基于微流控-环流分析的高精度原位海水pH分析系统和分析方法

摘要

本发明提供了一种基于微流控-环流分析的高精度原位海水pH分析系统和分析方法，所述分析系统包括具有环流混合结构的微流控芯片、过滤头、海水管路、指示剂袋、指示剂管路、排废管路、高亮白光LED灯、光纤和光谱仪。本发明采用微流控芯片技术，可在芯片上完成样品的定量混合与检测，减小了仪器体积，节约了试剂用量，体系集成度高，适合原位测定；芯片具有环流混合结构，海水和指示剂通过芯片通道定量后，两个定量通道形成一个闭合环路，由压电泵驱动海水和指示剂在环路中流动混合，实现两者的恒定比例完全混合。本发明提高了测量系统的精密度，同时免去了实验室内对指示剂干扰校正的操作步骤，节省了人力物力。

说明书

技术领域

本发明属于海水化学分析领域，涉及基于微流控-环流分析的高精度原位海水 pH分析系统和分析方法。

背景技术

获取高精度的海水pH值结果，是研究海洋酸化和碳循环的前提条件。光度 法的基本原理是通过检测海水和指示剂的混合溶液的吸光度来计算海水的pH 值，该方法测量精密度可达到0.001，并且结构简单，无需校正，能够实现海水 pH的高精度检测。

基于光度法科研人员已经研发了一系列船载或原位高精度pH分析仪，但大 多数处于实验室研发阶段，只有蒙大拿大学研发的SAMI高精度pH原位传感器 实现了商品化。究其原因，主要是测量系统内部结构复杂，体积较大、功耗较高 导致的。大部分仪器水路系统采用流动注射方法，导致海水和指示剂的混合比例 不恒定，仪器稳定性较差。

微流控技术由于其高效、试剂用量少、低成本和高集成度等优点，已经在海 水污染物监测领域展示了良好的应用前景，并能够满足分析仪器便携、微型的发 展方向。通过在微流控芯片上设计合理的流路结构，配合目前普遍使用的外置微 型泵阀体系，可实现试剂的恒定比例完全混合，同时微流控技术试剂用量少，结 构简单，适用于海洋原位传感器。另外，测量的准确度与指示剂的各项参数是否 准确有关，然而指示剂需经过纯化才能避免系统误差。目前已有纯化后的间甲酚 紫和甲酚红的各项参数发表。间甲酚紫的pH测量范围(7.4-9.0)与海水的pH 变化范围(7.5-8.5)相符，是适宜的测量海水pH的指示剂。因此，利用微流控 技术，可以实现海水pH的原位高精度测量，并进一步提高测量的精密度与准确 度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了基于微流控-环流分析的精度可达 0.001的原位海水pH分析系统和分析方法。本发明所述分析装置使用纯化后的 间甲酚紫做指示剂溶液，在微流控芯片中采用环流结构，通过芯片上微通道的长 度来决定液体的体积，定量通道闭合成一个环路后，海水样品与间甲酚紫指示剂 会在环路中以恒定比例完全混合。该分析系统能够提高测量的精密度与准确度， 集成度高、试剂用量小，可方便的应用于原位传感器。

为了达到上述技术问题的目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于微流控-环流分析的高精度原位海水pH分析系统，所述分析系统包括具 有环流混合结构的微流控芯片、过滤头、海水管路、指示剂袋、指示剂管路、排 废管路、高亮白光LED灯、光纤和光谱仪，所述微流控芯片上设有多个形成液 体环路的芯片通道，所述过滤头和芯片通道之间通过所述海水管路连通，所述指 示剂袋和芯片通道之间通过所述指示剂管路连接，所述芯片通道上设有多个控制 芯片通道关闭的微型电磁阀，所述芯片通道上还设有微型压电泵、流通池和储液 通道，所述微流控芯片上还设有排废管路，所述流通池的两端分别通过光纤连接 有高亮白光LED灯和光谱仪。

