拍摄的图片和PS处理后的图片呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的灰度平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用鞣花酸和氢氧化钠的体积比为20：1。
实施例5显色层浸泡时间筛选
步骤1：根据实施例1-2的实验结果裁剪梅花形纸芯片和圆形显色。配制浓度为6g/L的鞣花酸溶液和1mol/L的氢氧化钠溶液。再按照鞣花酸：氢氧化钠的体积比为20:1配制混合显色溶液。
步骤2：所有的圆形显色层在混合显色溶液中分别浸泡1、5、10、20、40、 60、80、100、120min后取出，放在数显恒温加热板上，在100℃下烘干至没有水分。再按照图2中的顺序组装方法和表1的组合方式成三维纸基微流控芯片。
步骤3：在Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片滴加浓度100μM的亚硝酸钠溶液，等待显色10min后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面的颜色的扩散。并利用 Photoshop软件观察在灰度环境下计算灰度值。
本实施例的结果如图7所示，由图7能够看出，当浸泡时间为20min时，手机拍摄的图片和PS处理后的图片呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的灰度平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用浸泡时间为20min。
实施例6待测液pH值筛选
步骤1：根据实施例1-5的实验结果，制作Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片。并用pH缓冲溶液调整Fe(Ⅲ)溶液的pH分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、 5.0、5.5、6.0和7.0。
步骤2：在Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片滴加浓度100μL的Fe(Ⅲ)溶液，等待显色稳定后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面的颜色的扩散。并利用 Photoshop软件观察在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。
本实施例的结果如图8所示，由图8能够看出，当pH为2时，手机拍摄的图片和PS处理后的图片呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的灰度平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用pH为2。
实施例7滴加量筛选
步骤1：根据实施例1-5的实验结果，制作Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片。配制浓度为1mg/L的Fe(Ⅲ)溶液并用pH缓冲溶液调整Fe(Ⅲ)溶液的pH 为2。
步骤2：在Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片中分别滴加体积为50、100、150、 200、250和300μL的Fe(Ⅲ)溶液，等待显色10min后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。
本实施例的结果如图9所示，由图9能够看出，当滴加体积为200μL时，手机拍摄的图片和PS处理后的图片呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的灰度平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用滴加体积为200μL。
实施例8显色时间筛选
步骤1：根据实施例1-5的实验结果，制作最优条件下的Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片。配制浓度为1mg/L的Fe(Ⅲ)溶液并用pH缓冲溶液调整Fe(Ⅲ) 溶液的pH为2。
步骤2：在Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片滴加浓度200μL的Fe(Ⅲ)溶液，分别等待显色1、5、10、15、20、25和30min后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。
本实施例的结果如图10所示；由图10能够看出，当显色时间为20min时，手机拍摄的图片和PS处理后的图片呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的灰度平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用显色时间为20min。
实施例9
步骤1：根据实施例1-5的实验结果，制作最优条件下的Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片。配制浓度为1mg/L的Fe(Ⅲ)溶液并用pH缓冲溶液调整Fe(Ⅲ) 溶液的pH为2。
