专利名称：一种用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及到数字微流控芯片技术与环境监测领域，特别提供了一种适于简单、快速和现场进行水体营养元素測定的数字微流控芯片系统。
背景技术：
水体中的氮、磷、硅等元素组成的某些盐类，是水生植物生长的必需营养盐，通常把这些盐称为“植物营养盐”、“微量营养盐”或“生源要素”。营养盐的分布和变化关系着水生生物的生态平衡，造就了水生生物的多祥性。水体中的富营养却会引发赤潮成为灾害。因此为了实现水资源的可持续利用和社会、经济、生态三大效益的统一，营养盐分布的研究正成为水体环境研究项目中的ー个重要指标。多年来以来，水体中营养盐的測定，仍主要基于加液、稀释、萃取、搅拌、定容、和湿化学反应等复杂、繁琐的手工操作。分析过程中试样的处理往往占去整个分析时间的90%。同时，需要耗费大量的化学试剂，测试成本较高，也不利 环保。这种状况远远不能满足计算机时代对ー个实验室提供的信息量要求，更无法适应现场恶劣分析环境中的长期、连续的监测过程。数字微流控芯片是近年来发展起来的与连续微流控芯片平行的ー种新型微流体操控平台，它主要利用介质上电润湿效应，通过外加电压控制介质层上固液、气液界面的表面张カ实现对不连续的微小液滴进行操控，因此又被称作数字式液滴微流控芯片。在化学分析系统的构建中，数字微流控芯片将通过逻辑控制操控含有反应物(样品和化学试剂)的液滴，借助于不同液滴间的充分融合实现微化学反应。在反应完成后，含待测生成物的液滴将在电极电场的控制下向不同方向输运，因此可以有效地避免阻塞。同时可通过系统功能的扩展，实现自动參比、现场加标、高通量、高内涵的溶液处理等过程，最大限度满足水体化学要素的分析要求。随着研究的不断深入，数字微流控芯片系统或可成为分析化学研究的重要平台技术之一，同时为化学要素的现场測定和传感器研制等方面提供技术与理论的支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，以解决目前营养盐分析工作中工作量大，通量低，预处理繁琐，测试成本高等诸多问题。本发明提供了一种用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，该系统将数字微流控芯片技术、微通道微流控芯片技术和电润湿技术相组合，将常规的水体营养盐分析中的取样、前处理、过滤、混合、反应和检测等过程集成在一块功能芯片上完成，实现了在数字微流控芯片平台上水体营养元素的分析测定过程。试剂消耗量低，操作简便。本发明提供的用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，由两个单元构成，第一个基本单元为数字微流控芯片；第二个基本单元为数字微流控芯片外围设备；其中，数字微流控芯片主要由两部分构成，第一部分是镀有导电电极的下层芯片，用于控制液体的移动和混合等步骤；第二部分是刻蚀有微通道的上层芯片，用于对移动的液滴进行导向和规范作用，防止移动过程中样品溶液的滑动；
本发明提供的用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统由以下两个单元构成，第一个单元为用于水体营养元素測定的数字微流控芯片；第二个单元为用于水体营养元素测定的数字微流控芯片外围设备；
其中用于水体营养元素測定的数字微流控芯片由上、下两层正方形芯片结构构成下层为数字控制层，具有电极阵列结构，其使用的电极材料为铬，基底为玻璃；电极阵列上进ー步涂覆绝缘介电质(其使用材料可为Parylene C、S3N4或P (VDF-TrFE)等材料中的ー种)和疏水保护介质(Teflon-AF);上层为刻蚀有微通道的引导芯片层，其使用的材质可能为玻璃、PMMA或者PDMS等材料中的ー种。本发明提供的用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，其特征在干芯片上下两层的封接方式为玻璃-玻璃的热键合封接、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种。本发明提供的用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，所述数字微流控芯片外围设备，是用于水体营养元素分析測定的芯片实现各功能的外部支持及营养元素含量測定的检测装置，主要包括蠕动微泵、过滤柱、显微镜、高分辨率CCD成像系统及相关分析软件等。其中，由蠕动微泵控制的进样器単元，通过外接程序控制不同的液体进入至两层芯片之间，可调节流速或者流量，也可以控制进样量的多少，从而实现样品的定量及定性分祈。同时，在水体样品进样器单元后端添加过滤柱，其目的在于防止水体样品中微颗粒和微生物组分对数字微流控芯片系统的腐蚀破坏作用。本发明提供的用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，其特征在干标准溶液、分析溶液和水体样品分别通过对应进样器单元进入数字微流控芯片，通过外围电控单元对电极阵列程序加电，可以控制其对应表面的亲疏水特性，从而实现样品和溶液液滴的移动过程，控制液滴依次进入混合反应区、检测区和废液池，移动过程在引导芯片层通道内进行。本发明提供的用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，其特征在干为了保护电极和微通道表面，在微通道中可加入油相起到润滑作用，所使用的油相可以为氟碳油、矿物油、植物油或者硅油中的ー种或者几种。本发明提供的用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，其特征在于可以在线生成标准曲线，并进行多次相同水体样品或者多个不同水体样品的分析检测。本发明提供的用于水体营养元素測定的数字微流控芯片系统，其优点在干分析过程操作简单，成本低廉，集成度高，可以应用于目前水体环境监测中营养盐多參数的同时快速检测，并进一歩用于传感器的制备研究。
