基于微流控-環(huán)流分析的高精度原位海水pH分析系統(tǒng)和分析方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于微流控-環(huán)流分析的高精度原位海水pH分析系統(tǒng)和分析方法，所述分析系統(tǒng)包括具有環(huán)流混合結(jié)構(gòu)的微流控芯片、過濾頭、海水管路、指示劑袋、指示劑管路、排廢管路、高亮白光LED燈、光纖和光譜儀。本發(fā)明采用微流控芯片技術(shù)，可在芯片上完成樣品的定量混合與檢測，減小了儀器體積，節(jié)約了試劑用量，體系集成度高，適合原位測定；芯片具有環(huán)流混合結(jié)構(gòu)，海水和指示劑通過芯片通道定量后，兩個定量通道形成一個閉合環(huán)路，由壓電泵驅(qū)動海水和指示劑在環(huán)路中流動混合，實現(xiàn)兩者的恒定比例完全混合。本發(fā)明提高了測量系統(tǒng)的精密度，同時免去了實驗室內(nèi)對指示劑干擾校正的操作步驟，節(jié)省了人力物力。
【專利說明】基于微流控-環(huán)流分析的高精度原位海水pH分析系統(tǒng)和分 析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海水化學(xué)分析領(lǐng)域，涉及基于微流控-環(huán)流分析的高精度原位海水pH 分析系統(tǒng)和分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 獲取高精度的海水pH值結(jié)果，是研究海洋酸化和碳循環(huán)的前提條件。光度法的基 本原理是通過檢測海水和指示劑的混合溶液的吸光度來計算海水的pH值，該方法測量精 密度可達到0. 001，并且結(jié)構(gòu)簡單，無需校正，能夠?qū)崿F(xiàn)海水pH的高精度檢測。
[0003] 基于光度法科研人員已經(jīng)研發(fā)了一系列船載或原位高精度pH分析儀，但大多數(shù) 處于實驗室研發(fā)階段，只有蒙大拿大學(xué)研發(fā)的SAMI高精度pH原位傳感器實現(xiàn)了商品化。究 其原因，主要是測量系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大、功耗較高導(dǎo)致的。大部分儀器水路系統(tǒng) 采用流動注射方法，導(dǎo)致海水和指示劑的混合比例不恒定，儀器穩(wěn)定性較差。
[0004] 微流控技術(shù)由于其高效、試劑用量少、低成本和高集成度等優(yōu)點，已經(jīng)在海水污染 物監(jiān)測領(lǐng)域展示了良好的應(yīng)用前景，并能夠滿足分析儀器便攜、微型的發(fā)展方向。通過在 微流控芯片上設(shè)計合理的流路結(jié)構(gòu)，配合目前普遍使用的外置微型泵閥體系，可實現(xiàn)試劑 的恒定比例完全混合，同時微流控技術(shù)試劑用量少，結(jié)構(gòu)簡單，適用于海洋原位傳感器。另 夕卜，測量的準確度與指示劑的各項參數(shù)是否準確有關(guān)，然而指示劑需經(jīng)過純化才能避免系 統(tǒng)誤差。目前已有純化后的間甲酚紫和甲酚紅的各項參數(shù)發(fā)表。間甲酚紫的pH測量范圍 (7. 4-9. 0)與海水的pH變化范圍（7. 5-8. 5)相符，是適宜的測量海水pH的指示劑。因此， 利用微流控技術(shù)，可以實現(xiàn)海水pH的原位高精度測量，并進一步提高測量的精密度與準確 度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了基于微流控-環(huán)流分析的精度可達 0.001的原位海水pH分析系統(tǒng)和分析方法。本發(fā)明所述分析裝置使用純化后的間甲酚紫 做指示劑溶液，在微流控芯片中采用環(huán)流結(jié)構(gòu)，通過芯片上微通道的長度來決定液體的體 積，定量通道閉合成一個環(huán)路后，海水樣品與間甲酚紫指示劑會在環(huán)路中以恒定比例完全 混合。該分析系統(tǒng)能夠提高測量的精密度與準確度，集成度高、試劑用量小，可方便的應(yīng)用 于原位傳感器。