对上述技术方案的进一步改进，所述过滤头的孔径≤10μm；所述海水管路、 指示剂管路和排废管路内径为0.5-1mm，外径为1-2mm。

对上述技术方案的进一步改进，所述芯片通道和储液通道的通道内径为 100-500μm，流通池内径为500-1000μm，流通池长度为10-50mm。

对上述技术方案的进一步改进，所述指示剂为经高效液相色谱纯化后的间甲 酚紫溶液。

本发明还提供了利用所述分析系统的高精度原位海水pH分析方法，它包括 以下步骤：

1)打开阀(3)、阀(17)和微型压电泵(1)，关闭其他泵和阀，使过滤后的海水 样品进入芯片通道进行清洗并充满定量通道(L1)，多余的海水样品经排废管路(F) 流出，关闭微型压电泵(1)，开启高亮白光LED灯(G)，光谱仪(J)检测在434nm、 487nm、578nm和730nm波长下流通池(I)内的空白海水光强；

打开阀(6)和微量注射泵(2)，关闭其他泵和阀，将一定量指示剂抽取至微量 注射泵(2)中，打开阀(5)、(15)、(16)和(17)，开启微量注射泵(2)，关闭其他泵和 阀，使指示剂进入芯片通道进行清洗并充满定量通道(L6)，多余的指示剂经排废 管路(F)流出；

打开阀(4)、(15)和(16)，关闭其他泵阀，将(L1)和(L6)连接成一个定量环路， 开启微型压电泵(1)使海水和指示剂在环路中流动混合，混合完毕后关闭微型压 电泵(1)，开启高亮白光LED灯(G)，光谱仪(J)检测在434nm、487nm、578nm和 730nm波长下流通池(I)内的指示剂和海水混合溶液光强；

以空白海水光强为I₀，海水和指示剂混合溶液的光强为I，吸光度计算公式 为A＝-log(I/I₀)，海水pH的计算公式为：

$\mathrm{pH}=-\log \left(K_2{e}_2\right)+\log \left(\frac{R-e_1}{1-R\frac{e_3}{e_2}}\right),$

其中K₂为指示剂二级解离常数，R为吸光度比值，e₁，e₂，e₃为指示剂不同形态 在不同波长的摩尔吸光系数的比值：

$R=\frac{{\lambda }_{2}A}{{\lambda }_{1}A},e_1=\frac{{\lambda }_2{ϵ}_{{\mathrm{HI}}^{-}}}{{\lambda }_1{ϵ}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_2=\frac{{\lambda }_2{ϵ}_{I^{2-}}}{{\lambda }_1{ϵ}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_3=\frac{{\lambda }_1{ϵ}_{I^{2-}}}{{\lambda }_1{ϵ}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},\frac{e_3}{e_2}=\frac{{\lambda }_1{ϵ}_{I^{2-}}}{{\lambda }_2{ϵ}_{I^{2-}}}$

λ₁和λ₂为指示剂在酸态和碱态的最大吸收波长，λ₂A和λ₁A为在λ₂、λ₁波 长下测定的样品的吸光度，和为I^2-在λ₁和λ₂波长时的吸光系数，和为HI^-在λ₁和λ₂时的吸光系数；

2)按照步骤1)中方法，分别检测通道(L1)与(L5)，(L1)与(L4)，(L1)与(L3)， (L1)与(L2)组成的环路中该海水样品与指示剂的混合溶液在波长434nm、487nm、 578nm和730nm下的吸光度，并分别计算五组环路中海水pH值；

3)以五组环路中溶液在487nm下的吸光度为x，pH值为y，两者拟合后得 到直线y＝ax+b，当x＝0时得到的y值，便是测得去除指示剂干扰的海水pH值；

对上述技术方案的进一步改进，所述指示剂为浓度0.5-10mmol/L、pH值 7.5-7.9的纯化后的间甲酚紫溶液。

对上述技术方案的进一步改进，所述海水样品和指示剂混合溶液的吸光度精 度需达到0.001，在434、487nm和578nm波长下的吸光度值控制在0.2-1.0之间。