图I为数字微流控芯片整体示意图，其中，I为标准溶液进样器単元(X 5 )，2为电扱，3为水样过滤柱，4为水样进样器単元，5为油相进样器単元，6为分析溶液进样器単元，7为混合反应区域，8为检测区域，9为废液区域；
图2为数字微流控芯片剖面结构图，其中，I为引导芯片层，2为数字控制层，3为电扱，4为绝缘介电质，5为疏水保护介质，6为玻璃基底,7为液滴,可以是来自与待测水样、标准样品或试剂；
图3为数字微流控芯片数字控制层俯视图，其中，I为待测水样和标准溶液的进样电扱，2为不同分析溶液的进样电扱，3为控制液体移动的电扱，4为混合反应区域电极，5为检测区域电极，6为储存废液电极；
图4为数字微流控芯片引导芯片层俯视图，其中，I为海水样品及标准样本进样引导通道，2为分析溶液进样引导通道，3为油相进样通道；
图5为NO2-分析过程示意图(虚线箭头表示液滴运动方向)，其中，I为待测水样和标准溶液的进样电扱，2为不同分析溶液的进样电扱，3为控制液体移动的电扱，4为混合反应区域电极，5为检测区域电极，6为储存废液电极，7为亚硝酸盐标准溶液液滴，8为磺胺溶液液滴，9为盐酸萘こニ胺溶液液滴,10为第一次融合液滴,11为第二次融合液滴，12为反应生成的红色偶氮颜料液滴；
图6为P043_分析过程示意图(虚线箭头表示液滴运动方向)，其中，I为待测水样品和标准溶液的进样电扱，2为不同分析溶液的进样电扱，3为控制液体移动的电扱，4为混合反应区域电极，5为检测区域电极，6为储存废液电扱，7为磷酸盐标准溶液液滴，8为酸性钥酸铵-酒石酸铺钾混合溶液液滴，9为抗坏血酸还原液液滴,10为第一次融合液滴,11为第二次融合液滴，12为反应生成的磷钥蓝液滴；
图7为较高浓度SiO42-分析过程示意图(虚线箭头表示液滴运动方向)，其中，I为待测水样品和标准溶液的进样电扱，2为不同分析溶液的进样电扱，3为控制液体移动的电扱，4为混合反应区域电极，5为检测区域电极,6为储存废液电极,7为娃酸盐标准溶液液滴,8为酸性钥酸铵溶液液滴，9为第一次融合液滴，10为反应生成的硅钥黄液滴；
图8为较低浓度SiO42-分析过程示意图(虚线箭头表示液滴运动方向)，其中，I为待测水样品和标准溶液的进样电扱，2为不同分析溶液的进样电扱，3为控制液体移动的电扱，4为混合反应区域电极，5为检测区域电极,6为储存废液电极,7为娃酸盐标准溶液液滴,8为酸性钥酸铵溶液液滴，9为抗坏血酸还原液液滴,10为第一次融合液滴,11为第二次融合液滴，12为反应生成的娃钥蓝液滴；
具体实施例方式下面的实施例将对本发明予以进ー步的说明，但并不因此而限制本发明。实施例I
利用实验室自行设计并制作的数字微流控芯片系统，构型如图I和图2所示，配置亚硝酸盐NO2-标准溶液IOOOmL,浓度为0. 10mg/L，50mL用于数字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。NO2-数字微流控芯片分析过程如图5所示，分别在标准溶液进样电极和不同分析溶液的进样电极处分别生成各溶液独立液滴，亚硝酸盐液滴运行到磺胺液滴处，与其发生融合，进行重氮化反应过程，之后盐酸萘こニ胺液滴运行至融合液滴处，与其发生再次融合，在混合反应区域电极处耦合生成红色偶氮颜料液滴，然后输运至检测区域电极处，CCD拍照，Image Pro软件分析颜色灰度,与数字微流控芯片生成标准曲线对照,计算NOf分析浓度，平行測定三次，測定后废液运行至储存废液电极。将所测浓度与分光光度法所得结果作比较，发现差异性不显著0°>0. 05)。实施例2利用实验室自行设计并制作的数字微流控芯片系统，构型如图I和图2所示，配置磷酸盐PO/—标准溶液IOOOmL,浓度为0. 10mg/L，50mL用于数字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。PO/—数字微流控芯片分析过程如图6所示，分别在标准溶液进样电极和不同分析溶液的进样电极处分别生成各溶液独立液滴，PO43-液滴运行到酸性钥酸铵-酒石酸锑钾混合溶液液滴处，与其发生融合反应生成磷钥黄，之后抗坏血酸液滴液滴运行至融合液滴处，与其发生再次融合，在混合反应区域电极处充分混合发生还原反应生成磷钥蓝液滴，然后输运至检测区域电极处，C⑶拍照，Image Pro软件分析顔色灰度，与数字微流控芯片生成标准曲线对照，计算P043_分析浓度，平行測定三次，測定后废液运行至储存废液电极。将所测浓度与分光光度法所得结果作比较，发现差异性不显著0°>0. 05)。实施例3
