CN114798021B - 一种快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片及其制备方法和应用，涉及微流控技术领域。所述三维纸基微流控芯片为四层结构，依次为玻璃纸盖板、梅花形纸芯片、圆形显色层和玻璃纸垫层；所述玻璃纸盖板上还设置有加样口；所述加样口在所述玻璃纸盖板的中央。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、精准检测的检测效果。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。

Description

一种快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片及其制 备方法和应用

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片及其制备方法和应用。

背景技术

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。

地表水中的亚硝酸盐很不稳定，在氧气充足时会氧化为硝酸盐，缺氧状态下会被还原为氮。亚硝酸盐主要来自相关工种的生产、使用和排放以及微生物对硝酸盐的转化作用，经过降雨和地表径流作用使得亚硝酸盐大量进入地表水中。农业上大量使用氮肥增加了水体中的氮营养盐，水中的铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐之间存在的化学转化关系也会增加水中的亚硝酸盐浓度。水环境中高浓度的磷酸盐和硝酸盐也会增加水体中亚硝酸盐的累积。亚硝酸盐是剧毒物质，成人摄入0.2-0.5克即可引起中毒，3克即可致死。饮用含硝酸盐或亚硝酸盐含量高的苦井水、蒸锅水会导致亚硝酸盐慢性中毒。高浓度的亚硝酸盐会影响细胞膜的通透性、抑制光合作用、降低酶的活性从而抑制了植物正常生长。所以发明一种能够快速、及时检测水环境中的亚硝酸盐的检测仪器或方法非常重要。

目前检测亚硝酸盐的方法有苯胺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，但是却普遍存在两个大问题：1)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；且检测费用昂贵、对操作人员要求高；2)需要配制大量的检测试剂，不仅检测时间长，而且产生的废液需要处理，增加检测成本。

因此，提供一种无需大型仪器、无需复杂的操作步骤、检测费用低廉、能够快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片，对于水环境检测领域具有重要意义。

发明内容

基于上述论述，本发明提供一种快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片及其制备方法和应用，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、精准检测的检测效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明技术方案之一，一种快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片，所述三维纸基微流控芯片为四层结构，依次为玻璃纸盖板、梅花形纸芯片、圆形显色层和玻璃纸垫层；

所述玻璃纸盖板上还设置有加样口；所述加样口在所述玻璃纸盖板的中央。

进一步地，所述梅花形纸芯片为

No.1滤纸；所述圆形显色层为

No.3滤纸。

进一步地，所述玻璃纸盖板为边长40mm的正方形；所述玻璃纸盖板中央的加样口为直径10mm的圆形；所述梅花形纸芯片的中心为直径10mm的圆形1，所述圆形1与8个直径6mm的圆形2通过通道连接，所述通道长4.28mm，宽2mm；所述圆形显色层为直径6mm的圆形。

进一步地，所述圆形显色层的制备方法包括以下步骤：

将圆形的

No.3滤纸浸泡在显色试剂中，振荡处理后干燥得到所述圆形显色层。

进一步地，所述显色试剂由浓度为16.64μM的3’3’5’5-四甲基联苯胺溶液和浓度为1mg/L盐酸氨基葡萄糖溶液按体积比2:3混合得到；

所述振荡处理具体为80-100rad/min振荡15-20min。

本发明技术方案之二，上述的快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片的制备工艺，包括以下步骤：

切割玻璃纸分别作为玻璃纸盖板和玻璃纸垫层；

在玻璃纸盖板中央切割出加样口；

将

No.1滤纸切割为八角梅花形，作为梅花形纸芯片；

将

No.3滤纸切割为圆形，并在显色试剂中浸泡，作为圆形显色层；

按照玻璃纸垫层、圆形显色层、梅花形纸芯片、玻璃纸盖板的顺序组装得到所述三维纸基微流控芯片。

本发明技术方案之三，上述的快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片在检测水体中亚硝酸盐中的应用。

