农药检测纸质微流控系统设计与试验研究

摘要

农药检测已经成为食品安全管理过程中一个极其重要的环节。目前国内外酶抑制农药检测的具体手段普遍存在操作步骤繁琐、自动化程度低的问题。针对这一问题，本文设计了一套农药检测纸质微流控系统，并且对纸质被动式农药微混合器混合性能展开研究。主要的研究内容和结论如下：
　　（1）研究了纸芯片上微流体流动与混合原理，对微流体流动的典型问题和微流体混合的两种机理展开讨论。在切割法的基础上寻找出了一种新型纸质微流控芯片制作技术。通过实验研究法，研究了纸质被动式农药微混合器的混合特性。研究发现直线型微混合器的最优参数为V=0.01ml/min、α=30°，Z型微混合器的最优参数为 V=0.01ml/min、S=3mm、θ=30°，方波型微混合器的最优参数为V=0.01ml/min、H=2mm、P=5mm；在最优参数条件下对比发现，方波型纸质被动式农药微混合器的混合性能最佳；流体分子间的扩散作用以及流体位移产生的对流作用同时存在于纸质微混合器；纸质微混合器通道内部纸纤维间的毛细作用既可以提供流体流动的动力，也可以加剧分子间的扩散作用，同时这些纤维会阻碍通道中流体漩涡的形成，从而在一定程度上限制对流作用。
　　（2）研究了酶抑制法检测农药的原理，得出了乙酰胆碱酯酶(AchE)对底物催化作用和农药对AchE抑制作用的原理，以及各种试剂样品混合反应的先后顺序；详细地分析了酶抑制法检测农药的具体检测过程。研究选取了石墨碳、Ag/AgCl作为制作丝网印刷三电极的材料，三电极采用环状结构，工作电极直径3mm；在电极上先修饰亚甲基蓝后用交联法固定酶，制备出了酶电极；对所制备酶电极利用交流阻抗法、循环伏安法进行了电化学表征。针对混合反应顺序和具体过程，设计了纸质微流控芯片的通道宽度和长度、进样池和检测池大小、布局，并利用新型制作技术制作了纸芯片。开发了配套的数据采集装置，设计了以单片机为核心的硬件电路以及编写了单片机程序。
　　（3）对所设计的纸质微流控系统进行了性能与农药浓度测试。优化后的最佳参数分别是酸碱度为7.5，底物浓度为1mmol/L，固定酶量为3μL，抑制时间为15min。性能测试的结果说明酶电极具有良好的制备重复性、贮藏寿命较长且稳定性好；抑制率与对硫磷浓度的负对数在1×10-5mol/L~1×10-7mol/L范围内呈现出良好的线性关系，线性回归方程为：I=159.3+21.21lgC，相关系数R2为0.987，检出限为9.14×10-8g/mL；抑制率与西维因浓度的负对数在1×10-6mol/L~1×10-8mol/L范围内呈现出良好的线性关系，线性回归方程为：I=195.2+21.73lgC，相关系数R2为0.986，检出限为3×10-9g/mL。检测河水中的农药时，加标回收率的范围在92.3％~115%之间；检测黄瓜汁中的农药时，加标回收率的范围在95.7%~111%之间；检测番茄汁中的农药时，加标回收率的范围在94.5%~110%之间；说明所设计系统的准确度较高，可用于实际样品的检测。

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第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外现状及存在问题

1.3 主要研究内容及创新点

第2章 纸质被动式微混合器流动混合原理与混合特性试验

2.1 纸芯片上微流体流动混合原理

2.2 试验设备及方法

2.3 结果与分析

2.4 本章小结

第3章 纸质微流控系统关键部分设计与制作

3.1 酶抑制法农药检测原理

3.2 酶电极的设计与制作

3.3 纸质微流控芯片的结构设计与制作

3.4 数据采集装置的设计

3.5 整体系统工作过程

3.6 本章小结

第4章 纸质微流控系统性能与农药浓度测试

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的主要学术成果