專利名稱:一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及到數(shù)字微流控芯片技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,特別提供了一種適于簡單、快速和現(xiàn)場進(jìn)行水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)。
背景技術(shù):
水體中的氮、磷、硅等元素組成的某些鹽類,是水生植物生長的必需營養(yǎng)鹽,通常把這些鹽稱為“植物營養(yǎng)鹽”、“微量營養(yǎng)鹽”或“生源要素”。營養(yǎng)鹽的分布和變化關(guān)系著水生生物的生態(tài)平衡,造就了水生生物的多祥性。水體中的富營養(yǎng)卻會(huì)引發(fā)赤潮成為災(zāi)害。因此為了實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三大效益的統(tǒng)一,營養(yǎng)鹽分布的研究正成為水體環(huán)境研究項(xiàng)目中的ー個(gè)重要指標(biāo)。多年來以來,水體中營養(yǎng)鹽的測定,仍主要基于加液、稀釋、萃取、攪拌、定容、和濕化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜、繁瑣的手工操作。分析過程中試樣的處理往往占去整個(gè)分析時(shí)間的90%。同時(shí),需要耗費(fèi)大量的化學(xué)試劑,測試成本較高,也不利 環(huán)保。這種狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足計(jì)算機(jī)時(shí)代對(duì)ー個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供的信息量要求,更無法適應(yīng)現(xiàn)場惡劣分析環(huán)境中的長期、連續(xù)的監(jiān)測過程。數(shù)字微流控芯片是近年來發(fā)展起來的與連續(xù)微流控芯片平行的ー種新型微流體操控平臺(tái),它主要利用介質(zhì)上電潤濕效應(yīng),通過外加電壓控制介質(zhì)層上固液、氣液界面的表面張カ實(shí)現(xiàn)對(duì)不連續(xù)的微小液滴進(jìn)行操控,因此又被稱作數(shù)字式液滴微流控芯片。在化學(xué)分析系統(tǒng)的構(gòu)建中,數(shù)字微流控芯片將通過邏輯控制操控含有反應(yīng)物(樣品和化學(xué)試劑)的液滴,借助于不同液滴間的充分融合實(shí)現(xiàn)微化學(xué)反應(yīng)。在反應(yīng)完成后,含待測生成物的液滴將在電極電場的控制下向不同方向輸運(yùn),因此可以有效地避免阻塞。同時(shí)可通過系統(tǒng)功能的擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)參比、現(xiàn)場加標(biāo)、高通量、高內(nèi)涵的溶液處理等過程,最大限度滿足水體化學(xué)要素的分析要求。隨著研究的不斷深入,數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)或可成為分析化學(xué)研究的重要平臺(tái)技術(shù)之一,同時(shí)為化學(xué)要素的現(xiàn)場測定和傳感器研制等方面提供技術(shù)與理論的支持。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),以解決目前營養(yǎng)鹽分析工作中工作量大,通量低,預(yù)處理繁瑣,測試成本高等諸多問題。本發(fā)明提供了一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),該系統(tǒng)將數(shù)字微流控芯片技術(shù)、微通道微流控芯片技術(shù)和電潤濕技術(shù)相組合,將常規(guī)的水體營養(yǎng)鹽分析中的取樣、前處理、過濾、混合、反應(yīng)和檢測等過程集成在一塊功能芯片上完成,實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字微流控芯片平臺(tái)上水體營養(yǎng)元素的分析測定過程。試劑消耗量低,操作簡便。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),由兩個(gè)單元構(gòu)成,第一個(gè)基本單元為數(shù)字微流控芯片;第二個(gè)基本單元為數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備;其中,數(shù)字微流控芯片主要由兩部分構(gòu)成,第一部分是鍍有導(dǎo)電電極的下層芯片,用于控制液體的移動(dòng)和混合等步驟;第二部分是刻蝕有微通道的上層芯片,用于對(duì)移動(dòng)的液滴進(jìn)行導(dǎo)向和規(guī)范作用,防止移動(dòng)過程中樣品溶液的滑動(dòng);
