CN116519871A - 一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法，包括样本进样腔、试剂进样腔、试剂腔、反应腔、检测腔、控制流体运动的定量虹吸阀以及微通道，所述定量虹吸阀连接所述试剂腔和所述反应腔，所述样本进样腔和所述反应腔、所述试剂进样腔和所述试剂腔之间由所述微通道连接；所述反应腔远离所述定量虹吸阀的一端设有所述检测腔，所述检测腔与所述反应腔之间由所述微通道连接；本发明采用上述的一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法，芯片利用定量虹吸阀产生体积准确的微小液滴并滴加到体积一定的待测样本中，根据待测样本中预先添加的指示剂颜色的变化判定滴定终点，可以实现微量样本的自动滴定分析。

Description

一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法

技术领域

本发明涉及滴定技术领域，尤其是涉及一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法。

背景技术

滴定是一种常用的分析化学定量检测技术，可以通过两种溶液的定量反应来确定某种溶质的含量。常见的实验室滴定分析方法都是将浓度已知标准溶液逐滴加入一定体积的待测样本中，根据指示剂的颜色变化指示滴定终点，然后利用标准溶液消耗体积来计算分析待测样本浓度。

传统滴定方法一般采用滴定管、烧杯等玻璃器皿人工操作进行，对操作人员要求高，试剂消耗大。为了提高检测效率，降低试剂消耗。逐渐出现了一些自动化的滴定设备，可以通过泵送等方式实现自动操作。通过与微流控技术和微机电系统相结合，微量的液滴输送也得以实现。但是，这些设备一般都需要一个或多个微量进样泵、多个主动微阀并结合复杂的微管路结构实现微量液体的自动操作。同时，溶液的混合也需要复杂的流体操作或者外加机械设备，存在设备结构复杂，价格昂贵，可靠性较差等问题。

基于离心盘式微流控芯片的流体操作方法只需要单一电机按一定方向和频率的旋转运动，就可以实现流体在芯片中的各种定向运动。基于这一技术的小型化分析装置在生物、化学、医学等领域逐渐得以广泛应用，基于光学传感的检测方法也常常被集成到这类装置中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法，芯片利用定量虹吸阀产生体积准确的微小液滴并滴加到体积一定的待测样本中，根据待测样本中预先添加的指示剂颜色的变化判定滴定终点，可以实现微量样本的自动滴定分析。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片，包括样本进样腔、试剂进样腔、试剂腔、反应腔、检测腔、控制流体运动的定量虹吸阀以及微通道，所述定量虹吸阀连接所述试剂腔和所述反应腔，所述样本进样腔和所述反应腔、所述试剂进样腔和所述试剂腔之间由所述微通道连接；

所述反应腔远离所述定量虹吸阀的一端设有所述检测腔，所述检测腔与所述反应腔之间由所述微通道连接；

所述样本进样腔上设有样本进样腔加样孔和样本进样腔通气孔，所述试剂进样腔上设有试剂进样腔加样孔和试剂进样腔通气孔，所述试剂腔上设有试剂腔通气孔，所述反应腔上设有反应腔通气孔。

优选的，所述反应腔到微流控芯片旋转中心的距离远于所述样本进样腔到微流控芯片旋转中心的距离，所述试剂腔到所述微流控芯片旋转中心的距离远于所述试剂进样腔到所述微流控芯片旋转中心的距离，所述反应腔到所述微流控芯片旋转中心的距离远于所述试剂腔到微流控芯片旋转中心的距离。

优选的，所述定量虹吸阀包括虹吸通道，所述定量虹吸阀上设有定量虹吸阀通气孔，所述虹吸通道向微流控芯片旋转中心方向弯曲，所述虹吸通道的顶端设有颈缩区，所述颈缩区连接有通气孔，与所述反应腔连接的所述虹吸通道靠近反应腔的一端设有疏水截止区，所述颈缩区与所述疏水截止区之间的容积为定值。

优选的，所述微通道包括第一直通道、第二直通道和第三直通道，所述试剂进样腔与所述试剂腔之间通过所述第一直通道连接，所述反应腔与所述检测腔通过所述第二直通道连接，所述样本进样腔与所述反应腔之间通过所述第三直通道连接。

优选的，所述反应腔远离所述微流控芯片旋转中心一侧侧壁上存在多个反应腔壁起伏结构。

本发明提供了一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片滴定方法，包括以下步骤：

S1、从样本进样腔进样孔加入体积确定的待测样本溶液，从试剂进样腔进样孔加入一定体积的标准溶液；

S2、加样完成后，封闭样本进样腔加样孔和试剂进样腔加样孔；

S3、启动离心机并高速旋转，转速为2000-3000rpm，样本在离心力作用下从样本进样腔进入反应腔，标准溶液在离心力作用下从试剂进样腔进入试剂腔；

S4、离心机继续高速旋转，试剂腔中的标准溶液在离心力作用下流向虹吸通道并部分进入虹吸通道水平入口；

S5、降低离心机转速，转速为0-600rpm，标准溶液在毛细作用下填充虹吸通道，直到停留在疏水截止区前；

S6、离心机加速旋转，转速为2000-3000rpm，空气从定量虹吸阀通气孔进入，使颈缩区位置的标准溶液断裂，与试剂腔相连的部分标准溶液流回试剂腔，颈缩区与疏水截止区的标准溶液形成微小液滴并流入反应腔，实现一次定量滴定操作；

