專利名稱：一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到數(shù)字微流控芯片技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，特別提供了一種適于簡單、快速和現(xiàn)場進(jìn)行水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水體中的氮、磷、硅等元素組成的某些鹽類，是水生植物生長的必需營養(yǎng)鹽，通常把這些鹽稱為“植物營養(yǎng)鹽”、“微量營養(yǎng)鹽”或“生源要素”。營養(yǎng)鹽的分布和變化關(guān)系著水生生物的生態(tài)平衡，造就了水生生物的多祥性。水體中的富營養(yǎng)卻會引發(fā)赤潮成為災(zāi)害。因此為了實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三大效益的統(tǒng)一，營養(yǎng)鹽分布的研究正成為水體環(huán)境研究項(xiàng)目中的ー個(gè)重要指標(biāo)。多年來以來，水體中營養(yǎng)鹽的測定，仍主要基于加液、稀釋、萃取、攪拌、定容、和濕化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜、繁瑣的手工操作。分析過程中試樣的處理往往占去整個(gè)分析時(shí)間的90%。同時(shí)，需要耗費(fèi)大量的化學(xué)試劑，測試成本較高，也不利 環(huán)保。這種狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足計(jì)算機(jī)時(shí)代對ー個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供的信息量要求，更無法適應(yīng)現(xiàn)場惡劣分析環(huán)境中的長期、連續(xù)的監(jiān)測過程。數(shù)字微流控芯片是近年來發(fā)展起來的與連續(xù)微流控芯片平行的ー種新型微流體操控平臺，它主要利用介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)，通過外加電壓控制介質(zhì)層上固液、氣液界面的表面張カ實(shí)現(xiàn)對不連續(xù)的微小液滴進(jìn)行操控，因此又被稱作數(shù)字式液滴微流控芯片。在化學(xué)分析系統(tǒng)的構(gòu)建中，數(shù)字微流控芯片將通過邏輯控制操控含有反應(yīng)物(樣品和化學(xué)試劑)的液滴，借助于不同液滴間的充分融合實(shí)現(xiàn)微化學(xué)反應(yīng)。在反應(yīng)完成后，含待測生成物的液滴將在電極電場的控制下向不同方向輸運(yùn)，因此可以有效地避免阻塞。同時(shí)可通過系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)自動參比、現(xiàn)場加標(biāo)、高通量、高內(nèi)涵的溶液處理等過程，最大限度滿足水體化學(xué)要素的分析要求。隨著研究的不斷深入，數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)或可成為分析化學(xué)研究的重要平臺技術(shù)之一，同時(shí)為化學(xué)要素的現(xiàn)場測定和傳感器研制等方面提供技術(shù)與理論的支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，以解決目前營養(yǎng)鹽分析工作中工作量大，通量低，預(yù)處理繁瑣，測試成本高等諸多問題。本發(fā)明提供了一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)將數(shù)字微流控芯片技術(shù)、微通道微流控芯片技術(shù)和電潤濕技術(shù)相組合，將常規(guī)的水體營養(yǎng)鹽分析中的取樣、前處理、過濾、混合、反應(yīng)和檢測等過程集成在一塊功能芯片上完成，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字微流控芯片平臺上水體營養(yǎng)元素的分析測定過程。試劑消耗量低，操作簡便。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，由兩個(gè)單元構(gòu)成，第一個(gè)基本單元為數(shù)字微流控芯片；第二個(gè)基本單元為數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備；其中，數(shù)字微流控芯片主要由兩部分構(gòu)成，第一部分是鍍有導(dǎo)電電極的下層芯片，用于控制液體的移動和混合等步驟；第二部分是刻蝕有微通道的上層芯片，用于對移動的液滴進(jìn)行導(dǎo)向和規(guī)范作用，防止移動過程中樣品溶液的滑動；
本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)由以下兩個(gè)單元構(gòu)成，第一個(gè)單元為用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片；第二個(gè)單元為用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備；