本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)由以下兩個(gè)單元構(gòu)成,第一個(gè)單元為用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片;第二個(gè)單元為用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備;
其中用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片由上、下兩層正方形芯片結(jié)構(gòu)構(gòu)成下層為數(shù)字控制層,具有電極陣列結(jié)構(gòu),其使用的電極材料為鉻,基底為玻璃;電極陣列上進(jìn)ー步涂覆絕緣介電質(zhì)(其使用材料可為Parylene C、S3N4或P (VDF-TrFE)等材料中的ー種)和疏水保護(hù)介質(zhì)(Teflon-AF);上層為刻蝕有微通道的引導(dǎo)芯片層,其使用的材質(zhì)可能為玻璃、PMMA或者PDMS等材料中的ー種。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在干芯片上下兩層的封接方式為玻璃-玻璃的熱鍵合封接、玻璃-PDMS的可逆或者不可以封接、玻 璃-PMMA的不可逆封接中的ー種。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),所述數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備,是用于水體營養(yǎng)元素分析測定的芯片實(shí)現(xiàn)各功能的外部支持及營養(yǎng)元素含量測定的檢測裝置,主要包括蠕動(dòng)微泵、過濾柱、顯微鏡、高分辨率CCD成像系統(tǒng)及相關(guān)分析軟件等。其中,由蠕動(dòng)微泵控制的進(jìn)樣器単元,通過外接程序控制不同的液體進(jìn)入至兩層芯片之間,可調(diào)節(jié)流速或者流量,也可以控制進(jìn)樣量的多少,從而實(shí)現(xiàn)樣品的定量及定性分祈。同時(shí),在水體樣品進(jìn)樣器單元后端添加過濾柱,其目的在于防止水體樣品中微顆粒和微生物組分對(duì)數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)的腐蝕破壞作用。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在干標(biāo)準(zhǔn)溶液、分析溶液和水體樣品分別通過對(duì)應(yīng)進(jìn)樣器單元進(jìn)入數(shù)字微流控芯片,通過外圍電控單元對(duì)電極陣列程序加電,可以控制其對(duì)應(yīng)表面的親疏水特性,從而實(shí)現(xiàn)樣品和溶液液滴的移動(dòng)過程,控制液滴依次進(jìn)入混合反應(yīng)區(qū)、檢測區(qū)和廢液池,移動(dòng)過程在引導(dǎo)芯片層通道內(nèi)進(jìn)行。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在干為了保護(hù)電極和微通道表面,在微通道中可加入油相起到潤滑作用,所使用的油相可以為氟碳油、礦物油、植物油或者硅油中的ー種或者幾種。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于可以在線生成標(biāo)準(zhǔn)曲線,并進(jìn)行多次相同水體樣品或者多個(gè)不同水體樣品的分析檢測。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其優(yōu)點(diǎn)在干分析過程操作簡單,成本低廉,集成度高,可以應(yīng)用于目前水體環(huán)境監(jiān)測中營養(yǎng)鹽多參數(shù)的同時(shí)快速檢測,并進(jìn)一歩用于傳感器的制備研究。
圖I為數(shù)字微流控芯片整體示意圖,其中,I為標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣器単元(X 5 ),2為電扱,3為水樣過濾柱,4為水樣進(jìn)樣器単元,5為油相進(jìn)樣器単元,6為分析溶液進(jìn)樣器単元,7為混合反應(yīng)區(qū)域,8為檢測區(qū)域,9為廢液區(qū)域;
圖2為數(shù)字微流控芯片剖面結(jié)構(gòu)圖,其中,I為引導(dǎo)芯片層,2為數(shù)字控制層,3為電扱,4為絕緣介電質(zhì),5為疏水保護(hù)介質(zhì),6為玻璃基底,7為液滴,可以是來自與待測水樣、標(biāo)準(zhǔn)樣品或試劑;