进一步地，从所述三维纸基微流控芯片的加样口滴加待测水样，静置15min后通过比色卡或PS图像处理技术分析待测水样中亚硝酸盐浓度。

进一步地，通过在待测水样中添加乙二胺四乙酸来规避水样中锰离子、铬离子和铁离子对检测结果的影响。

进一步地，所述乙二胺四乙酸在待测水样中的浓度为0.02mol/L。

本发明公开了以下技术效果：

(1)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、精准检测的检测效果。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。

(2)本发明设计合理，所制备的用于快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片是一种新型的现场环境即时检测仪器，结合现场检测和比色装置，实现了在现场快速、准确检测城市公园水环境中亚硝酸盐含量的技术效果。不仅能够减少水环境中亚硝酸盐的检测步骤，还大大缩短了检测时间，具有制作方法简单，材料成本低廉，操作方法简单，无需专业实验人员，检测时间迅速和检测结果精准的优点，并且一片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仅为4.42gCO₂-eq，低碳环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明所制备的三维纸基微流控芯片中滤纸和玻璃纸的形状示意图；

图2为本发明三维纸基微流控芯片的组合示意图；

图3为实施例1中不同的梅花形纸芯片和圆形显色层的尺寸和类型的检测结果图；

图4为实施例2中不同TMB-GHA体积比的检测结果图；

图5为实施例3中不同滴加待测样体积的检测结果图；

图6为实施例4中不同pH值的检测结果图；

图7为实施例5中不同显色时间的检测结果图；

图8为实施例6中标准曲线和标准色卡的绘制结果图；

图9为实施例7中不同类型的掩蔽剂对检测结果的影响图；

图10为实施例8中三维纸基微流控芯片的稳定性结果；

图11为实施例9中三维纸基微流控芯片对成都市活水公园实际水环境中亚硝酸盐的检测结果图；

图12为本发明所制备的三维纸基微流控芯片用于检测水体中亚硝酸盐的检测流程示意图。

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。

本发明实施例所用的滤纸为

No.1滤纸、

No.3滤纸和直径为9cm的双圈牌中速滤纸。

本发明实施例中所用透明玻璃纸和订书钉为普通的玻璃纸和订书钉。

本发明实施例所用显色剂药品为盐酸氨基葡萄糖(GAH)、3’3’5’5-四甲基联苯胺(TMB)。

本发明快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片中滤纸和玻璃纸的形状示意图如图1所示(图中所标注尺寸仅为最佳示例)；其中，图中(a)为玻璃纸，中间圆孔为加样口；图中(b)为梅花形纸芯片；图中(c)为圆形显色层。

本发明三维纸基微流控芯片的组合示意图如图2所示。

本发明所制备的三维纸基微流控芯片用于检测水体中亚硝酸盐的检测流程示意图如图12所示。

实施例1

步骤1：将

No.1和中速滤纸，分别制作成梅花形纸芯片，形状尺寸如图1所示。再利用家用型压花机和碳素刀具模型将

No.1、

No.3和中速滤纸分别切割成直径为6mm和8mm的圆形显色层。

步骤2：将5mL浓度为1mg/L的GHA和5mL浓度为16.64μM的TMB放入锥形瓶中混合均匀制成显色溶液，共制作3份。将20片6mm的

No.1和20片8mm的

No.1圆形显色层一起放入一个锥形瓶中。将20片6mm的

No.3和20片8mm的

No.3圆形显色层一起放入一个锥形瓶中。将20片6mm的中速滤纸和20片8mm的中速滤纸圆形显色层一起放入一个锥形瓶中。混合均匀后，用保鲜膜分别将三个锥形瓶封口放入转速为100rad/min的摇床中，震荡20分钟后取出。将所有的圆形显色层放在培养皿中，在105℃的电热板上加热至干燥。

步骤3：按照表1组装好12种类型的三维纸基微流控芯片。

表1

步骤4：在12种三维纸基微流控芯片上逐渐滴加100μL、浓度为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。观察正面和背面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境打开明度和a通道计算a值。