[0006] 為了達到上述技術(shù)問題的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] 基于微流控-環(huán)流分析的高精度原位海水pH分析系統(tǒng)，所述分析系統(tǒng)包括具有環(huán) 流混合結(jié)構(gòu)的微流控芯片、過濾頭、海水管路、指不劑袋、指不劑管路、排廢管路、1?殼白光 LED燈、光纖和光譜儀，所述微流控芯片上設(shè)有多個形成液體環(huán)路的芯片通道，所述過濾頭 和芯片通道之間通過所述海水管路連通，所述指示劑袋和芯片通道之間通過所述指示劑管 路連接，所述芯片通道上設(shè)有多個控制芯片通道關(guān)閉的微型電磁閥，所述芯片通道上還設(shè) 有微型壓電泵、流通池和儲液通道，所述微流控芯片上還設(shè)有排廢管路，所述流通池的兩端 分別通過光纖連接有高亮白光LED燈和光譜儀。
[0008] 對上述技術(shù)方案的進一步改進，所述過濾頭的孔徑< 10 μ m ;所述海水管路、指示 劑管路和排廢管路內(nèi)徑為〇. 5-1_，外徑為1-2_。
[0009] 對上述技術(shù)方案的進一步改進，所述芯片通道和儲液通道的通道內(nèi)徑為 100-500 μ m，流通池內(nèi)徑為500-1000 μ m，流通池長度為10-50mm。
[0010] 對上述技術(shù)方案的進一步改進，所述指示劑為經(jīng)高效液相色譜純化后的間甲酚紫 溶液。
[0011] 本發(fā)明還提供了利用所述分析系統(tǒng)的高精度原位海水pH分析方法，它包括以下 步驟：
[0012] 1)打開閥（3)、閥（17)和微型壓電泵（1)，關(guān)閉其他泵和閥，使過濾后的海水樣品 進入芯片通道進行清洗并充滿定量通道（L1)，多余的海水樣品經(jīng)排廢管路（F)流出，關(guān)閉 微型壓電泵⑴，開啟高亮白光LED燈（G)，光譜儀（J)檢測在434nm、487nm、578nm和730nm 波長下流通池（I)內(nèi)的空白海水光強；
[0013] 打開閥（6)和微量注射泵（2)，關(guān)閉其他泵和閥，將一定量指示劑抽取至微量注射 泵⑵中，打開閥（5)、（15)、（16)和（17)，開啟微量注射泵（2)，關(guān)閉其他泵和閥，使指示劑 進入芯片通道進行清洗并充滿定量通道（L6)，多余的指示劑經(jīng)排廢管路（F)流出；
[0014] 打開閥（4)、（15)和（16)，關(guān)閉其他泵閥，將（L1)和（L6)連接成一個定量環(huán)路，開 啟微型壓電泵（1)使海水和指示劑在環(huán)路中流動混合，混合完畢后關(guān)閉微型壓電泵（1)，開 啟高亮白光LED燈（G)，光譜儀（J)檢測在434nm、487nm、578nm和730nm波長下流通池（I) 內(nèi)的指示劑和海水混合溶液光強；
[0015] 以空白海水光強為L，海水和指示劑混合溶液的光強為I，吸光度計算公式為A =-log (1/1。)，海水pH的計算公式為：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 基于微流控-環(huán)流分析的高精度原位海水pH分析系統(tǒng)，其特征在于所述分析系統(tǒng)包 括具有環(huán)流混合結(jié)構(gòu)的微流控芯片、過濾頭、海水管路、指示劑袋、指示劑管路、排廢管路、 高亮白光LED燈、光纖和光譜儀，所述微流控芯片上設(shè)有多個形成液體環(huán)路的芯片通道，所 述過濾頭和芯片通道之間通過所述海水管路連通，所述指示劑袋和芯片通道之間通過所述 指示劑管路連接，所述芯片通道上設(shè)有多個控制芯片通道開關(guān)的微型電磁閥，所述芯片通 道上還設(shè)有微型壓電泵、流通池和儲液通道，所述微流控芯片上還設(shè)有排廢管路，所述流通 池的兩端分別通過光纖連接有高亮白光LED燈和光譜儀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度原位海水pH分析系統(tǒng)，其特征在于，所述過濾頭的孔 徑< ΙΟμπι;所述海水管路、指示劑管路和排廢管路內(nèi)徑為0. 5-lmm，外徑為l-2mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度原位海水pH分析系統(tǒng)，其特征在于，所述芯片通道和 儲液通道的通道內(nèi)徑為100-500 μ m，流通池內(nèi)徑為500-1000 μ m，流通池長度為10-50mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度原位海水pH分析系統(tǒng)，其特征在于，所述指示劑為經(jīng) 高效液相色譜純化后的間甲酚紫溶液。