步骤2：配制浓度为0.0、0.1、0.5、1.0、2.0、2.5、5.0、8.0和10.0mg/L的 Fe(Ⅲ)溶液。然后用pH缓冲溶液将Fe(Ⅲ)溶液调整为2。在Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片滴加浓度200μL的Fe(Ⅲ)溶液，分别等待显色20min后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面的颜色的扩散。
步骤3：并利用Photoshop软件观察在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。再用Origin软件分析实验结果的到标准曲线。实验结果制作成Fe(Ⅲ)浓度和显色的颜色对应的标准色卡。
本实施例的结果如图11所示；由图11能够看出，当Fe(Ⅲ)的浓度在0.1 -10mg/L时试纸颜色肉眼可以观察出试纸片从灰白色变成灰黑色，并随着Fe(Ⅲ) 浓度的增加，颜色逐渐加深最后变成黑色；PS处理后的图片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片的颜色是从白色变成灰白色，并随着Fe(Ⅲ)浓度的增加，颜色逐渐变为灰黑色。当Fe(Ⅲ)的浓度在0-10mg/L之间时，Fe(Ⅲ)浓度(x)和 a值平均值(y)的关系为y＝2.349x+6.429，R2＝0.998。
实施例10
步骤1：根据实施例1-5的实验结果，制作最优条件下的Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片。配制浓度为1mg/L的Fe(Ⅲ)溶液，在其中加入浓度为5mg/L 的干扰离子：K+、Na+、Ca2+、Cu2 +、Zn2+、Mn2+、Cr6+、Mg2+、Cl-、NO3 2-、Ni+、 Al3+、Cd2+、HPO4 2、HCO3 -和SO4 2-。然后用pH缓冲溶液将Fe(Ⅲ)溶液调整为2。
步骤2：在Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片滴加浓度200μL的混合溶液，分别等待显色20min后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色区域的灰度值。将实验结果与标准曲线中对应浓度的结果进行对比，实验结果的误差小于10％说明该干扰离子的浓度≤5mg/L都不会对本检测方法的实验结果产生影响。实验结果干扰的误差大于10％的干扰离子，需要将其浓度缩小一倍后再进行相同的实验过程。直到实验误差小于10％后就可以确定干扰离子的最小添加浓度。
本实施例的结果如表2所示，由表2能够看出，HCO3 -(高于0.65mg/L)和 Cr6+(高于0.4mg/L)对Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片的测试结果有干扰。
表2
实施例11
步骤1：根据实施例1-5的实验结果制作最优的Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片。
步骤2：然后放入透明的密封塑料袋中，放置在室温下黑暗储存。每隔1天取出一片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片，观察Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片的外观和颜色是否正常。
步骤3：然后按照以上实施例的最优实验结果进行检测，与标准色卡对比，当实验结果的误差高于10％就停止测试。
本实施例的结果如图12所示；由图12能够看出，随着存放天数则增加，Fe (Ⅲ)三维纸基微流控芯片检测亚硝酸的检测结果和对比实验的检测结果之间的误差值逐渐增大。存放天数为1-8天内的误差值小于10％。在第9天时，误差值就大于10％。说明Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片制作完成后需要在8天内被用来检测水中的Fe(Ⅲ)，超过9天的Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片的检测结果将不准确。
实施例12
步骤1：在成都市活水公园采集进水水样、中段水水样和出水水样后利用漏斗进行初步的过滤。
步骤2：在待测水样中加入pH缓冲溶液，调整为最优pH＝2。然后将进水水样、中段水水样和出水水样滴加到Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片(根据实施例 1-5的实验结果制作最优的Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片)中。等待20min后，放入拍摄装置中。用手机进行拍摄实验照片。
步骤3：将实验照片导入Photoshop软件观察在灰度计算灰度值。将实验结果与标准曲线中对应浓度的结果进行对比。计算出成都市活水公园进水水样、中段水水样和出水水样中Fe(Ⅲ)的浓度。
本实施例的结果如图13所示；由图13能够看出，进水水样的Fe(Ⅲ)约为6.61mg/L，中段水水样约为5.57mg/L和出水水样中的Fe(Ⅲ)含量约等于 6.41mg/L。
检测流程图见图14。
实施例13
准备十字形的
No.1滤纸(相比8角梅花形少了斜向交叉的四个通道和圆形)和4片直径为6mm的圆形
No.3滤纸，其余工艺参数步骤按实施例1-6的最佳制备参数、检测标准进行制备、检测。
将本对比例制备的三维纸基微流控芯片用于检测成都市活水公园进水水样、中段水水样和出水水样中的三价铁离子浓度，结果为分别为5.21mg/L、4.32 mg/L和5.20mg/L，误差分别为23.7％、29.4％和14.3％。相比较8角梅花形纸芯片，十字型纸芯片用于检测水体中三价铁离子的准确性有所降低。
对比例1