圖3為數(shù)字微流控芯片數(shù)字控制層俯視圖,其中,I為待測水樣和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱,2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱,3為控制液體移動(dòng)的電扱,4為混合反應(yīng)區(qū)域電極,5為檢測區(qū)域電極,6為儲(chǔ)存廢液電極;
圖4為數(shù)字微流控芯片引導(dǎo)芯片層俯視圖,其中,I為海水樣品及標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)樣引導(dǎo)通道,2為分析溶液進(jìn)樣引導(dǎo)通道,3為油相進(jìn)樣通道;
圖5為NO2-分析過程示意圖(虛線箭頭表示液滴運(yùn)動(dòng)方向),其中,I為待測水樣和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱,2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱,3為控制液體移動(dòng)的電扱,4為混合反應(yīng)區(qū)域電極,5為檢測區(qū)域電極,6為儲(chǔ)存廢液電極,7為亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液液滴,8為磺胺溶液液滴,9為鹽酸萘こニ胺溶液液滴,10為第一次融合液滴,11為第二次融合液滴,12為反應(yīng)生成的紅色偶氮顏料液滴;
圖6為P043_分析過程示意圖(虛線箭頭表示液滴運(yùn)動(dòng)方向),其中,I為待測水樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱,2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱,3為控制液體移動(dòng)的電扱,4為混合反應(yīng)區(qū)域電極,5為檢測區(qū)域電極,6為儲(chǔ)存廢液電扱,7為磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液液滴,8為酸性鑰酸銨-酒石酸鋪鉀混合溶液液滴,9為抗壞血酸還原液液滴,10為第一次融合液滴,11為第二次融合液滴,12為反應(yīng)生成的磷鑰藍(lán)液滴;
圖7為較高濃度SiO42-分析過程示意圖(虛線箭頭表示液滴運(yùn)動(dòng)方向),其中,I為待測水樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱,2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱,3為控制液體移動(dòng)的電扱,4為混合反應(yīng)區(qū)域電極,5為檢測區(qū)域電極,6為儲(chǔ)存廢液電極,7為娃酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液液滴,8為酸性鑰酸銨溶液液滴,9為第一次融合液滴,10為反應(yīng)生成的硅鑰黃液滴;
圖8為較低濃度SiO42-分析過程示意圖(虛線箭頭表示液滴運(yùn)動(dòng)方向),其中,I為待測水樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱,2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱,3為控制液體移動(dòng)的電扱,4為混合反應(yīng)區(qū)域電極,5為檢測區(qū)域電極,6為儲(chǔ)存廢液電極,7為娃酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液液滴,8為酸性鑰酸銨溶液液滴,9為抗壞血酸還原液液滴,10為第一次融合液滴,11為第二次融合液滴,12為反應(yīng)生成的娃鑰藍(lán)液滴;
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)ー步的說明,但并不因此而限制本發(fā)明。實(shí)施例I
利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),構(gòu)型如圖I和圖2所示,配置亞硝酸鹽NO2-標(biāo)準(zhǔn)溶液IOOOmL,濃度為0. 10mg/L,50mL用于數(shù)字微流控芯片分析法,950mL用于分光光度法。NO2-數(shù)字微流控芯片分析過程如圖5所示,分別在標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣電極和不同分析溶液的進(jìn)樣電極處分別生成各溶液獨(dú)立液滴,亞硝酸鹽液滴運(yùn)行到磺胺液滴處,與其發(fā)生融合,進(jìn)行重氮化反應(yīng)過程,之后鹽酸萘こニ胺液滴運(yùn)行至融合液滴處,與其發(fā)生再次融合,在混合反應(yīng)區(qū)域電極處耦合生成紅色偶氮顏料液滴,然后輸運(yùn)至檢測區(qū)域電極處,CCD拍照,Image Pro軟件分析顏色灰度,與數(shù)字微流控芯片生成標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)照,計(jì)算NOf分析濃度,平行測定三次,測定后廢液運(yùn)行至儲(chǔ)存廢液電極。