专利名称：用于比色法检测的容积可变微流控芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于环境检测技术领域，具体涉及一种采用比色法原理 测定水中多种成分 的微流控芯片，主要应用于环境监测、水质监测、科研、教学等多个领域。
背景技术：
比色法是广泛应用的传统化学分析方法，可以测定水中溶解氧(DO)、生物化学需 氧量(B0D52°)、臭氧、余氯、二氧化氯(ClO2)以及水中有机物和无机物还原性物质(如s2_、 S032-、S2O32-、Sn2+等)、总磷、总氮的测定。水中溶解氧测定原理是利用碘的氧化还原特性，通过碘自身的黄色或加入淀粉作 为指示剂进行比色测定。传统碘量法测定水中溶解氧原理是在水样中加入硫酸锰和碱性碘 化钾，生成氢氧化锰沉淀。此时氢氧化锰性质极不稳定，迅速与水中溶解氧化合生成锰酸 猛4MnS04+8Na0H = 4Mn (OH) 2 丨 +4Na2S04 (1)2Mn (OH) 2+02 = 2H2Mn03 I(2)2H2Mn03+2Mn (OH) 3 = 2MnMn03 丨 +4H20 (3)加入浓硫酸使已化合的溶解氧(以MnMnO3的形式存在)与溶液中所加入的碘化 钾发生反应而析出碘12。因为固体碘12在水中的溶解度很小(0.0013mol/L)，但I2易溶于 KI溶液中，这时I2在KI溶液中以13_形式存在。为方便起见，一般简写成I2 4KI+2H2S04 = 4HI+2K2S04(4)2MnMn03+4H2S04+HI = 4MnS04+2I2+6H20 (5)定量释放出的12，以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠Na2S2O3标准溶液滴定至蓝色消 失为滴定终点。根据硫代硫酸钠Na2S2O3标准溶液的用量，间接求出水中氧化性物质的含量。总磷是水体富营养化的限制性因子，常用的总磷测定方法有磷钼蓝分光光度法、 氯化亚锡还原光度法等。总氮测定总氮包括溶液中所有含氮化合物，即亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机盐氮、 溶解态氮及大部分有机含氮化合物中的氮的总和。总氮中对人体危害最大的是亚硝酸盐 氮，当水中的亚硝酸盐氮过高，饮用此水将和蛋白质结合形成亚硝胺，是一种强致癌物质， 长期饮用对身体极为不利。而且氨氮在厌氧条件下，也会转化为亚硝酸盐；饮用水中硝酸盐 氮在人体内经硝酸还原菌作用后被还原为亚硝酸盐氮，毒性将扩大为硝酸盐毒性的11倍， 主要影响血红蛋白携带氧的能力，使人体出现窒息现象。总氮还是水体富营养化的主要指 标。掌握总氮排放量、分布状况以及主要来源，对控制水体富营养化、改善水质具有十分重 要的意义，是衡量水质的重要指标之一。目前基于比色原理检测总氮的方法有很多种，常用的国标法碱性过硫酸钾-紫外 分光光度法测定水体中总氮(GB11894-89)是将水样用过硫酸钾氧化，大部分有机氮化合 物及氨氮、亚硝酸盐氮全部氧化成硝酸盐。硝酸根离子在紫外线波长220nm有特征性吸收， 而在275nm波长则基本没有吸收值。因此，可分别于220和275nm处测出吸光度。
反应式如下K2S208+H20 — 2KHS04+
分解出的原子态氧在120-140°C高压水蒸气条件下可将大部分有机氮华合物及氨 氮、亚硝酸盐氮氧化成硝酸盐。以CO(NH2)2代表可溶有机氮合物，各形态氮氧化示意式如 下CO (NH2) 2+2Ha0H+8
— 2NaN03+3H20+C02(NH4) 2S04+4Na0H+8
— NaN03+Na2S04+6H20NaN02+
