一种环境监测用微流控芯片的制作方法

一种环境监测用微流控芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种环境监测用微流控芯片，包括基板，基板上设置有处理器和两个分开布设的感应电极，在两个感应电极之间设置有测试电极，所述测试电极和两个感应电极分别连接所述的处理器，传输检测信号；在所述两个感应电极和测试电极的上方设置有吸水薄膜。本实用新型的微流控芯片解决了传统用于监测环境中痕量重金属元素的仪器设备制造成本高、无法对复杂环境样品进行直接检测等问题，具有操作简单、检测结果准确、可靠且完全自动化等优点，可广泛应用于环境中痕量重金属元素的快速定性和定量分析，以提高环境监测的实时性和快速性，节省了环境监测过程的成本，提高了监测效率，在环境现场快速监测等领域具有广阔的应用空间。
【专利说明】—种环境监测用微流控芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型属于环境监测设备【技术领域】，具体地说，是涉及一种用于检测液体样品中痕量重金属含量的微流控芯片技术。
【背景技术】
[0002]随着我国经济的发展，环境污染问题日益凸显，已经引起了国家和人民的广泛关注，其中，重金属是最具潜在威胁的有害污染因素之一。由于重金属污染不能被环境微生物分解，而且微生物体具有富集重金属的能力，因此重金属在极其微量的情况下也会产生不良的后果，严重威胁着各种生态系统及人类的生命安全。鉴于此，痕量重金属的定量分析在生态、食品、环境等方面的检测就变得非常重要。
[0003]目前，用于检测痕量重金属元素的手段是依靠原子吸收分光光度计、质谱、中子活化分析等大型仪器进行测试，其缺点主要是:需要大型、精密的仪器设备、较长的分析时间、复杂的样品前处理及分析过程等。最主要的一个问题是这些方法只能在实验室内进行，不能在检测现场使用，都需要现场采样后送到实验室进行分析，因此，传统检测方法的成本高、效率低，而且由于没有及时检测样品，中途发生的变化以及样品传输过程中的污染都会影响到检测结果的客观性。所以，开发出重金属元素的简捷快速，高灵敏度，高选择性的检测方法及仪器，实现重金属检测的实时、在线、原位具有十分重要的科学意义和应用价值。

【发明内容】

[0004]本实用新型为了解决现有用于检测痕量重金属元素的仪器设备制造成本高、无法对样品进行直接检测的问题，提出了一种结构简单、成本低廉的环境监测用微流控芯片，以实现对环境样品中痕量重金属元素的快速定性、定量分析，提高检测效率。
[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现:
[0006]一种环境监测用微流控芯片，包括基板，基板上设置有处理器和两个分开布设的感应电极，在两个感应电极之间设置有测试电极，所述测试电极和两个感应电极分别连接所述的处理器，传输检测信号；在所述两个感应电极和测试电极的上方设置有吸水薄膜。
[0007]所述吸水薄膜为一次性膜片，为了方便更换所述的吸水薄膜，优选将所述的吸水薄膜直接叠放在所述的两个感应电极和测试电极的上方。
[0008]优选的，所述吸水薄膜优选采用聚乙烯醇泡棉、聚丙烯酰胺膜或者棉纤维滤纸等材料制作而成。
[0009]为了方便更换测试电极，优选将所述测试电极设置在一块独立的电极板上，在所述基板上设置有用于插装所述电极板的插槽，在所述插槽中设置有与所述处理器相连接的金属触片，所述金属触片在电极板插入到插槽中后，刚好与电极板上连接测试电极的金属触片相接触，进而实现测试电极与基板上处理器的连接通讯。