本实施例的结果图如图3所示，由图3能够看出，

No.1×6mm的

No.3组合不论是手机拍摄还是PS后的图片都有着最为明显的显色，有利于比色法观察检测结果且此时的a值平均值也处于最高的值。所以后续的实验过程中将采用

No.1×6mm的

No.3组合制作纸基微流控芯片。

实施例2

步骤1：按照表2分别配制5mL的TMB-GHA混合溶液置于锥形瓶中；表中，TMB溶液的浓度为16.64μM，GAH溶液的浓度为1mg/L。

表2

TMB：GHA(v：v)	TMB的体积(mL)	GHA的体积(mL)
			1:4	1.0	4.0
2:3	2.0	3.0
			1:1	2.5	2.5
4:1	4.0	1.0
			3:2	3.0	2.0

步骤2：在每个锥形瓶中加入10片6mm的

No.3号滤纸，用保鲜膜封口后放入转速为100rad/min的摇床中，震荡20分钟后取出。将所有的圆形显色层放在培养皿中，在105℃的电热板上加热至干燥。

步骤3：按照实施例1的制作方法组装三维纸基微流控芯片，在纸基微流控芯片上逐渐滴加100μL、浓度为100μM的亚硝酸钠溶液，10min后拍照观察正面和背面的颜色的扩散。并用肉眼观察哪种比例的显色溶液产生的颜色变化更加明显，并利用Photoshop软件观察在LAB环境打开明度和a通道计算a值。

本实施例的结果如图4所示，由图4能够看出，当TMB-GHA体积比为2:3时，纸基微流控芯片在未使用前，手机拍摄的图片和PS处理后的图片都是明亮的蓝绿色，呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的a值平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用TMB-GHA体积比为2:3的显色溶液来制作三维纸基微流控芯片。

实施例3

步骤1：根据实施例1-2的实验结果，制作三维纸基微流控芯片。在三维纸基微流控芯片分别滴加体积为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140和150μL、浓度100μM的亚硝酸钠溶液。

步骤2：等待显色10min后放入拍摄装置中进行拍照；观察正面和背面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境打开明度和a通道计算a值。

本实施例的结果如图5所示，由图5能够看出，当滴加体积为100μL时，三维纸基微流控芯片在未使用前，手机拍摄的图片和PS处理后的图片都是明亮的蓝绿色，呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的a值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100μL。

实施例4

步骤1：根据实施例1-2的实验结果，制作三维纸基微流控芯片。配制浓度为100μM的亚硝酸钠溶液并用pH缓冲溶液调整亚硝酸钠溶液的pH分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。

步骤2：向三维纸基微流控芯片的加样口滴加100μL浓度为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。观察正面和背面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境打开明度和a通道计算a值。

本实施例的结果如图6所示，由图6能够看出，当滴加pH为6时，三维纸基微流控芯片在未使用前，手机拍摄的图片和PS处理后的图片都是明亮的蓝绿色，呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的a值平均值也处于最大值。所以后续的实验过程中将采用pH为6。

实施例5

步骤1：根据实施例1-2的实验结果，制作三维纸基微流控芯片。配制浓度为100μL，pH为6的亚硝酸钠溶液。

步骤2：向三维纸基微流控芯片的加样口滴加100μL浓度为100μL的亚硝酸钠溶液，分别等待显色1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、80、90和100min后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面和背面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境打开明度和a通道计算a值。

本实施例的结果如图7所示，由图7能够看出，当显色时间为15min时，三维纸基微流控芯片在未使用前，手机拍摄的图片和PS处理后的图片都是明亮的蓝绿色，呈现的颜色明显更有利于比色法观察检测结果，且此时的a值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15min。

实施例6

步骤1：根据实施例1-2的实验结果，制作三维纸基微流控芯片。配制浓度分别为0、25、50、75、100、125、150、175、200、225、250μM/L，pH为6的亚硝酸钠溶液。