— NaN03硝酸根离子在紫外线波长220nm有特征性吸收，而在275nm波长则基本没有吸收 值。因此，可分别于220和275nm处测出吸光度。A220及A275按下式求出校正吸光度A A = A220-2A275按A的值扣除空白后用校准曲线计算总氮(以N03-N计)含量。从以上的例子可以看出，传统的比色法是一种纯化学检测方法，耗时长，程序繁 琐，这些方法或操作步骤冗长繁琐，或试剂配制工作量较大，其中有些需现用现配，或需绘 制校准曲线，或干扰因素较多，或需要使用较昂贵的仪器，而且对操作人员专业技能要求 高，只能在实验室完成，无法满足在线测量的要求，如野外现场测试、突发性污染事故的现 场监测等。本发明采用MEMS技术设计、制备微流控芯片，实现全自动加液控制，将繁琐的加 液滴定程序全部实现自动化操作。通过光电检测指示剂的颜色变化，不需要反滴定操作，大 大提高了检测灵敏度和检出限(检出限可达ppb级)，用样量少、检测时间大大缩短，造价低 廉，可以实现实时在线测量。对于水中溶解氧变化范围很大的样品，可以根据仪器初测水中 溶解氧的大致含量，通过仪器自动选用不同浓度的反应试剂和加样量，从而实现精确测量。 可用于各种环境水中多项指标的快速检测，特别适用于突发污染事故应急监测及野外现场 测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测灵敏度高，检测时间短，造价低廉，可以实现实时 在线测量的微流控芯片。本发明提供的微流控芯片，其材料采用硅、石英、玻璃或塑料，如聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、硅胶如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。样品可以从不同的通道(适 用于二通微阀)或单个通道(适用于三通微阀)进入反应池，微流控芯片基座上装有涡旋 器和/或在通道外连接循环泵，以使反应池内液体充分混合，反应均勻。本发明的微流控芯片结构具有2-6个进出样通道，每个进出样孔通过通道与反应 池3相连，在最靠近反应池3的通道处设有微阀2，以使靠近反应池3的通道内不保留任何 液体；反应池3具有弹性，容许5%的加液过量。在进样孔1与反应池3的同一平面上下具 有LED或其他光源4和光电池5作为光信号检测。放置微流控芯片的基座上装有涡旋器6 和温度控制器7。本发明中，微阀2是两通的，或是三通的，其中一通作为加样废液放空用，实现一 个通道进多种样品/试剂的功能。所述反应池3的主体材料为硅、石英、玻璃或塑料，反应池内表面是修饰或未修饰的。 反应池3上下表面用聚氨酯膜或硅橡胶膜制成，具有弹性，与反应池3主体材料形 成封闭的密封腔。在芯片外部将任意两个进样通道或出样通道1连为回路，并加循环泵，使反应池3 内液体旋转混合并反应完全。本发明的工作过程为进样前清洗反应池3，进纯水样品使光电比色调零。排空反应池3，并使反应池3 上下薄膜处于负压状态。通过进出样通道1加入定量样品，再加入非定量的反应液/指示 齐U，本发明设计容许加液过量而不会导致反应池3内的压力增加。充分混合并通过LED和 光电检测器监视反应进程，当反应稳定后，将光电检测器的读数作为最终测量结果，并转换 为浓度值显示。对于水中溶解氧变化范围很大的样品，可以根据仪器初测水中溶解氧的大 致含量，通过仪器自动选用不同浓度的反应试剂和加样量，从而实现精确测量。
图1 本发明结构平面示意图。图2 本发明结构立体图。图3 本发明样品池进样前状态(A)、进样加液适量状态(B)和超量进样加液状态 (C)示意图。图中标号1.进出样通道，2.微阀，3.反应池，4.LED，5.光电池，6.涡旋器，7.温 度控制器。
