技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于釩鉬黃分光光度法測定海水中磷含量的光流控檢測器，屬于儀器分析領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國是海洋大國，擁有豐富的海洋資源，因此對(duì)于海洋中物質(zhì)的檢測是加強(qiáng)海洋資源監(jiān)控，開發(fā)和保護(hù)的重要手段。傳統(tǒng)海洋生化在線監(jiān)測設(shè)備采用離散瞬時(shí)采樣方式，其獲取的監(jiān)測結(jié)果代表性和時(shí)效性均不高，難以支撐海洋環(huán)境承載力監(jiān)測預(yù)警和總量控制等管理需求。光流控技術(shù)將微液流控制與光電檢測結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可克服傳統(tǒng)設(shè)備在尺寸、成本、大量平行樣品處理、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測等方面的不足，在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

磷酸鹽是海洋浮游植物生長所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，測定海水中磷酸鹽的分布對(duì)于理解地球化學(xué)循環(huán)，預(yù)測藻華災(zāi)害等都具有重要意義。目前我國海洋磷酸鹽主要采用現(xiàn)場采樣實(shí)驗(yàn)室分析為主，儀器設(shè)備存在尺寸大、耗能高等不足，其獲取的檢測結(jié)果代表性和時(shí)效性均不高，難以支撐海洋環(huán)境承載力監(jiān)測預(yù)警和總量控制等管理需求。光流控技術(shù)是一種在微納米尺度上，精確控制和操作微流體的技術(shù)，通過將液流控制與光電檢測結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可克服傳統(tǒng)設(shè)備在尺寸、成本、大量平行樣品處理、實(shí)時(shí)監(jiān)測等方面的不足。目前國內(nèi)外已有相關(guān)研究的報(bào)道，如Legiret等（2013）發(fā)表了使用釩鉬黃分光光度法的微流控分析儀，磷酸鹽測定范圍在0.1-60 μM，精密度達(dá)到13.6% (0.4μM時(shí))，上海東華大學(xué)的席永清與加拿大合作研制了測定硝酸鹽和亞硝酸鹽離心微流控裝置，硝酸鹽和亞硝酸鹽檢出限分別可以到0.05 mg/L -0.16 mg/L。本發(fā)明以光流控芯片技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)采用釩鉬黃分光光度法，開發(fā)適用于海水磷酸鹽的光流控檢測器

分光光度分析方法以其簡單有效、高靈敏性和準(zhǔn)確度、高再現(xiàn)性被廣泛應(yīng)用于傳感器研制和海水監(jiān)測中。因此，將分光光度分析方法與微流控結(jié)合，利用光流控技術(shù)研制高度集成化海洋磷酸鹽傳感芯片具有重要的研究價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)于海水中快速進(jìn)行磷酸鹽濃度檢測的要求，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供了一種基于釩鉬黃分光光度法測定海水中磷含量的光流控檢測器。

本發(fā)明主要由三個(gè)模塊組成，如圖1所示，三個(gè)模塊分別是液體混合模塊，光電檢測模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

液體混合模塊的主體部分是串聯(lián)的多段彎折的微流溝道，它有三個(gè)入口和一個(gè)出口，三個(gè)入口分別引入待測液、指示劑和超純水，引入待測液的入口安裝有過濾器，出口是所有液體的出口；

光電檢測模塊由光纖激光器，光電傳感器和毛細(xì)比色管組成，毛細(xì)比色管的入口與液體混合模塊的出口相連接，毛細(xì)比色管的出口與廢液池連接，所述光纖激光器和廣電傳感器分別處在毛細(xì)比色管的兩端；

數(shù)據(jù)分析模塊是一臺(tái)光譜儀，它可以記錄光電傳感器感應(yīng)到的光強(qiáng)度，然后與激光標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度進(jìn)行比對(duì)得到吸光度的值。

液體混合模塊中，待測液由入口被微流泵引入微流溝道，當(dāng)待測液為海水樣本時(shí)，入口前需要加裝高分子膜過濾器，指示劑由入口被微流泵引入混合器，另一個(gè)入口用來引入超純水清潔溝道，入口溝道寬度為150μm，液體泵入速度為30μl/min。多段彎折的微流溝道的每段長度為5mm，寬度為300μm，待測液與指示劑可以在混合器中充分混合，發(fā)生顯色反應(yīng)。

待測液和指示劑在液體混合模塊中被充分混合發(fā)生反應(yīng)后，被引入光電檢測模塊的毛細(xì)比色管。比色管內(nèi)半徑為1mm，長度為8mm。所述光纖激光器可以發(fā)出接近吸收峰波長（385nm）的激光，經(jīng)過比色管之后被光電傳感器接收到，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

本發(fā)明所描述的待測液是指含有磷酸根離子的水溶液，可以是海水樣本，也可以是實(shí)驗(yàn)室配置的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)液。本發(fā)明所描述的指示劑是釩鉬酸銨指示劑。