步骤2：向三维纸基微流控芯片的加样口滴加100μL的亚硝酸钠溶液，分别等待显色15min后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面和背面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境打开明度和a通道计算a值。

本实施例的结果如图8所示，由图8能够看出，当亚硝酸钠的浓度在25μM/L时，三维纸基微流控芯片颜色几乎没有变化。当亚硝酸盐的浓度在50-275μM/L时，三维纸基微流控芯片的颜色肉眼可以观察出从灰白色变成灰绿色，并随着亚硝酸钠浓度的增加，颜色逐渐加深最后变成墨绿色；PS处理后的图片三维纸基微流控芯片的颜色是从灰白色变成灰蓝色，并随着亚硝酸浓度的增加，颜色逐渐加深。当亚硝酸的浓度在0-250μM/L之间时，亚硝酸浓度(x)和a值平均值(y)的关系为y＝-0.053x-2.667，R²＝0.996。

实施例7

步骤1：根据实施例1-2的实验结果，制作三维纸基微流控芯片。

步骤2：按照以下配比配制待测液：

A:250μM的亚硝酸钠

B:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/LCr⁶⁺(12.5mL)

C:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/L Fe³⁺(12.5mL)

D:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/L Mn²⁺(12.5mL)

E:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/LCr⁶⁺(12.5mL)+0.02mol/LEDTA(2mL)

F:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/L Cr⁶⁺(12.5mL)+100g/L抗坏血酸(2mL)

G:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/L Fe³⁺(12.5mL)+0.02mol/L EDTA(2mL)

H:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/L Fe³⁺(12.5mL)+100g/L抗坏血酸(2mL)

I:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/L Mn²⁺(12.5mL)+0.02mol/L EDTA(2mL)

J:250μM的亚硝酸钠+2.5mg/L Mn²⁺(12.5mL)+100g/L抗坏血酸(2mL)

K:250μM的亚硝酸钠+0.02mol/L EDTA(2mL)

L:250μM的亚硝酸钠+100g/L抗坏血酸(2mL)

滴加100μL的待测溶液于三维纸基微流控芯片中。分别等待显色15min后放入拍摄装置中进行拍照。观察正面和背面的颜色的扩散。并利用Photoshop软件观察在LAB环境打开明度和a通道计算a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％，说明该掩蔽剂对干扰离子具有掩蔽效果。

本实施例的结果如图9所示，由图9能够看出，以EDTA作为掩蔽Cr⁶⁺、Mn²⁺、Fe(Ⅲ)的掩蔽剂，在手机拍摄图片和PS处理后的图片都为不同程度的灰绿色，有利于用比色法观察实验结果，而且此时的误差值也都小于10％。所以可以采用EDTA作为掩蔽剂。

实施例8

步骤1：根据实施例1-2的实验结果制作三维纸基微流控芯片。

步骤2：放入透明的密封塑料袋中，放置在室温下黑暗储存。每隔1天取出一片三维纸基微流控芯片，观察三维纸基微流控芯片的外观和颜色是否正常。

步骤3：然后按照实施例3-6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10所示，由图10能够看出，随着存放天数的增加，三维纸基微流控芯片检测亚硝酸盐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1-6天内的误差值小于10％。在第7天时，误差值就大于10％。说明三维纸基微流控芯片制作完成后需要在6天内被用来检测水中的亚硝酸盐，超过6天的三维纸基微流控芯片的检测结果将不准确。

实施例9

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＝6。再按照0.02mol/L的浓度滴加EDTA作为掩蔽剂。然后将进水水样、中段水水样和出水水样滴加到三维纸基微流控芯片中。等待15min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LAB环境打开明度和a通道计算a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亚硝酸盐的浓度。