S7、多次变化离心机旋转方向，使滴加进入反应腔中的标准溶液的液滴与样本溶液充分混合并在反应腔和检测腔中均匀分布；

S8、通过光学传感器检测检测腔中液体的颜色或者透光性，判断滴定反应是否完成；

S9、重复S4-S8，直至滴定反应完成，根据滴加次数、液滴体积和试剂浓度，计算待测样本浓度。

因此，本发明采用上述一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法，芯片利用定量虹吸阀产生体积准确的微小液滴并滴加到体积一定的待测样本中，根据待测样本中预先添加的指示剂颜色的变化判定滴定终点，可以实现微量样本的自动滴定分析。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法实施例的微流控芯片结构示意图；

图2是本发明一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法实施例的A的放大图；

图3是本发明一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法实施例的滴定操作过程示意图。

附图标记

11、微流控芯片旋转中心；12、试剂进样腔加样孔；13、试剂进样腔通气孔；14、试剂进样腔；15、第一直通道；16、试剂腔；17、试剂腔通气孔；18、定量虹吸阀；19、定量虹吸阀通气孔；20、反应腔；21、反应腔通气孔；22、第二直通道；23、检测腔；24、第三直通道；25、样本进样腔；26、样本进样腔通气孔；27、样本进样腔加样孔；28、颈缩区；29、疏水截止区；30、反应腔壁起伏结构。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例一

如图所示，本发明提供了一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片，包括芯片本体，芯片本体采用相同大小的两片圆形亚克力片材键合而成，微流控结构设置在其中一片亚克力片材上，用另一片亚克力片材与它键合形成封闭的微流控结构，微流控结构的大部分区域进行亲水表面处理，只有定量虹吸阀的疏水截止区进行疏水处理。

芯片本体上设有微流控芯片旋转中心11，芯片本体上还设有多个定量滴定组件，定量滴定组件包括试剂进样腔14，试剂进样腔14上设有试剂进样腔加样孔12和试剂进样腔通气孔13，试剂进样腔加样孔12用于加入标准溶液。试剂进样腔14通过第一直通道15与试剂腔16连接，试剂腔16起到承接的作用，使标准溶液进入试剂腔16之后，即使在高速往复旋转时也不会洒出，而试剂进样腔14上设有试剂进样腔加样孔12，会使标准溶液在高速往复旋转时洒出试剂进样腔14，产生不必要的污染和试剂损失。试剂腔16到微流控芯片旋转中心11的距离远于试剂进样腔14到微流控芯片旋转中心11的距离。

试剂腔16上设有试剂腔通气孔17，试剂腔16的另一端连接有定量虹吸阀18，定量虹吸阀18包括虹吸通道，定量虹吸阀18上设有定量虹吸阀通气孔19，虹吸通道向微流控芯片旋转中心11方向弯曲，虹吸通道的顶端设有颈缩区28，颈缩区28连接有定量虹吸阀通气孔19，与反应腔20连接的虹吸通道靠近反应腔20的一端设有疏水截止区29，颈缩区28与疏水截止区29之间的容积为定值，可产生确定体积的液滴。

定量虹吸阀18的另一端连接有反应腔20，反应腔20用于使标准溶液与样本溶液进行充分的反应。反应腔20到微流控芯片旋转中心11的距离远于试剂腔16到微流控芯片旋转中心11的距离。反应腔20远离定量虹吸阀18的一端设有检测腔23，反应腔20与检测腔23通过第二直通道22连接。反应腔20上设有反应腔通气孔21，反应腔20远离微流控芯片旋转中心11一侧侧壁上存在多个反应腔壁起伏结构30，反应腔壁起伏结构30的作用是使溶液能够混合均匀，使标准溶液与样本溶液充分反应。

反应腔20与样本进样腔25通过第三直通道24连接。反应腔20到微流控芯片旋转中心11的距离远于样本进样腔25到微流控芯片旋转中心11的距离。样本进样腔25上设有样本进样腔加样孔27与样本进样腔通气孔26，样本进样腔加样孔27用于加入待测样本溶液。

