一种基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置

摘要

本发明提公开了一种基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置，包括：PDMS芯片，所述芯片上设置有消解区域、显色通道以及检测区域，不同区域通过芯片内部的通道连接；一端从底部固定PDMS芯片并形成底座支撑的光纤准直架，光纤准直架另一端分别连接芯片基底上下两头悬空设置的倒锥接头；基底上下两头的光纤，光纤头各自固定在各自连接的倒锥接头上；该装置以微流控芯片为主体，体积小，结构简单，试剂消耗量小，大大节约了成本；采用同一种氧化剂可同时总磷、总氮、COD三种水质参数的含量，不同水质参数的消解、显色和检测过程集成在同一块芯片上完成，且无需加热，大大减少了传统的操作步骤，有效提高了水质参数的检测速度和准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种一种基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置，具体涉及基于微流控芯片的总磷、总氮、COD在线监测装置，属于水质检测领域。

背景技术

总磷和总氮是地表水体环境富营养化程度的核心评价指标，COD是一个重要的而且能较快测定的有机物污染参数，监测水体总磷、总氮、COD等水质参数具有很大的现实意义。总磷是水中各种形态磷的总和，主要来自生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。总氮的定义是水中各种形态无机和有机氮的总量，包括NO3-、NO2-和NH4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮，以每升水含氮毫克数计算。化学需氧量COD是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。

传统的总氮、总磷、COD检测方法是需要在高温高压的环境下进行，反应条件苛刻，仪器功耗大。并且所使用的设备体积大，操作复杂，整个过程通常需要1至2个小时，效率低。有的方法还会使用一些有毒性的试剂，如硫酸汞、重铬酸钾等，对环境会造成二次污染。

目前水质监测方面所使用的仪器存在尺寸大、耗能高等不足，监测方法仍以人工采样和实验室分析为主。市面上测定总磷、总氮和COD的仪器存在量程太大、检出限过高、精度一般、废液排量较高、监测参数单一、依赖进口、维护成本高和供电形式单一的局限性，并不能够满足环境保护、地表水质检测领域对于水质检测设备的要求。因而，对于量程适宜、检出限低、重复性好、测定效率高、集成度高和废液排量较低水质检测设备的研制具有重大意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对传统水质检测方法的上述缺陷，提供一种基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置，可同时检测总磷、总氮、COD三种水质参数的含量，不同水质参数的消解、显色和检测过程集成在同一块芯片上完成，且无需加热，大大减少了传统的操作步骤，有效提高了水质参数的检测速度和准确度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置，其特征在于包括：

PDMS芯片，所述芯片上设置有消解区域、显色通道以及检测区域，不同区域通过芯片内部的通道连接，在检测区域的基底上下两端的通道口均设置石英片封堵；

一端从底部固定PDMS芯片并形成底座支撑的光纤准直架，光纤准直架另一端分别连接芯片基底上下两头悬空设置的倒锥接头；

基底上下两头的光纤，光纤头各自固定在各自连接的倒锥接头上；

固定螺栓，用于固定所述PDMS芯片。

优选的，待检测水样从芯片内部通道的水样入口进入，首先在消解区域被氧化，然后与显色剂混合并进入显色通道完成显色反应，最后在检测区域的检测通道测定吸光度。

优选的，芯片上设置显色剂入口与内部通道连通。

优选的，所述芯片固定在玻璃基底上。

优选的，所述倒锥接头使得两头光纤的光路与芯片基底保持准直。

优选的，所用倒锥接头由一种聚丙烯材质。

作为优选，所述光纤准直架为垂直放置，一端垂直于PDMS芯片基底作为芯片底座，另一端悬空并对称设置与基底上下两端。

在本发明中，所述PDMS芯片固定在玻璃底板上，不易损坏，便于清洁，可重复利用。芯片上包括消解区域、显色区域和检测区域，不同的反应区域通过芯片内部的通道连接，待检测水样从水样入口进入，首先在消解区域被氧化，然后与显色剂混合并进入显色通道完成显色反应，最后在检测通道测定吸光度；