其中用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片由上、下兩層正方形芯片結(jié)構(gòu)構(gòu)成下層為數(shù)字控制層，具有電極陣列結(jié)構(gòu)，其使用的電極材料為鉻，基底為玻璃；電極陣列上進(jìn)ー步涂覆絕緣介電質(zhì)(其使用材料可為Parylene C、S3N4或P (VDF-TrFE)等材料中的ー種)和疏水保護(hù)介質(zhì)(Teflon-AF);上層為刻蝕有微通道的引導(dǎo)芯片層，其使用的材質(zhì)可能為玻璃、PMMA或者PDMS等材料中的ー種。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在干芯片上下兩層的封接方式為玻璃-玻璃的熱鍵合封接、玻璃-PDMS的可逆或者不可以封接、玻 璃-PMMA的不可逆封接中的ー種。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，所述數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備，是用于水體營養(yǎng)元素分析測定的芯片實(shí)現(xiàn)各功能的外部支持及營養(yǎng)元素含量測定的檢測裝置，主要包括蠕動微泵、過濾柱、顯微鏡、高分辨率CCD成像系統(tǒng)及相關(guān)分析軟件等。其中，由蠕動微泵控制的進(jìn)樣器単元，通過外接程序控制不同的液體進(jìn)入至兩層芯片之間，可調(diào)節(jié)流速或者流量，也可以控制進(jìn)樣量的多少，從而實(shí)現(xiàn)樣品的定量及定性分祈。同時(shí)，在水體樣品進(jìn)樣器單元后端添加過濾柱，其目的在于防止水體樣品中微顆粒和微生物組分對數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)的腐蝕破壞作用。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在干標(biāo)準(zhǔn)溶液、分析溶液和水體樣品分別通過對應(yīng)進(jìn)樣器單元進(jìn)入數(shù)字微流控芯片，通過外圍電控單元對電極陣列程序加電，可以控制其對應(yīng)表面的親疏水特性，從而實(shí)現(xiàn)樣品和溶液液滴的移動過程，控制液滴依次進(jìn)入混合反應(yīng)區(qū)、檢測區(qū)和廢液池，移動過程在引導(dǎo)芯片層通道內(nèi)進(jìn)行。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在干為了保護(hù)電極和微通道表面，在微通道中可加入油相起到潤滑作用，所使用的油相可以為氟碳油、礦物油、植物油或者硅油中的ー種或者幾種。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于可以在線生成標(biāo)準(zhǔn)曲線，并進(jìn)行多次相同水體樣品或者多個(gè)不同水體樣品的分析檢測。本發(fā)明提供的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在干分析過程操作簡單，成本低廉，集成度高，可以應(yīng)用于目前水體環(huán)境監(jiān)測中營養(yǎng)鹽多參數(shù)的同時(shí)快速檢測，并進(jìn)一歩用于傳感器的制備研究。


圖I為數(shù)字微流控芯片整體示意圖，其中，I為標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣器単元(X 5 )，2為電扱，3為水樣過濾柱，4為水樣進(jìn)樣器単元，5為油相進(jìn)樣器単元，6為分析溶液進(jìn)樣器単元，7為混合反應(yīng)區(qū)域，8為檢測區(qū)域，9為廢液區(qū)域；
圖2為數(shù)字微流控芯片剖面結(jié)構(gòu)圖，其中，I為引導(dǎo)芯片層，2為數(shù)字控制層，3為電扱，4為絕緣介電質(zhì)，5為疏水保護(hù)介質(zhì)，6為玻璃基底,7為液滴,可以是來自與待測水樣、標(biāo)準(zhǔn)樣品或試劑；
圖3為數(shù)字微流控芯片數(shù)字控制層俯視圖，其中，I為待測水樣和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱，2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱，3為控制液體移動的電扱，4為混合反應(yīng)區(qū)域電極，5為檢測區(qū)域電極，6為儲存廢液電極；
圖4為數(shù)字微流控芯片引導(dǎo)芯片層俯視圖，其中，I為海水樣品及標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)樣引導(dǎo)通道，2為分析溶液進(jìn)樣引導(dǎo)通道，3為油相進(jìn)樣通道；
圖5為NO2-分析過程示意圖(虛線箭頭表示液滴運(yùn)動方向)，其中，I為待測水樣和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱，2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱，3為控制液體移動的電扱，4為混合反應(yīng)區(qū)域電極，5為檢測區(qū)域電極，6為儲存廢液電極，7為亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液液滴，8為磺胺溶液液滴，9為鹽酸萘こニ胺溶液液滴,10為第一次融合液滴,11為第二次融合液滴，12為反應(yīng)生成的紅色偶氮顏料液滴；
圖6為P043_分析過程示意圖(虛線箭頭表示液滴運(yùn)動方向)，其中，I為待測水樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱，2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱，3為控制液體移動的電扱，4為混合反應(yīng)區(qū)域電極，5為檢測區(qū)域電極，6為儲存廢液電扱，7為磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液液滴，8為酸性鑰酸銨-酒石酸鋪鉀混合溶液液滴，9為抗壞血酸還原液液滴,10為第一次融合液滴,11為第二次融合液滴，12為反應(yīng)生成的磷鑰藍(lán)液滴；
