專利名稱：一種檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片，該離心式微流控芯片是表面有微結(jié)構(gòu)和微通道的圓片狀芯片，在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心カ驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)樣品與試劑的混合、反應(yīng)和分離過程，以紫外可見光分光光度計(jì)定量或定性檢測(cè)出芯片上樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量，主要應(yīng)用于衛(wèi)生檢疫、食品安全、環(huán)境保護(hù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和環(huán)境資源的過度開發(fā)，產(chǎn)生的環(huán)境污染問題引起了民眾的日益關(guān)注。例如，目前廣泛采用的含氮農(nóng)藥、化學(xué)氮肥及含氮エ業(yè)廢水、廢渣對(duì)土壌和水體造成的硝酸鹽和亞硝酸鹽污染已經(jīng)威脅和危害到了環(huán)境和人們的健康。硝酸鹽和亞硝酸鹽的檢測(cè)首先需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，主要包括預(yù)處理、提取、凈化、濃縮、衍生等過程，樣品前處理所花費(fèi)的時(shí)間約占樣品分析時(shí)間的60%，引起的誤差約占檢測(cè)誤差的30%，而儀器誤差只占8%。由此可見，樣品前處理在樣品分析檢測(cè)中非常重要。目前，常規(guī)樣品前處理技術(shù)有微波消解、固相微萃取、快速溶劑萃取、微波萃取和超臨界萃取，可以有效地進(jìn)行樣品前處理，但樣品用量大，損失多，操作時(shí)間長(zhǎng)，成本較高。因此，發(fā)展ー種快速、高效、樣品前處理簡(jiǎn)単、樣品損失小、易于自動(dòng)化、試劑用量小的樣品前處理方法，是檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的技術(shù)發(fā)展的迫切需求。近年來，微流控芯片作為ー種新型的分析平臺(tái)，是ー種結(jié)合樣品前處理和檢測(cè)手段的新興分析技術(shù)，具有微型化、自動(dòng)化、高通量、集成化、便捷和快速等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、藥物篩選、衛(wèi)生檢疫、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，采用圓片狀芯片，在其表面制備微結(jié)構(gòu)和微通道用于分析檢測(cè)，無需外置驅(qū)動(dòng)泵和閥，依靠離心カ驅(qū)動(dòng)和控制樣品微流體，同時(shí)完成數(shù)個(gè)樣品分析檢測(cè)的離心式微流控芯片技木，目前在快速檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的應(yīng)用領(lǐng)域尚未有實(shí)質(zhì)性的突破。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，該檢測(cè)芯片是圓片狀帶微結(jié)構(gòu)和微通道的離心式微流控芯片，在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心カ驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品與試劑在芯片微通道中的混合、反應(yīng)和分離過程，以紫外可見光分光光度計(jì)定量或定性檢測(cè)出芯片上樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量。離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)專為圓片狀芯片設(shè)計(jì)，中心以吸盤、卡槽或螺絲-螺母固定圓片狀離心式微流控芯片。離心式微流控芯片由多層刻有微結(jié)構(gòu)和微通道的芯片和雙層粘性薄膜封合而成。離心式微流控芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道的尺寸是微米級(jí)別，包括樣品池、反應(yīng)池、檢測(cè)池、微閥、微流體通道和微孔。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下操作步驟
I.用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制離心式微流控芯片的各層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形；2.通過微加工技術(shù)在各層離心式微流控芯片基材表面加工所需的微結(jié)構(gòu)和微通道，包括樣品池、反應(yīng)池、檢測(cè)池、微閥、微流體通道和微孔；3.在還原反應(yīng)樣品池中加入固體試劑；4.將各層離心式微流控芯片對(duì)齊、粘合、加壓封合，組成檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片。5.芯片封合后，將標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)水樣從樣品注入孔加入；6.啟動(dòng)離心機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)水樣與固體試劑進(jìn)行混合、反應(yīng)和分離的樣品前處理；
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7.樣品前處理完成后，通過紫外可見光分光光度計(jì)檢測(cè)出結(jié)果。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、C0C、硅片、玻璃、銅、鋁、不銹鋼圓片，也可是市售的各類⑶光盤。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的芯片可以通過離心機(jī)的吸盤、卡槽固定，也可通過螺絲-螺母固定。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片可以是中心有孔芯片，也可是無孔芯片。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的分析樣品可以是土壌、水體，也可是各類食品。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道可以通過數(shù)控銑刻、激光刻蝕、LIGA技術(shù)、模塑法、熱壓法、化學(xué)腐蝕制備，也可用軟刻蝕技術(shù)制備。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的各層芯片之間用雙層粘性薄膜封合，雙層粘性薄膜可以是カ致雙層粘性膜，也可是普通雙面膠。