一种基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置

摘要

本发明提供一种基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，该装置包括进样单元、微流控芯片、回收单元、吸收光谱检测单元以及控制与数据处理显示单元；所述进样单元包括试剂存储装置、空白液存储装置、样品存储装置、微型电磁阀、第一微型电磁泵和第二微型电磁泵；所述微流控芯片包括第一进样口、第二进样口、检测通道和出样口；所述回收单元包括废液存储装置；所述吸收光谱检测单元包括光源、光学谐振腔和微型光谱仪；所述控制与数据处理显示单元包括控制电路和终端设备。本发明能够实现对重金属的快速、实时、原位测量且检测灵敏度高；本发明的装置集成度高、体积小、重量轻、便于携带、操作方便。

说明书

技术领域

本发明涉及重金属检测技术领域，具体是一种基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置。

背景技术

近年来，我国重金属污染事件频发，如2005年的广东北江韶关段镉严重超标事件，2006年的湖南湘江株洲段镉污染事件，2009年的湖南浏阳镉污染事故，2009年湖南武冈市数百名儿童血铅超标、广东清远市数十名儿童铅中毒，2011年云南曲靖铬污染事件，2012年广西河池龙江河镉污染事件等。因此，需要快速、实时、原位检测重金属的方法及仪器。目前，重金属检测的方法主要有光谱法、电化学法以及新型检测技术等。

光谱法是比较传统的方法，主要有原子吸收分光光度法（AAS）、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、紫外分光光度法等。这些方法具有检测灵敏度高、检测范围广和重现性好等特点，但是，这些方法所需仪器设备体积大且价格昂贵。电化学法是目前比较流行的检测方法，包括伏安法、极谱法、电位分析法等，检测速度快，检测精度较高，但在共存离子干扰测量方面有待提高。另外，比较新型的检测方法有酶传感器法、生物传感器法等，酶活性受环境变化的影响很大，检测精度难以保证，而生物传感器的检测时间一般较长。

微流控芯片是一种采用精细加工技术，在数平方厘米的基片上，制作出微通道网络结构及其它功能单元，以实现集微量样品制备、进样、反应、分离和检测于一体的快速、高效、低耗的微型分析检测装置。微流控芯片的检测方法主要有光学方法和电化学方法。由于光学方法较简单且灵敏度高，这种方法在微流控芯片中的应用很广泛。目前，微流控芯片光学检测方法主要有吸收光谱法、荧光光谱法、化学发光法。吸收光谱法在检测中应用普遍，且适合于重金属的检测，但是由于微流控芯片中吸收光程短，导致检测灵敏度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，克服现有重金属快速、实时、原位检测的不足。

本发明的技术方案为：

一种基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，该装置包括进样单元、微流控芯片、回收单元、吸收光谱检测单元以及控制与数据处理显示单元；

所述进样单元包括试剂存储装置、空白液存储装置、样品存储装置、微型电磁阀、第一微型电磁泵和第二微型电磁泵；所述微流控芯片包括第一进样口、第二进样口、检测通道和出样口；所述回收单元包括废液存储装置；所述吸收光谱检测单元包括光源、光学谐振腔和微型光谱仪；所述控制与数据处理显示单元包括控制电路和终端设备；

所述试剂存储装置和空白液存储装置均依次通过微型电磁阀和第一微型电磁泵与第一进样口连接，所述样品存储装置通过第二微型电磁泵与第二进样口连接，所述第一进样口和第二进样口均通过检测通道与出样口连通，所述出样口与废液存储装置连通；

所述光学谐振腔集成在微流控芯片上，由两片对称布置在检测通道两侧且靠近出样口的镜面反射片构成；所述光源的输出端与光学谐振腔的输入端连接，所述光学谐振腔的输出端与微型光谱仪的输入端连接，所述微型光谱仪的输出端与终端设备的输入端连接；所述终端设备的输出端通过控制电路分别与微型电磁阀、第一微型电磁泵和第二微型电磁泵的输入端连接。

所述的基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，该装置还包括供电单元，所述供电单元采用12V锂电池，为微型电磁阀、第一微型电磁泵、第二微型电磁泵和终端设备提供工作电源。

所述的基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，该装置还包括芯片固定架，所述微流控芯片通过螺丝固定在芯片固定架上。

所述的基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，所述微流控芯片还包括过滤膜，所述过滤膜集成在第二进样口上。

所述的基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，所述微流控芯片采用PMMA制备而成，其长度为50mm，宽度为20mm，由下而上共分为五层，其中，第一层的厚度为500um，第二层的厚度为55um，第三层的厚度为300um，第四层的厚度为55um，第五层的厚度为500um；所述第一进样口、第二进样口和出样口均设置在第五层，所述检测通道设置在第三层，所述两片镜面反射片分别设置在第二层和第四层。

所述的基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，所述检测通道由进样通道、混合通道和出样通道依次连接构成，所述进样通道为Y型通道，所述混合通道为蛇形通道，所述出样通道为直线型通道；所述进样通道和混合通道的宽度均为200um，深度均为200um，所述出样通道的宽度为300um，深度为300um；所述混合通道的长度为25mm。