具体实施例方式具体制作结构参见图1。开机后启动控温器7，清洗反应池3，进纯水样品使光电比 色调零。排空反应池3，并使反应池3上下薄膜处于负压状态。通过进出样通道1加入定量 样品，再加入非定量的反应液/指示剂，本发明设计容许加液过量而不会导致反应池3内的 压力增加。充分混合并通过LED或其他光源和光电检测器监视反应进程，当反应稳定后，将 光电检测器的读数作为最终测量结果，并转换为浓度值显示。本发明采用微流控芯片来实现快速、微量检测水中溶解氧、总磷、总氮、总氯等指 标的含量，实验装置简单、试剂及用样量均小、检测快速、灵敏度高，通过更换不同的反应试 剂和指示剂，本发明的微流控芯片可以用于各种基于比色原理的检测方法，如溶解氧检测、 水体中总磷检测、水体中总氮检测，本芯片并不限于这几种检测方法，从原理上，任何基于 比色原理的检测方法，都可以在本发明的芯片上实现。示例一碘量法测定水中溶解氧(Winkler法) 1.传统碘量法传统碘量法原理是在水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾，生成氢氧化锰沉淀。此时 氢氧化锰性质极不稳定，迅速与水中溶解氧化合生成锰酸锰。加入浓硫酸使已化合的溶解 氧(以MnMnO3的形式存在)与溶液中所加入的碘化钾发生反应而析出碘12。因为固体碘I2 在水中的溶解度很小(0. 0013mol/L)，但I2易溶于KI溶液中，这时I2在KI溶液中以13_形 式存在。定量释放出的12，以淀粉为指示剂，用硫代硫酸钠Na2S2O3S准溶液滴定至蓝色消失为滴定终点。根据硫代硫酸钠Na2S2O3标准溶液的用量，间接求出水中氧化性物质的含量。 化学方程式为2Na2S203+I2 = Na2S406+4NaI水中溶解氧含量(DO)可按下式计算<formula>formula see original document page 6</formula>式中V为Na2S2O3溶液的用量(mL)，c为Na2S2O3的浓度(mol/L)，V水为滴定时所 取水样体积(HlL)。碘量法还可以测定水中的S2_、As3+、As203、S2032_、Sn2+等还原物质以及生物化学需 氧量(2°5B0D)、水中臭氧O3、饮用水中的余氯等。操作步骤向反应池3中进样，然后注入硫酸锰和碱性碘化钾溶液，混勻，再注入浓硫酸，和 淀粉，测量700nm黄光LED测量吸光度，也可用硫代硫酸钠Na2S2O3标准溶液反滴定，以吸光 度最小时的注入的硫代硫酸钠Na2S2O3标准溶液来换算水中溶解氧含量。2.改进的 Winkler 法改进的Winkler法试剂为氯化锰和碱性碘化钾试剂，硫酸溶解沉淀后直接通过 LED检测反应所释放出的碘。D0(mg02/L) = kXd/V 水(8)式中k为比例常数，由仪器校正时确定，d为吸光值，为水样加样体积(mL)。改进的Winkler法测定水中溶解氧，步骤少，与检测试剂的浓度和加样量基本不 相关。步骤向反应池3中进样，然后注入硫酸锰和碱性碘化钾溶液，混勻，再注入浓硫酸，用 420nm波长的蓝光LED测量吸光度。示例二 水体中总磷检测1.磷钼蓝法向反应池3中进样，然后注入钼酸铵_硫酸溶液，混勻后注入酒石酸锑钾_硫酸 钠_抗坏血酸混合溶液，混勻后，用700nm黄光LED测量吸光度。2.钼酸盐_钒酸盐溶液黄色络合物比色测定法向反应池(3)中进样，然后注入钼酸_钒酸铵溶液，混勻后，用420nm波长的蓝光 LED测量吸光度。磷吸光值=样品吸光值_消煮空白液吸光值注环境水样需先进行高温高压或紫外消解后测试。示例三水体中总氮检测1.国标方法(碱性过硫酸钾_紫外分光光度法)水样经过硫酸钾一高温高压热氧化或紫外光氧化、二氧化钛光催化氧化或超 声_臭氧氧化后，注入氢氧化纳溶液或硫酸溶液调节至PH5-9后注入反应池3，然后注入过 硫酸钾溶液，混勻，冷却后注盐酸，混勻后分别用波长为220nm和275nm的紫外光测量吸光度。由A = A220-2A275计算得试样吸光度并扣除空白吸光度获校正后的吸光度，用校准 曲线算出相应的总氮含量。