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的樣品池與檢測(cè)池之間的連接微通道的寬度和深度均為380 iim，置入外徑375 iim的石英毛細(xì)管作為微閥，石英毛細(xì)管的內(nèi)徑可以是100、75、5011111，也可是2511111，通過改變石英毛細(xì)管的內(nèi)徑大小來調(diào)控樣品微流體通過石英毛細(xì)管所需的離心力。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片依靠離心力來驅(qū)動(dòng)芯片微通道中樣品微流體，固體試劑與溶液混合操作吋，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為150 300轉(zhuǎn)/分，而溶液分離通過石英毛細(xì)管的離心轉(zhuǎn)速為700 1000轉(zhuǎn)/分。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的N03_測(cè)定反應(yīng)分兩步進(jìn)行，N03_首先被固體試劑NitmVer 6還原為N02_，N02_再與固體試劑NitriVer 3反應(yīng)生成衍生物粉紅色偶氮染料。N02_的測(cè)定直接采用第二步反應(yīng)。本發(fā)明中，檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片用于測(cè)定反應(yīng)的固體試劑NitraVer 6的用量為7. 5 8. 5mg,而固體試劑NitraVer 3的用量為4. 5 5. Smgo本發(fā)明提出的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的圓片狀離心式微流控芯片，可同時(shí)檢測(cè)多組樣品，単位時(shí)間的平行檢測(cè)能力高，降低了試劑與樣品的用量，簡(jiǎn)化了樣品前處理步驟，縮短了檢測(cè)時(shí)間，具有便攜、經(jīng)濟(jì)、快速、高效的特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)、快速、高效檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的相關(guān)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。


圖I.檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。A 第I層(底層芯片，封合用)，B 第2層(雙層粘性薄膜，粘合用)，C 第3層(中間層主芯片，有微結(jié)構(gòu)和微通道)，D.第4層(雙層粘性薄膜，粘合用)，E.第5層(上層芯片，有進(jìn)樣孔和通氣孔)，F(xiàn). —組樣品分析檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖1)還原反應(yīng)樣品池，2和3)衍生反應(yīng)樣品池(檢測(cè)池)，4)石英毛細(xì)管，5、6和7)通氣孔。
具體實(shí)施方案實(shí)施例I用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。通過數(shù)控CNC加工制備三層環(huán)烯烴共聚物(COC)圓片狀芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道，分別用自來水、蒸餾水清洗各層芯片，并用こ醇擦拭芯片表面殘留的指·紋、油潰等污潰。在兩層雙面膠薄膜上，用刻字機(jī)加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。稱量5mg NitriVer 3直接置于衍生反應(yīng)樣品池(檢測(cè)池)后，將三層COC芯片和兩層雙面膠薄膜小心對(duì)齊、粘合、加壓封合，制成檢測(cè)芯片。在樣品注入孔處加入IOOy L標(biāo)準(zhǔn)溶液或待測(cè)水樣，離心式微流控芯片在離心機(jī)上以150轉(zhuǎn)/分進(jìn)行混合，反應(yīng)IOmin后，用紫外可見光分光光度計(jì)在507nm最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定溶液吸光度，獲得樣品中亞硝酸鹽的含量。實(shí)施例2用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制離心式微流控芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。通過數(shù)控CNC加工制備三層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)圓片狀芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道，分別用自來水、蒸餾水清洗各層芯片，并用こ醇擦拭芯片表面殘留的指紋、油潰等。在兩層力致粘性薄膜上，用刻字機(jī)加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。稱量8mg NitraVer 6和5mg NitriVer 3分別置于還原反應(yīng)樣品池和衍生反應(yīng)樣品池中。將三層PMMA芯片和兩層カ致粘性薄膜小心對(duì)齊，粘合，加壓封合，制成檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片。在樣品注入孔處加入IOOy L標(biāo)準(zhǔn)溶液或待測(cè)水樣，離心式微流控芯片在離心機(jī)上以150轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速進(jìn)行混合，反應(yīng)IOmin后,再以700轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心,將樣品池中溶液全部移至檢測(cè)池，混合反應(yīng)IOmin后，用紫外可見光分光光度計(jì)在507nm最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定反應(yīng)溶液的吸光度，檢測(cè)出水中總硝酸鹽的含量。稱量5mgNitriVer 3直接置于衍生反應(yīng)樣品池(檢測(cè)池)后，在樣品注入孔處加入100 UL標(biāo)準(zhǔn)溶液或待測(cè)水樣，離心式微流控芯片在離心機(jī)上以150轉(zhuǎn)/分進(jìn)行混合,反應(yīng)IOmin后,用紫外可見光分光光度計(jì)在507nm最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定溶液的吸光度，獲得水中亞硝酸鹽的含量。將樣品中總硝酸鹽的含量減去亞硝酸鹽的含量，得到硝酸鹽的含量。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，該檢測(cè)芯片是圓片狀帶微結(jié)構(gòu)和微通道的離心式微流控芯片，在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品與試劑在芯片微通道中的混合、反應(yīng)和分離過程，以紫外可見光分光光度計(jì)定量或定性檢測(cè)出芯片上樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量。離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)專為圓片狀芯片設(shè)計(jì)，中心以吸盤、卡槽或螺絲-螺母固定圓片狀離心式微流控芯片。圓片狀離心式微流控芯片由多層刻有微結(jié)構(gòu)和微通道的芯片和雙層粘性薄膜貼合而成。離心式微流控芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道的尺寸是微米級(jí)別，包括樣品池、反應(yīng)池、檢測(cè)池、微閥、微流體通道和微孔。