与实施例12不同之处仅在于，采用紫外分光光度计利用溶液比色法检测成都市活水公园进水水样、中段水水样和出水水样中Fe(Ⅲ)的浓度。
本对比例1的实验结果如图13所示，从图13可以看出，紫外分光光度计检测出进水水样的Fe(Ⅲ)约为6.83mg/L，中段水水样约为6.12mg/L和出水水样中的Fe(Ⅲ)含量约等于6.07mg/L。Fe(Ⅲ)显色试纸条和紫外分光光度计的检测结果之间误差小于10％，说明Fe(Ⅲ)显色试纸条的检测结果具有科学依据和准确性。
实施例14温室气体排放量检测
(1)Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片温室气体排放量检测
步骤1：一片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片(根据实施例1-5的实验结果制作最优的Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片)上有一片梅花形的
No.1滤纸和8片直径为8mm的圆形
No.3滤纸。梅花形的
No.1滤纸的面积为3.7cm2，质量约为0.04g。8片直径为8mm的圆形
No.3 滤纸的面积为0.51cm2，质量约为0.012g。NO2-三维纸基微流控芯片的纸基材料的总重量为0.052g，则产生的温室气体排放量E1为0.014gCO2-eq。
步骤2：①Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片使用的化学药剂在生产过程产生的温室气体排放量如表3所示，表3中类似化学药品行业这一列是指该药品的计算方法是按照类似化学药品行业的方法来计算的；
表3
一片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片使用的化学药剂在生产过程产生的温室气体排放量为50.08x10-3 gCO2-eq。
②Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片在组装过程使用的4个订书钉在生产过程中产生的温室气体排放通量为0.54gCO2-eq。
③Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片在检测过程使用10min的空气恒温摇床(额定功率为600w)，预计产生温室气体排放通量为0.36gCO2-eq。震荡一次可以制作 200片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片，预计制作一片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片产生温室气体排放通量为1.76x10-3 gCO2-eq。
该过程还需要使用30min的数显恒温加热板(额定功率为1.2kw)，预计耗电量产生温室气体排放通量为2.17gCO2-eq。加热一次可以制作约20片Fe(Ⅲ) 三维纸基微流控芯片，预计制作一片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片产生温室气体排放通量为0.11gCO2-eq。
以上产生的E2为0.95gCO2-eq。
步骤3：Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片进行检测过程中需要使用到2min的 LED台灯(1.4w)和智能手机(100-240V，50/60Hz，0.5A)则一片Mo(Ⅵ)显色试纸条的制作全过程产生的温室气体排放通量E3约为3.44x10-3 gCO2-eq。
步骤4：处理1g的纸可以产生2.81gCO2-eq的温室气体，一片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片的总量约为0.052g，一片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片的处理过程产生的GHG排放量E4约为0.146gCO2-eq。
本实施例的结果为一片Fe(Ⅲ)三维纸基微流控芯片从生产、使用到销毁的过程产生的温室气体排放通量为：E总＝E1+E2+E3+E4＝0.87gCO2-eq。
(2)对传统的检测方法—荧光分光光度法检测水样中Fe(Ⅲ)的全生命周期产生的温室气体排放量进行估算：
步骤1：荧光分光光度计检测Fe(Ⅲ)需要准备鞣花酸溶液(0.8mmol/L)，氨基叔丁三醇溶液(0.01mol/L)和盐酸溶液(0.01mol/L)。测定的步骤：将6.35mL 的氨基叔丁三醇溶液和3.5mL盐酸溶液配置成pH为6.5的Tris-Hcl缓冲溶液。在10mL的离心管中加入9.85mL的中加入Tris-Hcl缓冲溶液，再加入0.1mL的鞣花酸溶液和0.005mL的待测溶液。将混合溶液充分摇晃均匀后，静置10min 再放入1cm石英比色皿中。以空白样调节零点，以357nm为激发波长，416nm 为发射波长，激发狭缝为10nm，发射狭缝为5nm，电压为700V检测吸光度，绘制标准曲线比较。同时做试剂空白。使用的药品产生的温室气体排放量如表4 所示：
表4
荧光分光光度计检测Fe(Ⅲ)的过程中使用的药品产生的温室气体产生的温室气体排放通量总量为2.25gCO2-eq。
步骤2检测过程中使用荧光分光光度计(额定功率为600w)，预热时间为 30min，检测一个样品的时间为3min，产生的温室气体量约为1.20gCO2-eq。
步骤3：该方法产生的废液总体积约为10mL，其中不存在对水环境有重大污染的化学药品，本方法在处理过程中产生的温室气体排放量约为5.35x10-6 gCO2-eq。