本發(fā)明中所使用的光流控液體混合模塊，其制作技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)紫外光刻技術(shù)。液體混合模塊芯片是由有機(jī)材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，簡稱PDMS）制成。先根據(jù)設(shè)計(jì)軟件畫好的圖形制作掩模版，然后通過紫外光刻技術(shù)，將圖形顯影于PDMS模具上。再在PDMS模具上澆注未凝固的PDMS，在75攝氏度的溫度下熱烘1小時(shí)即可凝固，得到PDMS芯片的半成品。經(jīng)過切割以及通過等離子火焰加工與載玻片粘合便得到了本發(fā)明所需要的光流控液體混合模塊。毛細(xì)比色管是由石英玻璃制成。

本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于使用釩鉬黃分光光度法在微流溝道中實(shí)現(xiàn)了對(duì)于海水中的磷酸鹽含量的實(shí)時(shí)檢測，并且創(chuàng)新性的將檢測系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)，以便于其中任意一個(gè)模塊損壞之后可以快速更換迅速恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的功能，顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的易用性和可維護(hù)性。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

1-入口1，2-入口2，3-入口3，4-過濾器，5-微流溝道，6-出口，7-導(dǎo)管，8-光纖激光器，9-毛細(xì)比色管，10-光電感應(yīng)器，11-連接線，12-光譜儀，13-廢液池。

圖2 為本發(fā)明液體混合模塊液體混合效果圖；

圖3 為數(shù)據(jù)分析模塊中光譜儀檢測到的指示劑與待測液發(fā)生顯色反應(yīng)后激光入射與出射的光譜；

圖4 為利用該檢測器測得的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)液濃度與吸光度的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明中所使用的光流控液體混合模塊，其制作技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)紫外光刻技術(shù)。先根據(jù)設(shè)計(jì)軟件畫好的圖形制作掩模版，然后通過紫外光刻技術(shù)，將圖形顯影于PDMS模具上。再在PDMS模具上澆注未凝固的PDMS，在75攝氏度的溫度下熱烘1小時(shí)即可凝固，得到PDMS芯片的半成品。經(jīng)過切割以及通過等離子火焰加工與載玻片粘合便得到了本發(fā)明所需要的光流控液體混合模塊。

本發(fā)明所述的釩鉬酸銨指示劑的配置方法是:稱取偏釩酸銨0.2g, 加硝酸250mL溶解。另取鉬酸銨4 g加蒸餾水400mL溶解, 冷卻后將此溶液倒入上述溶液, 加蒸餾水稀釋至1 000mL, 避光保存。如生成沉淀, 則不能使用。

在利用本發(fā)明進(jìn)行對(duì)水中的磷酸鹽含量檢測的時(shí)候，步驟如下：

1.先從入口將超純水泵入芯片中，流速為30μl/min，持續(xù)1min，對(duì)溝道進(jìn)行清潔，同時(shí)也可以作為參考背景，啟動(dòng)光電檢測模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，記錄下此時(shí)光電感應(yīng)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)。

2.在清洗結(jié)束后先從入口將指示劑泵入混合器，流速為30μl/min，然后從入口處將過濾后的待測液（尤其是針對(duì)海水樣本）泵入混合器，流速也是30μl/min，持續(xù)2min，以使待測液與指示劑充分混合反應(yīng)。

3.再次記錄光強(qiáng)信號(hào)，并與第一步時(shí)的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行比較相減得到吸光度的值。利用朗伯比爾定律定量計(jì)算出磷酸鹽的濃度。也可以采用先繪制磷酸根標(biāo)準(zhǔn)液與吸光度曲線表的方法，通過查詢表格和曲線得到待測溶液的磷酸根濃度。

本發(fā)明方法通過在微流溝道中使磷酸根離子與鉬酸鹽和偏釩酸鹽在酸性環(huán)境中發(fā)生顯色反應(yīng)，生成穩(wěn)定的黃色化合物三元雜多酸釩鉬磷酸，該生成物在酸性環(huán)境中性質(zhì)穩(wěn)定，在385nm附近有較強(qiáng)的吸收峰，便于使用分光光度法進(jìn)行分析，其摩爾吸光系數(shù)為3.6×10³mol^-1cm^-1。根據(jù)朗伯比爾定律，光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，在光程上每等厚層介質(zhì)吸收相同比例值的光，因此在稀溶液中（濃度小于0.01mol/L）吸光度可以用來定量計(jì)算溶液中的磷酸鹽濃度。該方法具有選擇性好、靈敏度高、精確、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又結(jié)合了微流控芯片的微米級(jí)檢測精密結(jié)構(gòu)，因而能大大降低設(shè)備的尺寸和能耗，使用微量的試劑消耗（微升，納升）進(jìn)行快速的磷酸鹽檢測。