2.按權(quán)利要求I所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，其制作步驟如下 1)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制離心式微流控芯片的各層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形； 2)通過微加工技術(shù)在各層離心式微流控芯片基材表面加工所需的微結(jié)構(gòu)和微通道，包括樣品池、反應(yīng)池、檢測(cè)池、微閥、微流體通道和微孔； 3)在還原反應(yīng)樣品池中加入固體試劑； 4)將各層離心式微流控芯片對(duì)齊、粘合、加壓封合，組成檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片。
5)芯片封合后，將標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)水樣從樣品注入孔加入； 6)啟動(dòng)離心機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)水樣與固體試劑進(jìn)行混合、反應(yīng)和分離的樣品前處理； 7)樣品前處理完成后，通過紫外可見光分光光度計(jì)檢測(cè)出結(jié)果。
3.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測(cè)芯片的核心功能器件是圓片狀離心式微流控芯片，微流控芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道是通過數(shù)控銑刻、激光刻蝕、LIGA技術(shù)、模塑法、熱壓法、化學(xué)腐蝕、軟刻蝕技術(shù)的微加工方法在芯片基材表面制備，芯片可以批量生產(chǎn)、多次利用、靈活設(shè)計(jì)與組裝。
4.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測(cè)芯片無需任何外置的泵和閥，樣品微流體在離心力驅(qū)動(dòng)下與固體試劑進(jìn)行混合、反應(yīng)和分離。
5.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測(cè)芯片由多層芯片疊加而成，構(gòu)成三維立體的微結(jié)構(gòu)和微通道網(wǎng)絡(luò)，可以直接在同一張芯片上完成樣品預(yù)處理和檢測(cè)，無需進(jìn)樣前處理。
6.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測(cè)芯片可以同時(shí)檢測(cè)樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量。
7.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測(cè)芯片可以在一塊芯片上制作多組微結(jié)構(gòu)和微通道，構(gòu)成多組樣品分析檢測(cè)單元，可以高通量采樣，提高單位時(shí)間的平行檢測(cè)能力。
8.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測(cè)芯片的微閥由石英毛細(xì)管預(yù)埋入微通道中構(gòu)成，通過控制石英毛細(xì)管的內(nèi)徑來調(diào)控樣品微流體的流動(dòng)。
9.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測(cè)芯片是通過改變離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，使樣品和固體試劑充分混合和反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在離心力驅(qū)動(dòng)下，由反應(yīng)池通過石英毛細(xì)管轉(zhuǎn)移至檢測(cè)池，石英毛細(xì)管的內(nèi)徑越小，樣品微流體通過該石英毛細(xì)管所需的離心力就越大，所需離心轉(zhuǎn)速就越高。
10.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測(cè)芯片設(shè)備簡(jiǎn)單、便于攜帶、直接采樣、無需進(jìn)樣前處理、試劑用量小、分析檢測(cè)能力高、易與檢測(cè)器連接、樣品預(yù)處理和檢測(cè)過程在同一芯片上完成、樣品無需轉(zhuǎn)移、樣品交叉污染幾率小，很好地滿足微全分析系統(tǒng)發(fā)展的需要，在快速檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)硝酸鹽和亞硝酸鹽的離心式微流控芯片及其制備方法。該芯片是圓片狀帶微結(jié)構(gòu)和微通道的離心式微流控芯片，在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力驅(qū)動(dòng)下，完成樣品與試劑的混合、反應(yīng)和分離過程，以紫外可見光分光光度計(jì)定量或定性檢測(cè)出樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量。該離心式微流控芯片需要試劑與樣品少，無需進(jìn)樣前處理，可同時(shí)處理和檢測(cè)多個(gè)樣品，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的集成化、微型化、自動(dòng)化，具有經(jīng)濟(jì)、快速、便攜、高效的特點(diǎn)，為水體、土壤和食品中硝酸鹽和亞硝酸鹽的快速定量檢測(cè)提供了一種全新的分析技術(shù)。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102784672SQ20121028544
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者沙俊, 王曉東, 聶富強(qiáng) 申請(qǐng)人:蘇州汶顥芯片科技有限公司