圖7為較高濃度SiO42-分析過程示意圖(虛線箭頭表示液滴運(yùn)動方向)，其中，I為待測水樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱，2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱，3為控制液體移動的電扱，4為混合反應(yīng)區(qū)域電極，5為檢測區(qū)域電極,6為儲存廢液電極,7為娃酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液液滴,8為酸性鑰酸銨溶液液滴，9為第一次融合液滴，10為反應(yīng)生成的硅鑰黃液滴；
圖8為較低濃度SiO42-分析過程示意圖(虛線箭頭表示液滴運(yùn)動方向)，其中，I為待測水樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液的進(jìn)樣電扱，2為不同分析溶液的進(jìn)樣電扱，3為控制液體移動的電扱，4為混合反應(yīng)區(qū)域電極，5為檢測區(qū)域電極,6為儲存廢液電極,7為娃酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液液滴,8為酸性鑰酸銨溶液液滴，9為抗壞血酸還原液液滴,10為第一次融合液滴,11為第二次融合液滴，12為反應(yīng)生成的娃鑰藍(lán)液滴；
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例將對本發(fā)明予以進(jìn)ー步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。實(shí)施例I
利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖I和圖2所示，配置亞硝酸鹽NO2-標(biāo)準(zhǔn)溶液IOOOmL,濃度為0. 10mg/L，50mL用于數(shù)字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。NO2-數(shù)字微流控芯片分析過程如圖5所示，分別在標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣電極和不同分析溶液的進(jìn)樣電極處分別生成各溶液獨(dú)立液滴，亞硝酸鹽液滴運(yùn)行到磺胺液滴處，與其發(fā)生融合，進(jìn)行重氮化反應(yīng)過程，之后鹽酸萘こニ胺液滴運(yùn)行至融合液滴處，與其發(fā)生再次融合，在混合反應(yīng)區(qū)域電極處耦合生成紅色偶氮顏料液滴，然后輸運(yùn)至檢測區(qū)域電極處，CCD拍照，Image Pro軟件分析顏色灰度,與數(shù)字微流控芯片生成標(biāo)準(zhǔn)曲線對照,計(jì)算NOf分析濃度，平行測定三次，測定后廢液運(yùn)行至儲存廢液電極。將所測濃度與分光光度法所得結(jié)果作比較，發(fā)現(xiàn)差異性不顯著0°>0. 05)。實(shí)施例2利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖I和圖2所示，配置磷酸鹽PO/—標(biāo)準(zhǔn)溶液IOOOmL,濃度為0. 10mg/L，50mL用于數(shù)字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。PO/—數(shù)字微流控芯片分析過程如圖6所示，分別在標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣電極和不同分析溶液的進(jìn)樣電極處分別生成各溶液獨(dú)立液滴，PO43-液滴運(yùn)行到酸性鑰酸銨-酒石酸銻鉀混合溶液液滴處，與其發(fā)生融合反應(yīng)生成磷鑰黃，之后抗壞血酸液滴液滴運(yùn)行至融合液滴處，與其發(fā)生再次融合，在混合反應(yīng)區(qū)域電極處充分混合發(fā)生還原反應(yīng)生成磷鑰藍(lán)液滴，然后輸運(yùn)至檢測區(qū)域電極處，C⑶拍照，Image Pro軟件分析顔色灰度，與數(shù)字微流控芯片生成標(biāo)準(zhǔn)曲線對照，計(jì)算P043_分析濃度，平行測定三次，測定后廢液運(yùn)行至儲存廢液電極。將所測濃度與分光光度法所得結(jié)果作比較，發(fā)現(xiàn)差異性不顯著0°>0. 05)。實(shí)施例3
利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖I和圖2所示，配置硅酸鹽SiO42-標(biāo)準(zhǔn)溶液IOOOmL,濃度為0. 15mg/L, 50mL用于數(shù)字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。SiO42-數(shù)字微流控芯片分析過程如圖7所示，分別在標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣電極和不同 分析溶液的進(jìn)樣電極處分別生成各溶液獨(dú)立液滴，SiO42-液滴運(yùn)行到酸性鑰酸銨液滴處，與其發(fā)生融合，之后輸運(yùn)至混合反應(yīng)區(qū)域電極處充分混合發(fā)生反應(yīng)生成硅鑰黃，然后輸運(yùn)至檢測區(qū)域電極處，CCD拍照，Image Pro軟件分析顔色灰度，與數(shù)字微流控芯片生成標(biāo)準(zhǔn)曲線對照，計(jì)算SiO42-分析濃度，平行測定三次，測定后廢液運(yùn)行至儲存廢液電極。將所測濃度與分光光度法所得結(jié)果作比較，發(fā)現(xiàn)差異性不顯著0°>0. 05)。實(shí)施例4