利用实验室自行设计并制作的数字微流控芯片系统，构型如图I和图2所示，配置硅酸盐SiO42-标准溶液IOOOmL,浓度为0. 15mg/L, 50mL用于数字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。SiO42-数字微流控芯片分析过程如图7所示，分别在标准溶液进样电极和不同 分析溶液的进样电极处分别生成各溶液独立液滴，SiO42-液滴运行到酸性钥酸铵液滴处，与其发生融合，之后输运至混合反应区域电极处充分混合发生反应生成硅钥黄，然后输运至检测区域电极处，CCD拍照，Image Pro软件分析顔色灰度，与数字微流控芯片生成标准曲线对照，计算SiO42-分析浓度，平行測定三次，測定后废液运行至储存废液电极。将所测浓度与分光光度法所得结果作比较，发现差异性不显著0°>0. 05)。实施例4
利用实验室自行设计并制作的数字微流控芯片系统，构型如图I和图2所示，配置亚硝酸盐Si042_标准溶液IOOOmL,浓度为0. 05mg/L, 50mL用于数字微流控芯片分析法，950mL用于分光光度法。SiO42-数字微流控芯片分析过程如图8所示，分别在标准溶液进样电极和不同分析溶液的进样电极处分别生成各溶液独立液滴，SiO42-液滴运行到酸性钥酸铵液滴处，与其发生融合生成硅钥黄，抗坏血酸液滴运行至融合液滴处，与之发生再次融合，之后运行至混合反应区域电极处充分混合发生还原反应生成硅钥蓝液滴，然后输运至检测区域电极处，CCD拍照，Image Pro软件分析顔色灰度，与数字微流控芯片生成标准曲线对照，计算SiO42-分析浓度，平行測定三次，測定后废液运行至储存废液电极。将所测浓度与分光光度法所得结果作比较，发现差异性不显著OdX). 05)。
权利要求
1.一种用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，其特征在于该芯片系统由以下两个单元构成，第一个单元为用于水体营养元素测定的数字微流控芯片；第二个单元为用于水体营养元素测定的数字微流控芯片外围设备； 其中用于水体营养元素测定的数字微流控芯片由上、下两层正方形芯片结构构成下层为数字控制层，具有电极阵列结构，其使用的电极材料为铬，基底为玻璃；电极阵列上进一步涂覆绝缘介电质和疏水保护介质；上层为刻蚀有微通道的引导芯片层，其使用的材质可能为玻璃、PMMA或者PDMS等材料中的一种。
2.按照权利要求I所述的用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，其特征在于芯片上下两层的封接方式为玻璃-玻璃的热键合封接、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种。
3.按照权利要求I所述的用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，其特征在于所述用于水体营养元素测定的数字微流控芯片外围设备包括进样器单元、外围电控单元和芯片检测系统；其中，进样器单元由外接蠕动泵和聚四氟乙烯导管构成；芯片检测系统采用光学检测。
4.按照权利要求I或3所述的用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，其特征在于标准溶液、分析溶液和水体样品分别通过对应进样器单元进入数字微流控芯片，通过外围电控单元对电极阵列程序加电，可以控制其对应表面的亲疏水特性，从而实现样品和溶液液滴的移动过程，控制液滴依次进入混合反应区、检测区和废液池，移动过程在引导芯片层通道内进行。
5.按照权利要求3或4所述的用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，其特征在于为了防止水体样品对数字微流控芯片系统的腐蚀破坏作用，在对应进样器单元后端可添加过滤柱以除去微颗粒和微生物组分。
6.按照权利要求I所述的用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，其特征在于为了保护电极和微通道表面，在微通道中可加入油相起到润滑作用，所使用的油相可以为氟碳油、矿物油、植物油或者硅油中的一种或者几种。
7.按照权利要求I所述的用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，其特征在于可以在线生成标准曲线，并进行多次相同水体样品或者多个不同水体样品的分析检测。
8.按照权利要求I所述的用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，其特征在于该方法不仅可以应用于水体样品中营养盐测定，如无机磷、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮的测定，还可以用于其他基于显色原理测定的化学要素，如重金属和微量元素的分析检测。
全文摘要
本发明提供了一种用于水体营养元素测定的数字微流控芯片系统，该系统将基于电润湿原理的数字微流控技术和基于微流体控制的微通道微流控技术相结合，通过控制电极的加电顺序来控制待测水样的移动、混合、反应、检测以及分析等步骤，并在微通道的引导下使其不会偏离电极所谓位置，增强了样品的定位功能。同时，通过在线的程序控制，可以实现连续进样分析和不同样品的进样分析。该方法具有成本低、工作量小、自动化程度高以及高通量快速分析等优点，适合用于水体营养盐各个参数的在线分析。
文档编号B01L3/00GK102861623SQ20121036879
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者郑国侠, 李雅杰, 王云华, 魏俊峰 申请人:大连大学