对上述技术方案的进一步改进，所述微型压电泵和微型注射泵的流速为 50-500μl/min。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：

1、本发明采用微流控芯片技术，可在芯片上完成样品的定量混合与检测， 减小了仪器体积，节约了试剂用量，体系集成度高，适合原位测定。

2、本发明中芯片具有环流混合结构，海水和指示剂通过芯片通道定量后， 在环流通道内混合，从而达到了海水和指示剂以恒定比例完全混合的效果，提高 了测量系统的精密度。

3、本发明利用纯化后的间甲酚紫进行海水pH的测量，避免了系统误差， 并在每次测量中校正指示剂对于海水pH的干扰，提高了测量系统准确度，免去 了实验室内对指示剂干扰校正的操作步骤，节省了人力物力。

本发明所述的高精度原位海水pH分析系统以光度法和微流控-环流分析为 基础，能够作为原位分析仪对海水pH进行在线监测。本分析系统包括具有环流 混合结构的微流控芯片、过滤头、海水管路、指示剂袋、指示剂管路、排废管路、 高亮白光LED灯、光纤、光谱仪，结构简单、试剂用量少、集成度高，适用于 原位传感器。采用经高效液相色谱纯化的间甲酚紫配制指示剂，避免了因指示剂 不纯产生的系统误差。微流控芯片中设有形成液体环路的芯片通道，芯片通道连 接微型压电泵和微型注射泵，可以驱动液体的流动和混合，同时芯片通道还连接 微型电磁阀，可以控制芯片通道的开闭。芯片上通道的长度决定海水样品和指示 剂的混合体积，通过控制微型电磁阀，可使两个定量通道形成一个闭合环路，以 微型压电泵为驱动力使海水样品和指示剂在环路中流动混合，便可实现海水和指 示剂的恒定比例完全混合，从而提高测量系统的精密度和稳定性。另外芯片中的 多通道设计，可将海水样品与不同体积的指示剂混合，在每个海水样品测定时均 进行指示剂干扰的校正，既提高了测量的准确性，也节省了大量的人力物力。

附图说明

图1是本发明中测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述基于微流控-环流分析技术的高精度原位海水 pH分析装置的结构和本发明所述分析方法的操作步骤进一步予以说明。

实施例1

本发明所述基于微流控-环流分析的高精度原位海水pH分析系统(如图1所 示)包括具有环流混合结构的微流控芯片A、过滤头B、海水管路C、指示剂袋 D、指示剂管路E、排废管路F、高亮白光LED灯G、光纤H、流通池I、光谱 仪J。其中具有环流混合结构的微流控芯片A上设有多个形成液体环路的芯片通 道，所述芯片通道上设有多个控制芯片通道开关的微型电磁阀3-17(微型电磁阀 以下简称阀)，所述芯片通道上还设有微型压电泵1、微量注射泵2、流通池I和 储液通道，所述流通池I的两端分别通过光纤H连接有高亮白光LED灯G和光 谱仪I。

所述过滤头B可将海水中颗粒物滤掉，以免颗粒物堵塞管路或影响吸光度 的测定，过滤头为不锈钢或PEEK材料，孔径≤10μm。所述指示剂为浓度 0.5-8mmol/L、pH值为7.5-7.9的纯化后的间甲酚紫溶液。海水管路C、指示剂管 路E和排废管路F内径为0.5-1mm，外径为1-2mm，管路为聚四氟乙烯材料。 微流控芯片内液体的流动通过控制微型压电泵、微量注射泵和微型电磁阀来实 现。所述微型压电泵和微型注射泵的流速为50-500μl/min。