利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖I和圖2所示，配置亞硝酸鹽Si042_標(biāo)準(zhǔn)溶液IOOOmL,濃度為0. 05mg/L, 50mL用于數(shù)字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。SiO42-數(shù)字微流控芯片分析過程如圖8所示，分別在標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)樣電極和不同分析溶液的進(jìn)樣電極處分別生成各溶液獨(dú)立液滴，SiO42-液滴運(yùn)行到酸性鑰酸銨液滴處，與其發(fā)生融合生成硅鑰黃，抗壞血酸液滴運(yùn)行至融合液滴處，與之發(fā)生再次融合，之后運(yùn)行至混合反應(yīng)區(qū)域電極處充分混合發(fā)生還原反應(yīng)生成硅鑰藍(lán)液滴，然后輸運(yùn)至檢測區(qū)域電極處，CCD拍照，Image Pro軟件分析顔色灰度，與數(shù)字微流控芯片生成標(biāo)準(zhǔn)曲線對照，計(jì)算SiO42-分析濃度，平行測定三次，測定后廢液運(yùn)行至儲存廢液電極。將所測濃度與分光光度法所得結(jié)果作比較，發(fā)現(xiàn)差異性不顯著OdX). 05)。
權(quán)利要求
1.一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于該芯片系統(tǒng)由以下兩個(gè)單元構(gòu)成，第一個(gè)單元為用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片；第二個(gè)單元為用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備； 其中用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片由上、下兩層正方形芯片結(jié)構(gòu)構(gòu)成下層為數(shù)字控制層，具有電極陣列結(jié)構(gòu)，其使用的電極材料為鉻，基底為玻璃；電極陣列上進(jìn)一步涂覆絕緣介電質(zhì)和疏水保護(hù)介質(zhì)；上層為刻蝕有微通道的引導(dǎo)芯片層，其使用的材質(zhì)可能為玻璃、PMMA或者PDMS等材料中的一種。
2.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于芯片上下兩層的封接方式為玻璃-玻璃的熱鍵合封接、玻璃-PDMS的可逆或者不可以封接、玻璃-PMMA的不可逆封接中的一種。
3.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于所述用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片外圍設(shè)備包括進(jìn)樣器單元、外圍電控單元和芯片檢測系統(tǒng)；其中，進(jìn)樣器單元由外接蠕動泵和聚四氟乙烯導(dǎo)管構(gòu)成；芯片檢測系統(tǒng)采用光學(xué)檢測。
4.按照權(quán)利要求I或3所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于標(biāo)準(zhǔn)溶液、分析溶液和水體樣品分別通過對應(yīng)進(jìn)樣器單元進(jìn)入數(shù)字微流控芯片，通過外圍電控單元對電極陣列程序加電，可以控制其對應(yīng)表面的親疏水特性，從而實(shí)現(xiàn)樣品和溶液液滴的移動過程，控制液滴依次進(jìn)入混合反應(yīng)區(qū)、檢測區(qū)和廢液池，移動過程在引導(dǎo)芯片層通道內(nèi)進(jìn)行。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于為了防止水體樣品對數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)的腐蝕破壞作用，在對應(yīng)進(jìn)樣器單元后端可添加過濾柱以除去微顆粒和微生物組分。
6.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于為了保護(hù)電極和微通道表面，在微通道中可加入油相起到潤滑作用，所使用的油相可以為氟碳油、礦物油、植物油或者硅油中的一種或者幾種。
7.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于可以在線生成標(biāo)準(zhǔn)曲線，并進(jìn)行多次相同水體樣品或者多個(gè)不同水體樣品的分析檢測。
8.按照權(quán)利要求I所述的用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于該方法不僅可以應(yīng)用于水體樣品中營養(yǎng)鹽測定，如無機(jī)磷、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮的測定，還可以用于其他基于顯色原理測定的化學(xué)要素，如重金屬和微量元素的分析檢測。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于水體營養(yǎng)元素測定的數(shù)字微流控芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)將基于電潤濕原理的數(shù)字微流控技術(shù)和基于微流體控制的微通道微流控技術(shù)相結(jié)合，通過控制電極的加電順序來控制待測水樣的移動、混合、反應(yīng)、檢測以及分析等步驟，并在微通道的引導(dǎo)下使其不會偏離電極所謂位置，增強(qiáng)了樣品的定位功能。同時(shí)，通過在線的程序控制，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣分析和不同樣品的進(jìn)樣分析。該方法具有成本低、工作量小、自動化程度高以及高通量快速分析等優(yōu)點(diǎn)，適合用于水體營養(yǎng)鹽各個(gè)參數(shù)的在線分析。
文檔編號B01L3/00GK102861623SQ20121036879
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者鄭國俠, 李雅杰, 王云華, 魏俊峰 申請人:大連大學(xué)