本实施例的结果如图11所示，由图11能够看出，进水水样的亚硝酸盐约为7.88μM，中段水水样约为1.97μM和出水水样中的亚硝酸盐含量约等于2.55μM。

实施例10

步骤1：一片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6mm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6mm的圆形

No.3滤纸的面积为0.28cm²，质量约为0.007g。三维纸基微流控芯片的纸基材料的总重量为0.047g，生产该重量的纸基材料产生的温室气体排放量E₁为10.08x10^-3 gCO₂-eq。

步骤2：①三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

一片三维纸基微流控芯片使用的所有化学药品生产过程产生的温室气体排放量约为3.62gCO₂-eq。

②三维纸基微流控芯片在组装过程使用的其他的材料产生的温室气体排放量按照使用的4个订书钉在生产过程中产生的温室气体排放通量来计算。根据《城市温室气体(CITY GHG)》中的金属工业当中的钢铁类生产过程产生的温室气体排放通量可以粗略计算出该过程产生的温室气体排放通量为0.54gCO₂-eq。

③三维纸基微流控芯片在制作时使用20min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0.71gCO₂-eq。震荡一次可以制作200片三维纸基微流控芯片，预计制作一片三维纸基微流控芯片产生温室气体排放通量为3.55x10^-3 gCO₂-eq。该过程还使用了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片三维纸基微流控芯片，预计制作一片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4.27gCO₂-eq。

步骤3：三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)，则一片三维纸基微流控芯片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。一片三维纸基微流控芯片的总量约为0.047g，一片NO₂ ^-三维纸基微流控芯片的处理过程产生的GHG排放量E₄约为0.13gCO₂-eq。

本实施例的结果为一片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＝4.42gCO₂-eq

对比例1

与实施例9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亚硝酸盐的浓度。

本对比例1的实验结果如图11所示，从图11可以看出，紫外分光光度计检测出进水水样的亚硝酸盐约为7.50μM，中段水水样约为2.23μM和出水水样中的亚硝酸盐含量约等于2.36μM。亚硝酸盐显色试纸条和紫外分光光度计的检测结果之间误差小于12％，说明本发明制备的三维纸基微流控芯片作为亚硝酸盐显色试纸条的检测结果具有科学依据和准确性。

对比例2

与实施例10不同之处仅在于，对传统的检测方法-紫外分光光度法检测水样中亚硝酸盐的全生命周期产生的温室气体排放量进行估算。

步骤1：检测过程使用的化学药品为2mL对氨基苯磺酸溶液(4g/L)、1mL盐酸奈乙二胺溶液(2g/L)、5mL 0.1mol/L的氢氧化铝悬浮液和5mL 0.1mol/L的盐酸溶液。测定的步骤为吸取50.0mL上述滤液于容量瓶中，另吸取一定量的待测溶液置于50mL容量瓶中。于标准管与试样管中分别加入2mL 4g/L对氨基苯磺酸溶液，混匀，静置3min～5min后加入1mL 2g/L盐酸奈乙二胺溶液，加水至刻度，混匀，静置15min，用1cm比色皿，以空白样调节零点，于波长538nm处测吸光度，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

紫外分光光度法检测亚硝酸盐的过程中使用的药品产生的温室气体排放通量总量为31.95gCO₂-eq。

步骤2：检测过程使用到紫外分光光度计(额定功率为200w)，预热时间为20min，检测一个样品的时间为2.5min，产生的温室气体量约为0.27gCO₂-eq。

步骤3：该方法产生的废液总体积约为50mL，其中不存在对水环境有重大污染的化学药品，处理过程中产生的温室气体排放量约为26.74x10^-6 gCO₂-eq。

本对比例2的实验结果显示使用紫外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32.22gCO₂-eq。三维纸基微流控芯片相较于这个传统紫外分光光度检测方法降低了86.28％的碳排放。

对比例3

准备十字形的

No.1滤纸(相比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亚硝酸盐浓度，结果分别为6.00μM、0.50μM和2.20μM，误差分别为20％、77.6％和8％。相比较梅花形纸芯片，十字型纸芯片用于检测水体中亚硝酸盐的准确性明显降低。