综上所述，使用荧光分光光度法检测一个样品中Fe(Ⅲ)的过程中产生温室气体排放通量约为3.45gCO2-eq。
实验结果显示使用荧光分光光度法检测一个样品中亚硝酸盐的过程中产生温室气体排放通量约为3.45gCO2-eq。NO2-三维纸基微流控芯片相较于这个传统的检测方法降低了74.78％的碳排放。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和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 (10)
1.一种快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，其特征在于，包括，底层的隔离层、设置在隔离层上的显色层、设置在显色层上的吸附扩散层以及设置在吸附扩散层上的盖板层；
其中所述显色层为吸附有显色剂的
No.3滤纸，所述吸附层为
No.1滤纸；所述盖板层中心设置有加样孔。
2.根据权利要求1所述的快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，其特征在于，所述吸附有显色剂的
No.3滤纸的制备包括以下步骤：将
No.3滤纸置于由4-6g/L的鞣花酸溶液和0.5-1mol/L的氢氧化钠按照体积比30-20:1混合而成的混合溶液中浸泡15-20min后取出、烘干得到吸附有显色剂的
No.3滤纸；
所述隔离层和盖板层为透明玻璃纸。
3.根据权利要求1所述的快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，其特征在于，所述显色层包括若干个吸附有显色剂的
No.3滤纸，所述若干个吸附有显色剂的
No.3滤纸沿所述加样孔中心圆周排列；
所述吸附扩散层包括一体成型的样品接收区、样品输送区和显色传输区，其中，样品输送区、显色传输区数量分别和吸附有显色剂的
No.3滤纸数量一致，所述样品接收区与所述加样孔中心对应，所述显色传输区与吸附有显色剂的
No.3滤纸对应，所述样品输送区连接样品接收区和显色传输区。
4.根据权利要求3所述的快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，其特征在于，所述吸附扩散层为八角梅花形
No.1滤纸，所述八角梅花形
No.1滤纸的中心和加样孔中心对应，显色层吸附有显色剂的
No.3滤纸分别和八角梅花形的八个角中心对应。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
从下至上，按照隔离层、显色层、吸附扩散层以及盖板层的顺序将材料进行组合固定得到所述快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片。
6.一种根据权利要求1-4任一项所述的快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片在检测水体中三价铁浓度中的应用。
7.一种水体中三价铁浓度快速检测方法，其特征在于，使用权利要求1-4任一项所述的快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，利用比色卡进行水体检测，具体包括以下步骤：
配制不同浓度的三价铁标准溶液，分别滴加到快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的加样孔，15-20min后避光条件下记录显色层颜色，并制备标准比色卡；
将待测水体滴加至快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的加样孔，15-20min后将显色层颜色，和标准比色卡进行颜色比对，确定待测水体中三价铁浓度；
其中，加样孔样品滴加量为150-200μL，待测水体中三价铁浓度0.1-10.0mg/L。
8.一种水体中三价铁浓度快速检测方法，其特征在于，使用权利要求1-4任一项所述的快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片，利用PS图像处理技术进行水体检测，具体包括以下步骤：
配制不同浓度的三价铁标准溶液，分别滴加到快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的加样孔，15-20min后避光条件下拍照记录显色层颜色，将拍摄的照片导入Photoshop软件中，在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色层灰度值，绘制标准曲线；
将待测水体滴加至快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片的加样孔，15-20min后避光条件下拍照记录显色层颜色，将拍摄的照片导入Photoshop软件中，在LAB环境中打开灰度值环境，记录显色层灰度值，所获得的数据代入标准曲线，计算待测水体中三价铁的浓度；
其中，加样孔样品滴加量为150-200μL，待测水体中三价铁浓度0-10.0mg/L。
9.根据权利要求7或8所述的水体中三价铁浓度快速检测方法，其特征在于，所述待测水体滴加至加样孔前，调节溶液pH值至2；
所述快速检测三价铁的三维纸基微流控芯片制备完成后8天内完成检测。
10.根据权利要求7或8所述的水体中三价铁浓度快速检测方法，其特征在于，所述待测水体中HCO3 -浓度不高于0.65mol/L，所述Cr6+浓度不高于0.4mol/L。
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