[0010]进一步的，在所述电极板上设置有三个测试电极，其中一个为参比电极，另外两个为工作电极，三个测试电极分别与电极板上布设的三个金属触片 对应连接。[0011]为了避免对环境造成二次污染，所述参比电极优选采用银/氯化银电极，即表面附着有氯化银的银电极；所述的两个工作电极分别选用纳米铋膜电极和石墨电极，通过采用纳米铋膜电极代替传统的汞电极作为极谱法测定电极，从而可以减少环境污染。
[0012]进一步的，在所述环境监测用微流控芯片中还设置有盖板，盖板上开设有样品注入口和观察窗口，所述样品注入口和观察窗口在盖板与基板扣合后刚好与所述的两个感应电极的位置--相对。
[0013]为了提高盖板与基板之间的密封性，在所述盖板与基板之间还设置有密封条。
[0014]为了实现微流控芯片的快速拆卸和组装，在所述盖板和基板的相对位置处还分别对应设置有磁性材料和顺磁材料，利用磁性材料吸附的作用，实现盖板与基板的自动吸合和快速组装。
[0015]优选的，所述盖板优选采用塑料制成，以降低微流控芯片的整体成本。
[0016]为了将检测数据传输至外围的监控设备，以实现检测结果的分析、显示，在所述基板上还设置有用于外接数据线的外围接口，例如USB接口等，连接所述的处理器，将处理器中采集到的检测数据和生成的检测结果传送至外部的监控设备，以方便监测人员观测。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是:本实用新型的环境监测用微流控芯片，解决了传统用于监测环境中痕量重金属元素的仪器设备制造成本高、无法对复杂环境样品进行直接检测等问题，具有操作简单、检测结果准确、可靠且完全自动化等优点，可广泛应用于环境中痕量重金属元素的快速定性和定量分析，以提高环境监测的实时性和快速性，节省了环境监测过程中的成本，提高了监测效率，在环境现场快速监测等领域具有广阔的应用空间。
[0018]结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1是本实用新型所提出的环境监测用微流控芯片的一种实施例的分解结构示意图；
[0020]图2是布设在图1中盖板与基板上的磁性吸合装置的一种实施例的结构示意图；
[0021]图3是图1中盖板与基板吸合后的结构示意图；
[0022]图4是图1所示微流控芯片组装后的结构透视图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细地说明。
[0024]微型全分析系统的概念于20世纪90年代初提出，是集进样、样品处理、分离检测为一体的高度集成化、微型化以及智能化的分析系统，又称为芯片实验室。主要工作原理是:在微芯片上构建出能够完成传统实验室中样品的制备、混合、萃取、反应及检测等功能的平台，建立以计算机科学、生物学等多领域交叉的化学分析系统，实现了从试样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化，是便携式、自动化分析仪器的技术核心。
[0025]微流控技术的应用范围包括了从打印机墨水喷头、化学反应过程、燃料电池直到与生物科学密切相关的供床边检验和仿生化战的便携式仪器、植入式的自动给药装置及高通量的药物筛选等领域。
[0026]微流控芯片的出现在很大程度上弥补了传统的化学实验室的局限性，例如常规的分析实验需要较大的实验空间、多种仪器的参与、专业的操作人员等。而微流控芯片在不需要专业而复杂的操作条件下，可以对许多领域进行实时现场监测，这为化学分析测试技术的应用打下了良好的基础。
[0027]微流控芯片最早采用单晶硅作为加工微芯片的材料，但该材料存在价格昂贵、不透明、易碎且绝缘性差等缺点。后来，石英和玻璃凭借其良好的光学性能、绝缘性能和导热性能，渐渐成为加工微芯片的首选材料之一。但是，石英和玻璃仍然存在加工成本高、易碎裂等问题，因此也不是加工微流控芯片的理想材料。随着新材料、新工艺的发展，高分子聚合物材料因成本低、种类繁多、绝缘性好且易于加工成型和批量化生产等特点，成为微芯片加工的主导材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(又称亚克力、有机玻璃)和聚二甲基硅氧烷(又称硅橡胶)等。但是，国内仍然缺少成熟的加工技术，加工及使用成本仍然较高，所以目前只停留在研究阶段，很难在实际检测过程中推广应用。