本发明将浓度为16.64μM的3’3’5’5-四甲基联苯胺溶液(TMB)和浓度为1mg/L的盐酸氨基葡萄糖性试剂(GAH)按照体积比为2:3制成显色溶液，将6mm的圆形

No.3试纸浸泡在显色溶液中制成显色层。然后利用家用型压花机和碳素刀具将

No.1切割成八角梅花形。再按照40mm*40mm的正方形透明玻璃纸、八角梅花形

No.1、6mm的圆形

No.3和40mm*40mm的正方形透明玻璃纸的顺序组合在一起，并用订书机进行固定，最后制作成亚硝酸盐三维纸基微流控芯片。从亚硝酸盐三维纸基微流控芯片的加样口滴加待测溶液体积100μL即可均匀扩散到显色层。亚硝酸盐三维纸基微流控芯片在待测溶液pH为6、显色时间为15min时检测结果最准确。以比色卡和PS图像处理技术作为分析方法，亚硝酸盐三维纸基微流控芯片分别能够检测出浓度范围为25-250μM和0-250μM的NO₂ ^-。Cr⁶⁺(高于0.4mg/L)、Mn²⁺(高于0.4mg/L)和Fe(Ⅲ)(高于0.4mg/L)对NO₂ ^-三维纸基微流控芯片的测试结果有干扰。0.02mg/L的EDTA能够掩蔽2.5mg/L的Cr⁶⁺、2.5mg/L的Mn²⁺、2.5mg/L的Fe(Ⅲ)对NO₂ ^-三维纸基微流控芯片的影响。亚硝酸盐三维纸基微流控芯片在6天内能够保持检测结果的准确性。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片，其特征在于，所述三维纸基微流控芯片为四层结构，依次为玻璃纸盖板、梅花形纸芯片、圆形显色层和玻璃纸垫层；

所述玻璃纸盖板上还设置有加样口；所述加样口在所述玻璃纸盖板的中央；

所述梅花形纸芯片为

No.1滤纸；所述圆形显色层为

No.3滤纸；

所述圆形显色层的制备方法包括以下步骤：

将圆形的

No.3滤纸浸泡在显色试剂中，振荡处理后干燥得到所述圆形显色层；

所述显色试剂由浓度为16.64μM的3’3’5’5-四甲基联苯胺溶液和浓度为1mg/L盐酸氨基葡萄糖溶液按体积比2:3混合得到；

所述振荡处理具体为80-100rad/min振荡15-20min；

所述玻璃纸盖板中央的加样口为直径10mm的圆形；所述梅花形纸芯片的中心为直径10mm的圆形1，所述圆形1与8个直径6mm的圆形2通过通道连接，所述通道长4.28mm，宽2mm；所述圆形显色层为直径6mm的圆形。

2.一种权利要求1所述的快速检测水体中亚硝酸盐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：

切割玻璃纸分别作为玻璃纸盖板和玻璃纸垫层；

在玻璃纸盖板中央切割出加样口；

将

No.1滤纸切割为八角梅花形，作为梅花形纸芯片；

将

No.3滤纸切割为圆形，并在显色试剂中浸泡，作为圆形显色层；

按照玻璃纸垫层、圆形显色层、梅花形纸芯片、玻璃纸盖板的顺序组装得到所述三维纸基微流控芯片。

3.如权利要求1所述的一种快速检测水体中亚硝酸盐的三维纸基微流控芯片在检测水体中亚硝酸盐中的应用；

从所述三维纸基微流控芯片的加样口滴加待测水样，静置15min后通过比色卡或PS图像处理技术分析待测水样中亚硝酸盐浓度；

通过在待测水样中添加乙二胺四乙酸来规避水样中锰离子、铬离子和铁离子对检测结果的影响。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述乙二胺四乙酸在待测水样中的浓度为0.02mol/L。

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