所述的基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，所述镜面反射片采用增强型镜面反射片。

本发明的有益效果为：

（1）本发明将微流控技术和显色反应相结合，不仅能够实现对多种重金属离子的自动化检测，所用试剂量少，而且对重金属离子的选择性高，干扰少，适用于对环境样品的检测；

（2）本发明将微流控技术与宽带腔增强吸收光谱技术相结合，提高了检测灵敏度，且一套装置能检测多种重金属离子；

（3）本发明将镜面反射片集成于微流控芯片，提高了装置的稳定性，免去了光学谐振腔的调节；

（4）本发明的装置集成度高、体积小、重量轻，便于携带，操作方便，可实现对重金属的快速、实时、原位测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是Y型微流控芯片示意图；

图3是Y型微流控芯片层结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1、图2所示，一种基于微流控芯片的便携式重金属高灵敏度检测装置，包括进样单元1、Y型微流控芯片2、回收单元3、吸收光谱检测单元4、控制与数据处理显示单元5和供电单元6。

进样单元1包括试剂存储瓶11、空白液存储瓶12、样品存储瓶13、微型电磁阀14、第一微型电磁泵15和第二微型电磁泵16。Y型微流控芯片2通过螺丝固定在芯片固定架20上，包括第一进样口21、第二进样口22、过滤膜23、进样通道24、蛇形混合通道25、出样通道26和出样口27，过滤膜23集成在第二进样口22上。回收单元3包括废液存储瓶31。

吸收光谱检测单元4包括白光LED光源41、光学谐振腔42和微型光谱仪43，光学谐振腔42集成在Y型微流控芯片2上，由两片增强型镜面反射片（ESR）421构成。控制与数据处理显示单元5包括控制电路51和终端设备52，终端设备52可以为笔记本电脑或掌上电脑等；供电单元6包括电池61，电池61为12V锂电池。

试剂存储瓶11用于存放重金属显色试剂，空白液存储瓶12用于存放去离子水，样品存储瓶13用于存放待测重金属溶液。试剂存储瓶11和空白液存储瓶12均依次通过微型电磁阀14和第一微型电磁泵15与第一进样口21连接，样品存储瓶13通过第二微型电磁泵16与第二进样口22连接。第一进样口21和第二进样口22均与进样通道24的入口连通，进样通道24的出口依次通过蛇形混合通道25和出样通道26与出样口27连通，出样口27与废液存储瓶31连通。

Y型微流控芯片2以PMMA作为制作材料，采用标准的光刻和刻蚀技术制作。如图3所示，本发明的Y型微流控芯片2的长度为50mm，宽度为20mm，共分为五层：第一层2-1的厚度为500um，第二层2-2的厚度为55um，第三层2-3的厚度为300um，第四层2-4的厚度为55um，第五层2-5的厚度为500um。

第一进样口21、第二进样口22和出样口27均设置在第五层2-5，过滤膜23的厚度为32um。第三层2-3为通道层，包括进样通道24、蛇形混合通道25和出样通道26，进样通道24为Y型通道，进样通道24与第一进样口21和第二进样口22之间是贯通的，出样通道26与出样口26之间是贯通的；蛇形混合通道25的长度为25mm；出样通道26的宽度为300um，深度为300um，其余通道的宽度为200um，深度为200um。

两片增强型镜面反射片421分别集成在第二层2-2和第四层2-4，对称设置在出样通道26的两侧并靠近出样通道26的出口设置，增强型镜面反射片421与出样通道26之间有一薄层PMMA间隔，以避免与流过出样通道26的液体接触。

白光LED光源41发出的光经过准直聚焦镜耦合进入集成于Y型微流控芯片2的光学谐振腔42，光的聚焦点位于光学谐振腔42的中心，光在光学谐振腔42内往返，透过光学谐振腔42的光经过聚焦透镜耦合进入光纤，光纤连接微型光谱仪43。微型光谱仪43记录透射光强度。终端设备52的控制模块通过控制电路51来控制微型电磁阀14、第一微型电磁泵15和第二微型电磁泵16的开关。终端设备52的数据处理模块处理微型光谱仪43采集的光谱数据并在显示模块上显示。电池61为微型电磁阀14、第一微型电磁泵15、第二微型电磁泵16、终端设备52等供电。除终端设备52外，其他所有组件均位于传感器箱体0内。

本发明的工作原理为：

首先开启微型电磁阀14和第一微型电磁泵15，让空白液和显色试剂流入Y型微流控芯片2，进行背景光谱测量；然后开启第二微型电磁泵16，让显色试剂和待测重金属溶液进入Y型微流控芯片2，显色试剂与待测重金属离子在Y型交叉处相遇，在蛇形混合通道25内充分混合后发生显色反应，生成重金属络合物；生成的重金属络合物经过出样通道26被吸收光谱检测单元4检测：白光LED光源41发出的光在光学谐振腔42内往返，穿过流经Y型微流控芯片2的重金属络合物；透过光学谐振腔42的光由微型光谱仪43采集，生成待测重金属溶液的吸收光谱；终端设备52对背景光谱和待测重金属溶液的吸收光谱进行分析处理并显示结果。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。