[0028]鉴于以上的设计技术，现阶段的微流控芯片主要存在以下问题:
[0029]一是，目前的微流控芯片工作时需要使用的检测仪器较难微型化和便携化，究其原因，主要体现在以下两方面:
[0030]1、为实现样品与试剂的充分接触、反应或分离，必须有外力的作用，这种外力一般为电场力、正压力或负压力产生的力。人们常采用由高压电源产生的电场力或泵产生的正、负压力作为驱动源，其中，动力系统基本上都是外加动力源，例如电泳技术，需要高压电源的支持；微型泵技术容易对样品产生污染，且故障率相对较高。而且，使用过程中需要电源、载液、载气以及较干净的工作环境，这在很大程度上限制了微流控芯片对复杂环境下样品的现场检测能力。
[0031]为了解决这一问题，本实施例利用毛细管虹吸原理，采用高分子材料制造吸水薄膜，无需配置泵、阀等辅助动力器件，即可实现样品的流动，从本质上方便了向功能齐全的便携式分析仪器的集成，有助于现场快速检测的实现。
[0032]2、目前最常用的检测手段是激光诱导荧光方法，此外，还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器检测等方法。这些检测方法均需要另外配置电化学检测站、大型光谱采集仪器等设备，由此导致整个检测系统体积的增大。
[0033]为了解决这一问题，本实施例采用数据处理集成技术，将数据处理部分集成在微流控芯片中，并通过使用极谱法测定技术，大幅缩小了检测系统的整体尺寸，节省了成本。
[0034]二是，目前的微流控芯片工作时间长，样品全部通过微流体芯片检测区域需要耗费较长的时间，而且很难保证样品全部通过。对于大多数电化学检测手段来说，真实样品在检测之前总是需要对其进行预处理，因为电极检测的信号很容易受到物理因素(如气泡或者污染物等)的影响而产生干扰，因此无法通过让样品全部流过检测区域的方法进行浓度测定。
[0035]本实施例采用毛细管虹吸原理，利用特种高分子纤维材料制作吸水薄膜，作为样品的动力源，速度快捷。
[0036]三是，微流控芯片的加工技术仍较复杂，对加工设备和加工材料的要求较高，例如光刻和蚀刻技术工艺复杂、费时，并且对制造环境的要求较高，从而导致制造成本过高。这一问题在实验室内的科研应用中并不突出，但在工业级的实际应用上还不能达到大规模批量生产的水平，因而不能满足对低成本、加工简便的微流控芯片技术的大量需求，不易于大
批量生产。
[0037]为了解决这一问题，本实施例采用技术成熟的塑料模具技术，选用低成本的塑料(例如四氟乙烯、聚氯乙烯等)进行注塑生产微流控芯片，由此可以大批量、低成本生产，容易实现产业化。
[0038]四是，现有的极谱法测定技术，普遍采用滴汞电极，因而易对环境造成二次污染。
[0039]本实施例采用铋膜代替汞制作微流控芯片中的测试电极，通过使用环保型极谱法测定样品中的重金属含量，从而解决了此类问题。
[0040]下面结合图1-图4对本实施例所提出的微流控芯片的具体结构设计进行详细地阐述。
[0041]参见图1所示，在本实施例的微流控芯片中主要设计有基板1，所述基板I可以直接选用印刷线路板，其上布设处理器5(例如CPU或者MCU等)、感应电极和测试电极。其中，感应电极设置有两个，分别为用于检测样品溶液是否注入的感应电极2和用于检测吸水材料是否饱和的感应电极3。将两个感应电极2、3分开布设在基板I上，其间布设所述的测试电极，并在所述的两个感应电极2、3与测试电极的上方设置由亲水性纤维材料制成的吸水薄膜4，利用吸水薄膜4作为动力源，将注入到感应电极2的样品溶液引流至另外一个感应电极3。在样品溶液从感应电极2引流至感应电极3的过程中，样品溶液不可避免地会接触到测试电极，从而启动对样品溶液中痕量重金属元素的检测过程。将所述的两个感应电极