在本发明中，所述石英片堵在芯片检测通道的两端，防止漏液，具有良好的密封性。并且石英片光学透性好，减小检测误差。

在本发明中，所述倒锥接头用于固定两头光纤，使光路保持准直，所用倒锥接头是一种聚丙烯材质，质地柔软，可以保护光纤不被折断，且具有良好的密封性；

在本发明中，所述固定螺栓用于固定PDMS芯片位置，使光从光纤一头发射，顺利透过检测通道并被另一头光纤接收，保证了光传输的准确性；

在本发明中，所述光纤准直架为垂直放置，一方面用于固定PDMS芯片，作为芯片底座，另一方面用于安装两端的倒锥接头和光纤，保证光传输的准直性；

有益效果：

本发明提供了一种基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置，在亚微米结构尺度上，采用光流控技术，精确控制和操作微尺度流体的技术，通过将液流控制与微纳检测结构相结合，可用于检测水中总磷、总氮和COD的含量。可克服传统设备在尺寸、成本、大量平行样品处理、实时监测等方面的不足。具有待测试样用量小,灵敏度和可靠性极高,检测成本低,自动化程度高等特点。

该装置以微流控芯片为主体，体积小，结构简单，试剂消耗量小，大大节约了成本；芯片采用PDMS材料制作，光学透性好，并且制作简单，不易损坏，便于清洁，可重复利用；该装置采用垂直放置的光纤准直架固定芯片，采用聚丙烯材质的倒锥接头固定两头光纤，使光路保持准直，并且具有良好的密封性；该装置采用同一种氧化剂可同时总磷、总氮、COD三种水质参数的含量，不同水质参数的消解、显色和检测过程集成在同一块芯片上完成，且无需加热，大大减少了传统的操作步骤，有效提高了水质参数的检测速度和准确度。

附图说明

图1是本发明基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置结构示意图。

图2是本发明基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置的PDMS芯片内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置作进一步解释说明。

如图1所示为本发明基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置，该装置主要包括PDMS芯片1、石英片2、光纤3、倒锥接头4、固定螺栓5和光纤准直架6。所述PDMS芯片1固定在玻璃底板上，不易损坏，便于清洁，可重复利用。芯片1上包括消解区域1-3、显色区域1-5和检测通道1-6，不同的反应区域通过芯片内部的通道连接，待检测水样从水样入口进入，首先在消解区域1-3被氧化，然后与显色剂混合并进入显色区域1-5的显色通道完成显色反应，最后在检测通道1-6测定吸光度；所述石英片2堵在芯片检测通道的两端，防止漏液，具有良好的密封性。并且石英片2光学透性好，减小检测误差。所述倒锥接头4用于固定两头光纤3，使光路保持准直，所用倒锥接头4是一种聚丙烯材质，质地柔软，可以保护光纤3不被折断，且具有良好的密封性； 所述固定螺栓5用于固定PDMS芯片1位置，使光从光纤3一头发射，顺利透过检测通道1-6并被另一头光纤3接收，保证了光传输的准确性；所述光纤准直架6为垂直放置，一方面用于固定PDMS芯片1，作为芯片底座，另一方面用于安装两端的倒锥接头4和光纤3，保证光传输的准直性。

本发明基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置的总磷、总氮、COD检测原理：在氧化剂的作用下使水样中的总氮被氧化为硝酸根、总磷被氧化为正磷酸根、COD被完全氧化，然后再与显色试剂发生显色反应，由朗伯比尔定律在特定波长下可测得吸光度，由标准曲线进而得到总氮、总磷、COD的含量。所述氧化剂为FeSO

本发明是基于微流控芯片的水质多参数在线监测装置各种水质参数的检测方法如下：

总磷检测：水样由入口1-1进入芯片1，氧化剂入口1-2通入Fenton试剂，与水样共同流入消解区域1-3发生氧化还原反应，氧化后的溶液进入显色区域1-5显色通道，显色剂入口1-4通入显色试剂（由钼酸铵溶液、酒石酸锑钾溶液、抗坏血酸溶液配制）。反应后的溶液由显色通道进入检测通道1-6，在700nm处测定吸光度，由标准曲线获得总磷含量。

总氮检测：水样由入口1-1进入芯片1，氧化剂入口1-2通入Fenton试剂，与水样共同流入消解区域1-3发生氧化还原反应，氧化后的溶液进入显色区域1-5，显色剂入口1-4通入显色试剂（由硫酸肼溶液、对氨基苯磺酸溶液和N-1萘-乙二胺盐酸盐溶液配制）。反应后的溶液由显色通道进入检测通道1-6，在540nm处测定吸光度，由标准曲线获得总氮含量。

COD检测：水样由入口1-1进入芯片1，氧化剂入口1-2通入Fenton试剂，与水样共同流入消解区域1-3发生氧化还原反应，氧化后的溶液进入显色区域1-5，显色剂入口1-4通入一定浓度的孔雀绿溶液，作为显色剂。反应后的溶液由显色混合通道进入检测通1-6，在610nm、480nm、680nm处分别测定吸光度，换算为COD吸光度后，由标准曲线获得COD含量。