本发明还提供了一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片的滴定方法，包括以下步骤：

S1、从样本进样腔加样孔27中加入体积确定的待测样本溶液，从试剂进样腔加样孔12加入一定体积的标准溶液。

S2、加样完成后封闭样本进样腔加样孔27和试剂进样腔加样孔12。

S3、启动离心机并高速旋转，样本在离心力的作用下进入反应腔20，标准溶液在离心力的作用下进入试剂腔16。

S4、开启定量虹吸阀18处的定量滴定操作，将一滴试剂滴加到反应腔20中的样本中。

S5、多次变化离心机旋转方向，使滴加的试剂与样本充分混合。

S6、通过光学传感器检测检测腔23中液体的颜色或透光性，判断滴定反应是否完成。

S7、重复步骤S4-S6，直至滴定反应完成，根据滴加次数和试剂浓度，计算待测样本的浓度。

步骤S4中的定量虹吸阀18处的定量滴定操作方法包括以下步骤：

S41、当试剂腔中存在液体时，启动离心机并高速旋转，转速为2000-3000rpm，液体在离心力的作用下流向虹吸通道并部分进入虹吸通道水平入口。

S42、降低离心机的转速，转速为0-600rpm，液体在毛细作用下填充虹吸通道，直至停留在疏水截止区29前。

S43、加速旋转离心机，空气从定量虹吸阀通18气孔进入，使颈缩区28位置的液体断裂，与试剂腔16相连部分液体流回试剂腔16，颈缩区28与疏水截止区29的液体进入反应腔20，实现一次定量滴定操作。

因此，本发明采用上述一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片及滴定方法，芯片利用定量虹吸阀产生体积准确的微小液滴并滴加到体积一定的待测样本中，根据待测样本中预先添加的指示剂颜色的变化判定滴定终点，可以实现微量样本的自动滴定分析。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片，其特征在于：包括样本进样腔、试剂进样腔、试剂腔、反应腔、检测腔、控制流体运动的定量虹吸阀以及微通道，所述定量虹吸阀连接所述试剂腔和所述反应腔，所述样本进样腔和所述反应腔、所述试剂进样腔和所述试剂腔之间由所述微通道连接；

所述反应腔远离所述定量虹吸阀的一端设有所述检测腔，所述检测腔与所述反应腔之间由所述微通道连接；

所述样本进样腔上设有样本进样腔加样孔和样本进样腔通气孔，所述试剂进样腔上设有试剂进样腔加样孔和试剂进样腔通气孔，所述试剂腔上设有试剂腔通气孔，所述反应腔上设有反应腔通气孔。

2.根据权利要求1所述的一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片，其特征在于：所述反应腔到微流控芯片旋转中心的距离远于所述样本进样腔到微流控芯片旋转中心的距离，所述试剂腔到所述微流控芯片旋转中心的距离远于所述试剂进样腔到所述微流控芯片旋转中心的距离，所述反应腔到所述微流控芯片旋转中心的距离远于所述试剂腔到微流控芯片旋转中心的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片，其特征在于：所述定量虹吸阀包括虹吸通道，所述定量虹吸阀上设有定量虹吸阀通气孔，所述虹吸通道向微流控芯片旋转中心方向弯曲，所述虹吸通道的顶端设有颈缩区，所述颈缩区连接有通气孔，与所述反应腔连接的所述虹吸通道靠近反应腔的一端设有疏水截止区，所述颈缩区与所述疏水截止区之间的容积为定值。

4.根据权利要求1所述的一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片，其特征在于：所述微通道包括第一直通道、第二直通道和第三直通道，所述试剂进样腔与所述试剂腔之间通过所述第一直通道连接，所述反应腔与所述检测腔通过所述第二直通道连接，所述样本进样腔与所述反应腔之间通过所述第三直通道连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片，其特征在于：所述反应腔远离所述微流控芯片旋转中心一侧侧壁上存在多个反应腔壁起伏结构。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的一种基于定量虹吸阀的离心式微量滴定芯片滴定方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、从样本进样腔进样孔加入体积确定的待测样本溶液，从试剂进样腔进样孔加入一定体积的标准溶液；

S2、加样完成后，封闭样本进样腔加样孔和试剂进样腔加样孔；

S3、启动离心机并高速旋转，转速为2000-3000rpm，样本在离心力作用下从样本进样腔进入反应腔，标准溶液在离心力作用下从试剂进样腔进入试剂腔；

S4、离心机继续高速旋转，试剂腔中的标准溶液在离心力作用下流向虹吸通道并部分进入虹吸通道水平入口；

S5、降低离心机转速，转速为0-600rpm，标准溶液在毛细作用下填充虹吸通道，直到停留在疏水截止区前；

S6、离心机加速旋转，转速为2000-3000rpm，空气从定量虹吸阀通气孔进入，使颈缩区位置的标准溶液断裂，与试剂腔相连的部分标准溶液流回试剂腔，颈缩区与疏水截止区的标准溶液形成微小液滴并流入反应腔，实现一次定量滴定操作；

S7、多次变化离心机旋转方向，使滴加进入反应腔中的标准溶液的液滴与样本溶液充分混合并在反应腔和检测腔中均匀分布；

S8、通过光学传感器检测检测腔中液体的颜色或者透光性，判断滴定反应是否完成；

S9、重复S4-S8，直至滴定反应完成，根据滴加次数、液滴体积和试剂浓度，计算待测样本浓度。