所述过滤头B和芯片通道之间通过所述海水管路C来连通，所述过滤头B 放置于待测海水中，微型压电泵1将过滤后的海水通过海水管路C抽送至芯片 通道中。所述指示剂袋D和芯片通道之间通过所述指示剂管路E连通，所述微 量注射泵2将指示剂袋内的间甲酚紫溶液通过指示剂管路E抽送至注射泵内部， 然后将间甲酚紫溶液注射至芯片通道中。

微流控芯片中有芯片通道、储液通道和流通池，通道内径为100-500μm， 流通池为内径较大的芯片通道，内径为500-1000μm，流通池长度为10-50mm。 其中海水定量通道为L1，指示剂定量通道为L2-L6。通道上连接有微型电磁阀 和微型压电泵，通过控制芯片上微泵微阀，来实现海水和指示剂的定量混合。光 谱仪对波长的分辨率需高于2nm，检测在间甲酚紫指示剂酸态和碱态的最大吸收 峰处434nm和578nm波长的吸光度和两吸收峰之间的487nm波长的吸光度，以 及间甲酚紫不吸收波长730nm的吸光度。730nm波长的吸光度可做参比，消除 高亮白光LED灯发光强度变化带来的误差，以及流通池内海水中的微小颗粒引 起的误差。487nm波长的吸光度可反映指示剂和海水混合后指示剂浓度的大小， 用来校正指示剂本身对海水pH的检测带来的干扰。所述海水样品和指示剂混合 溶液的吸光度精度需达到0.001，在434、487nm和578nm波长下的吸光度值控 制在0.2-1.0之间。

实施例2

本实施例分析海水pH值，使用实施例1中所述的分析系统，芯片上流通池 I的长度为20mm。所述分析方法包括以下步骤：

1.配制指示剂溶液

间甲酚紫钠盐溶液经高效液相色谱纯化，利用纯化后的溶液的配制甲酚紫钠 盐浓度为2mmol/L、NaCl浓度为0.7mol/L的混合溶液，并用1.0mol/L的盐酸将 混合溶液的pH值调至7.9。

2.现场海水的测量

1)打开阀3、17和微型压电泵1，关闭其他泵阀，使过滤后的海水样品通 过海水管路C清洗芯片通道并充满定量通道L1，多余的海水从排废管路F中流 出。关闭微型压电泵1，开启高亮白光LED灯G，光谱仪J检测流通池I内空白 海水在434nm、487nm、578nm和730nm波长下的光强。

打开阀6和微量注射泵2，关闭其他泵阀，将一定量指示剂抽取至微量注射 泵2中。打开阀5、15、16和17,开启微量注射泵2，关闭其他泵阀，使指示剂 进入芯片通道进行清洗并充满定量通道L6，多余的液体从排废管路F流出。

打开阀4、15和16，开启微型压电泵1，关闭其他泵阀，将L1和L6连接 成一个定量环路，利用微型压电泵1使海水和指示剂在环路中流动混合。混合完 毕后关闭微型压电泵1，开启高亮白光LED灯G，光谱仪J检测流通池I内海水 和指示剂混合溶液在434nm、487nm、578nm和730nm波长下光强。以空白海 水光强为I₀，海水和指示剂混合溶液光强为I，吸光度计算公式为A＝-log(I/I₀)。

海水pH计算方法为：

$\mathrm{pH}=-\log \left(K_2{e}_2\right)+\log \left(\frac{R-e_1}{1-R\frac{e_3}{e_2}}\right)$

其中K₂为间甲酚紫指示剂二级解离常数，R为吸光度比值，e₁，e₂，e₃为间甲酚 紫不同形态在不同波长的摩尔吸光系数的比值：

$R=\frac{{\lambda }_{2}A}{{\lambda }_{1}A},e_1=\frac{{\lambda }_2{ϵ}_{{\mathrm{HI}}^{-}}}{{\lambda }_1{ϵ}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_2=\frac{{\lambda }_2{ϵ}_{I^{2-}}}{{\lambda }_1{ϵ}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_3=\frac{{\lambda }_1{ϵ}_{I^{2-}}}{{\lambda }_1{ϵ}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},\frac{e_3}{e_2}=\frac{{\lambda }_1{ϵ}_{I^{2-}}}{{\lambda }_2{ϵ}_{I^{2-}}}$