注(1)溶解性有机物对紫外光有较强的吸收，虽使用了双波长测定扣除法以校正，但不同样品其干扰强度和特性不同，“2A275 ”校正值仅是经验性的，有机物中氮未能完全转化 为NO3-N对测定结果有影响也使“2A275”值带有不确定性。样品消化完全者，A275值接近于 空白值。(2)溶液中许多阳离子和阴离子对紫外光都有一定的吸收，其中碘离子相对总氮 含量的2. 2倍以上，溴离子相对于总氮含量的3. 4倍以上有干扰。(3)样品在于处理时要防止空气中可溶性含氮化合物的污染，检测室应避开氨或 硝酸等挥发性化合物。(4)在水样采集后立即放入冰箱中或低于4°C下保存，但不得超过24小时。水样 放置时间较长时，可在IOOOml水中加入约0. 5ml硫酸(P=l. 84g/ml)，酸化到pH = 2，并 尽快测定。2.硫酸胼还原法向反应池3中注入水样，注入铜锌溶液和硫酸胼溶液，静置。注入对氧基苯磺酸铵 溶液，静置，再注入N-I-萘-2-二胺溶液，混勻，静置后用波长为540nm LED测量吸光度。注碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定水体中总氮是国标方法(GB11894-89)， 消解过程中样品中NH4+-N易以氨气形式逸出，使测试的准确性、稳定性及重现性降低。消解 不彻底、氧化剂分解不彻底都会影响吸光度的测定；双波长测定重现性差。还可以利用超声空化效应协同臭氧氧化作为水样消解手段，常温常压下使水样中 有机氮和无机氮转化为硝酸盐，使水样中各种磷酸盐转化为正磷酸盐，再通过紫外可见光 检测系统测量水体中硝酸盐和正磷酸盐得出水体中总氮和总磷的方法。
权利要求
用于比色法检测的容积可变微流控芯片，其特征在于，该芯片的结构具有2-6个进出样通道，每个进出样孔通过通道与反应池(3)相连，在最靠近反应池(3)的通道处设有微阀(2)；反应池(3)的上下表面具有弹性，向样品加入反应液时，容许加液过量而不会导致反应池(3)内的压力增加；在进样通道(1)与反应池(3)的同一平面上装有光源(4)和光电检测器(5)作为光信号检测；放置微流控芯片的基座上装有涡旋器(6)和温度控制器(7)。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于微阀(2)紧靠近反应池(3)，通道 内不保留未反应的液体。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于微阀(2)是两通的，或是三通的， 其中一通作为加样废液放空用，实现一个通道进多种样品/试剂的功能。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于所述反应池(3)的主体材料为硅、 石英、玻璃或塑料，反应池内表面是修饰或未修饰的。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于反应池(3)上下表面用聚氨酯膜 或硅橡胶膜制成，具有弹性，与反应池(3)主体材料形成封闭的密封腔。
6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于在芯片外部将任意两个进样通道 或出样通道(1)连为回路，并加循环泵，使反应池(3)内液体旋转混合并反应完全。
全文摘要
本发明属于环境及水质监测技术领域，具体为一种用于比色法检测的容积可变微流控芯片。本发明通过可变体积的微流控芯片以及周边的泵阀，将繁琐的加液程序全部实现自动操作，通过光电检测器来检测反应物或指示剂的颜色变化，大大提高检测灵敏度和检出限，用样量少、检测时间短，实现实时在线测量。可用于水中溶解氧、生物化学需氧量、总磷、总氮、臭氧、余氯、有机物、重金属元素等多种指标的测定，特别适用于突发污染事故应急监测及野外现场测试。
文档编号G01N21/79GK101806715SQ20101016235
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者隋国栋, 鲍军波 申请人:复旦大学