5. 利用權(quán)利要求1所述分析系統(tǒng)的高精度原位海水pH分析方法，其特征在于它包括以 下步驟： 1)打開閥（3)、閥（17)和微型壓電泵（1)，關(guān)閉其他泵和閥，使過濾后的海水樣品進入 芯片通道進行清洗并充滿定量通道（L1)，多余的海水樣品經(jīng)排廢管路（F)流出，關(guān)閉微型 壓電泵（1)，開啟高亮白光LED燈（G)，光譜儀（J)檢測在434nm、487nm、578nm和730nm波 長下流通池（I)內(nèi)的空白海水光強； 打開閥（6)和微量注射泵（2)，關(guān)閉其他泵和閥，將一定量指示劑抽取至微量注射泵 ⑵中，打開閥（5)、（15)、（16)和（17)，開啟微量注射泵（2)，關(guān)閉其他泵和閥，使指示劑進 入芯片通道進行清洗并充滿定量通道（L6)，多余的指示劑經(jīng)排廢管路（F)流出； 打開閥（4)、（15)和（16)，關(guān)閉其他泵閥，將（L1)和（L6)連接成一個定量環(huán)路，開啟 微型壓電泵（1)使海水和指示劑在環(huán)路中流動混合，混合完畢后關(guān)閉微型壓電泵（1)，開 啟高亮白光LED燈（G)，光譜儀（J)檢測在434nm、487nm、578nm和730nm波長下流通池（I) 內(nèi)的指示劑和海水混合溶液光強； 以空白海水光強為L，海水和指示劑混合溶液的光強為I，吸光度計算公式為A =-log (1/1。)，海水pH的計算公式為：
其中K2為指示劑二級解離常數(shù)，R為吸光度比值，ei，e2, e3為指示劑不同形態(tài)在不同波 長的摩爾吸光系數(shù)的比值：
^和λ2為指示劑在酸態(tài)和堿態(tài)的最大吸收波長，λ2Α和λ，為在λ2、波長下 測定的樣品的吸光度，Xlb-和為I2在λ i和λ 2波長時的吸光系數(shù)，和Χ2εΗ1-為 ΗΓ在\1和λ2時的吸光系數(shù)； 2) 按照步驟1)中方法，分別檢測通道（L1)與（L5)，（L1)與（L4)，（L1)與（L3)，（LI) 與（L2)組成的環(huán)路中該海水樣品與指示劑的混合溶液在波長434nm、487nm、578nm和730nm 下的吸光度，并分別計算五組環(huán)路中海水pH值； 3) 以五組環(huán)路中溶液在487nm下的吸光度為X，pH值為y，兩者擬合后得到直線y = ax+b，當(dāng)X = 0時得到的y值，便是測得的去除指示劑干擾的海水pH值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度原位海水pH分析方法，其特征在于，所述指示劑為濃 度0. 5-10mm〇l/L、pH值7. 5-7. 9的純化后的間甲酚紫溶液。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高精度原位海水pH分析方法，其特征在于，所述海水樣品和 指示劑混合溶液的吸光度精度需達到0.001，在434、48711111和57811111波長下的吸光度值控制 在0.2-1. 0之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高精度原位海水pH分析方法，其特征在于，所述微型壓電泵 和微型注射泵的流速為50-500 μ 1/min。
【文檔編號】G01N21/31GK104122217SQ201410368144
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】曹璐, 馬然, 張述偉, 程巖, 褚東志, 郭翠蓮, 孔祥峰, 吳寧, 吳丙偉, 劉東彥, 曹煊, 高楊, 王昭玉, 范萍萍, 呂婧, 張穎穎, 張國華, 劉巖 申請人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所