λ₂A和λ₁A为在间甲酚紫碱态和酸态最大吸收峰处即在578nm和434nm波 长下测定的样品的吸光度，和为I₂^-在434nm和578nm波长下的吸光 系数，和为HI^-在434nm和578nm波长下的吸光系数。

公式中-log(K₂e₂)、e₁和e₃/e₂是温度(T)、盐度(S)和压强(P)的函数，以 下为-log(K₂e₂)、e₁和e₃/e₂的计算公式，温度的单位为K，压强的单位为bar，适 用范围为：278.15≤T≤308.15，20≤S≤40和0≤P≤827bar。

-log(K₂e₂)计算公式为：

-log(K₂e₂)＝a+(b/T)+c lnT-dT-(0.05645/T)×P，其中，

a＝246.64209+0.315971S+2.8855×10^-4S²；

b＝7229.23864-7.098137S-0.057034S²；

c＝44.493382-0.052711S；

d＝0.0781344；

指示剂摩尔吸光系数比值e₁和e₃/e₂的计算公式为：

e₁＝-0.007762+4.5174×10^-5T+1.7×10^-6P；

e₃/e₂＝-0.020813+2.60262×10^-4T+1.0436×10^-4(S-35)+4.6×10^-6P。

在实际测量时只需测得指示剂在酸态和碱态最大吸收波长处的吸光度比值， 结合海水的盐度、温度和压强数据，便可计算得到海水pH值。吸光度比值的计 算方法为：

$R=\frac{A_{578}-A_{730}}{A_{434}-A_{730}}.$

然而此时得到的是海水和指示剂混合溶液的pH值，由于指示剂本身是一种 二元酸，会对海水的pH产生干扰，因此需要校正指示剂对于海水pH值的干扰。

3)本发明通过改变芯片上指示剂通道的长度，改变指示剂与海水的混合比 例，推算指示剂的校正公式。芯片上指示剂通道的长度决定了与海水混合的指示 剂的体积，由长到短为：L6>L5>L4>L3>L2。完成通道L1中海水与通道L6中指 示剂混合溶液的吸光度和pH测定后，按照步骤2)中方法，依次测定通道L1与 L5，L1与L4，L1与L3，L1与L2组成的五组环路中海水与指示剂混合溶液在 波长434nm、487nm、578nm和730nm下吸光度，并分别计算吸光度与pH值。

例如，测定通道L1与L5组成的环路中海水与指示剂混合溶液吸光度和pH 的步骤为：开启阀3、17和微型压电泵1，关闭其他泵阀，使海水充满定量通道 L1，检测空白海水光强。打开阀6，关闭其他泵阀，将指示剂抽取至微型注射泵 2中。打开阀5、13、14和17，开启微型注射泵2，关闭其他阀，将指示剂充满 定量通道L5。然后打开阀4、13和14，开启微型压电泵1，将通道L1和L5中 的海水与指示剂混合，检测混合溶液光强。根据空白海水光强和混合溶液光强计 算吸光度和pH值。

以五组环路数据中(A₄₈₇-A₇₃₀)为x，计算得到的pH值为y，两者拟合后得 到直线y＝ax+b，当x＝0时得到的y值，便是获得的海水pH值。

4)在现场只需测定样品在434nm、487nm、578nm和730nm波长处的吸光 度，并测定海水的温度、盐度和压强，便可得到海水pH值。此方法适用于海水 pH在7.4-9.0范围内的检测。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前 述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可 以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同 替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的 技术方案的精神和范围。