將所測濃度與分光光度法所得結(jié)果作比較,發(fā)現(xiàn)差異性不顯著0°>0. 05)。實(shí)施例2利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),構(gòu)型如圖I和圖2所示,配置磷酸鹽PO/—標(biāo)準(zhǔn)溶液IOOOmL,濃度為0. 10mg/L,50mL用于數(shù)字微流控芯片分析法,950mL用于分光光度法。PO/—數(shù)字微流控芯片分析過程如圖6所示,分別在標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣電極和不同分析溶液的進(jìn)樣電極處分別生成各溶液獨(dú)立液滴,PO43-液滴運(yùn)行到酸性鑰酸銨-酒石酸銻鉀混合溶液液滴處,與其發(fā)生融合反應(yīng)生成磷鑰黃,之后抗壞血酸液滴液滴運(yùn)行至融合液滴處,與其發(fā)生再次融合,在混合反應(yīng)區(qū)域電極處充分混合發(fā)生還原反應(yīng)生成磷鑰藍(lán)液滴,然后輸運(yùn)至檢測區(qū)域電極處,C⑶拍照,Image Pro軟件分析顔色灰度,與數(shù)字微流控芯片生成標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)照,計(jì)算P043_分析濃度,平行測定三次,測定后廢液運(yùn)行至儲(chǔ)存廢液電極。將所測濃度與分光光度法所得結(jié)果作比較,發(fā)現(xiàn)差異性不顯著0°>0. 05)。實(shí)施例3
利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),構(gòu)型如圖I和圖2所示,配置硅酸鹽SiO42-標(biāo)準(zhǔn)溶液IOOOmL,濃度為0. 15mg/L, 50mL用于數(shù)字微流控芯片分析法,950mL用于分光光度法。SiO42-數(shù)字微流控芯片分析過程如圖7所示,分別在標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣電極和不同 分析溶液的進(jìn)樣電極處分別生成各溶液獨(dú)立液滴,SiO42-液滴運(yùn)行到酸性鑰酸銨液滴處,與其發(fā)生融合,之后輸運(yùn)至混合反應(yīng)區(qū)域電極處充分混合發(fā)生反應(yīng)生成硅鑰黃,然后輸運(yùn)至檢測區(qū)域電極處,CCD拍照,Image Pro軟件分析顔色灰度,與數(shù)字微流控芯片生成標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)照,計(jì)算SiO42-分析濃度,平行測定三次,測定后廢液運(yùn)行至儲(chǔ)存廢液電極。將所測濃度與分光光度法所得結(jié)果作比較,發(fā)現(xiàn)差異性不顯著0°>0. 05)。實(shí)施例4
利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),構(gòu)型如圖I和圖2所示,配置亞硝酸鹽Si042_標(biāo)準(zhǔn)溶液IOOOmL,濃度為0. 05mg/L, 50mL用于數(shù)字微流控芯片分析法,950mL用于分光光度法。SiO42-數(shù)字微流控芯片分析過程如圖8所示,分別在標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣電極和不同分析溶液的進(jìn)樣電極處分別生成各溶液獨(dú)立液滴,SiO42-液滴運(yùn)行到酸性鑰酸銨液滴處,與其發(fā)生融合生成硅鑰黃,抗壞血酸液滴運(yùn)行至融合液滴處,與之發(fā)生再次融合,之后運(yùn)行至混合反應(yīng)區(qū)域電極處充分混合發(fā)生還原反應(yīng)生成硅鑰藍(lán)液滴,然后輸運(yùn)至檢測區(qū)域電極處,CCD拍照,Image Pro軟件分析顔色灰度,與數(shù)字微流控芯片生成標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)照,計(jì)算SiO42-分析濃度,平行測定三次,測定后廢液運(yùn)行至儲(chǔ)存廢液電極。將所測濃度與分光光度法所得結(jié)果作比較,發(fā)現(xiàn)差異性不顯著OdX). 05)。
權(quán)利要求
1.一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于該芯片系統(tǒng)由以下兩個(gè)單元構(gòu)成,第一個(gè)單元為用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片;第二個(gè)單元為用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備; 其中用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片由上、下兩層正方形芯片結(jié)構(gòu)構(gòu)成下層為數(shù)字控制層,具有電極陣列結(jié)構(gòu),其使用的電極材料為鉻,基底為玻璃;電極陣列上進(jìn)一步涂覆絕緣介電質(zhì)和疏水保護(hù)介質(zhì);上層為刻蝕有微通道的引導(dǎo)芯片層,其使用的材質(zhì)可能為玻璃、PMMA或者PDMS等材料中的一種。
2.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于芯片上下兩層的封接方式為玻璃-玻璃的熱鍵合封接、玻璃-PDMS的可逆或者不可以封接、玻璃-PMMA的不可逆封接中的一種。
3.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于所述用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備包括進(jìn)樣器單元、外圍電控單元和芯片檢測系統(tǒng);其中,進(jìn)樣器單元由外接蠕動(dòng)泵和聚四氟乙烯導(dǎo)管構(gòu)成;芯片檢測系統(tǒng)采用光學(xué)檢測。
4.按照權(quán)利要求I或3所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于標(biāo)準(zhǔn)溶液、分析溶液和水體樣品分別通過對(duì)應(yīng)進(jìn)樣器單元進(jìn)入數(shù)字微流控芯片,通過外圍電控單元對(duì)電極陣列程序加電,可以控制其對(duì)應(yīng)表面的親疏水特性,從而實(shí)現(xiàn)樣品和溶液液滴的移動(dòng)過程,控制液滴依次進(jìn)入混合反應(yīng)區(qū)、檢測區(qū)和廢液池,移動(dòng)過程在引導(dǎo)芯片層通道內(nèi)進(jìn)行。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于為了防止水體樣品對(duì)數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)的腐蝕破壞作用,在對(duì)應(yīng)進(jìn)樣器單元后端可添加過濾柱以除去微顆粒和微生物組分。
6.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于為了保護(hù)電極和微通道表面,在微通道中可加入油相起到潤滑作用,所使用的油相可以為氟碳油、礦物油、植物油或者硅油中的一種或者幾種。
7.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于可以在線生成標(biāo)準(zhǔn)曲線,并進(jìn)行多次相同水體樣品或者多個(gè)不同水體樣品的分析檢測。
8.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),其特征在于該方法不僅可以應(yīng)用于水體樣品中營養(yǎng)鹽測定,如無機(jī)磷、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮的測定,還可以用于其他基于顯色原理測定的化學(xué)要素,如重金屬和微量元素的分析檢測。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng),該系統(tǒng)將基于電潤濕原理的數(shù)字微流控技術(shù)和基于微流體控制的微通道微流控技術(shù)相結(jié)合,通過控制電極的加電順序來控制待測水樣的移動(dòng)、混合、反應(yīng)、檢測以及分析等步驟,并在微通道的引導(dǎo)下使其不會(huì)偏離電極所謂位置,增強(qiáng)了樣品的定位功能。同時(shí),通過在線的程序控制,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣分析和不同樣品的進(jìn)樣分析。該方法具有成本低、工作量小、自動(dòng)化程度高以及高通量快速分析等優(yōu)點(diǎn),適合用于水體營養(yǎng)鹽各個(gè)參數(shù)的在線分析。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102861623SQ20121036879
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者鄭國俠, 李雅杰, 王云華, 魏俊峰 申請(qǐng)人:大連大學(xué)