2、3和测试电极分别通过基板I上的PCB走线连接所述的处理器5，以实现检测过程的自动进行。
[0042]在本实施例中，所述的吸水薄膜4优选采用聚乙烯醇泡棉、聚丙烯酰胺膜或者棉纤维滤纸等亲水性材料制作而成，其尺寸可以控制在宽度为Icm左右、长度为7cm左右、厚度在0.2mm左右的范围内。所述吸水薄膜4作为样品溶液的动力系统和过滤系统，其工作原理是:由于在吸水薄膜4的内部存在着很多的毛细管，因此可无需外在动力，待检测的样品溶液借助这些毛细管的虹吸作用即可在其表面流动，达到样品溶液自动流动的目的。另一方面，由于吸水薄膜4的表面有无数的小孔可供液体粒子通过，体积较大的固体粒子则不能通过，因此，可以对复杂的样品溶液进行前处理，阻止固体颗粒、气泡的通过，不仅避免了对测试电极的污染，而且可以对实际样品溶液中的重金属离子进行富集和检测。
[0043]由于在每次样品溶液的检测过程结束后，都需要更换吸水薄膜4，以避免上次的样品溶液残留在吸水薄膜4中对下次样品溶液的检测造成影响，本实施例将所述吸水薄膜4设计成一次性膜片，直接叠放在所述的两个感应电极2、3和测试电极的上方，即吸水薄膜4与两个感应电极2、3和测试电极之间无固定连接结构，在检测开始前只需将吸水薄膜4直接摆放到两个感应电极2、3和测试电极的正上方即可，以方便更换吸水薄膜4。
[0044]对于测试电极来说，本实施例选用纳米铋膜电极代替传统的滴汞电极，作为工作电极，用于样品溶液的测试，以避免对环境造成二次污染。由于铋膜在测试过程中会产生消耗，在使用一段时间后必须进行更换，因此，为了在不破坏微流控芯片的前提下，方便监测人员更换测试电极，本实施例优选将所述的测试电极单独设置在一块独立的基板10上，为区分清楚起见，以下称所述基板10为电极板，参见图1所示，并采用插接的方式，实现电极板10与基板I之间的活动式连接。具体来讲，可以在所述的基板I上设置插槽11，插槽11中设置金属触片12。将测试电极设置在电极板10上，通过电极板10上的PCB走线连接布设在电极板10上的金属触片13。将电极板10插装到基板I上的插槽11中，使电极板10上的金属触片13刚好与插槽11中布设的金属触片12对应接触，进而实现电极板10上的各测试电极与基板I上的处理器5之间的电连接，满足检测信号的传输要求。
[0045]本实施例采用溶出伏安检测法对样品溶液中的痕量重金属元素进行检测。基于这种检测方式，本实施例在电极板10上设置了三个测试电极，如图1所示，包括一个参比电极14和两个工作电极15、16。其中，所述的参比电极14为银/氯化银电极，即表面附着有氯化银的银电极，可以采用将银电极浸泡在盐酸里，使银电极表面形成一层氯化银薄膜的方式制作而成，优选布设在电极板10的左侧；其中一个工作电极为秘膜电极15 (优选纳米秘膜电极)，布设在电极板10的中间部位，另外一个工作电极16为石墨电极16，布设在电极板10的右侧。三个电极14-16分别通过电极板10上的三条PCB走线与电极板10上布设的三个金属触片13 对应连接；基板I的插槽11中也同样布设三个金属触片12,在电极板10插入时，用于与电极板10上的三个金属触片13 —一对应接触导通，传输三路检测信号，分别经由基板I上的PCB走线传送至处理器5的三个引脚。处理器5根据接收到的检测信号的电压波动范围，利用其内部的软件程序完成样品溶液中重金属元素的化学分析和检测，并生成检测结果传输至布设在基板I上的外围接口 17，结合图4所示，进而通过与所述外围接口 17相外接的数据线传输至外部的监控设备，例如计算机等，实现检测结果的输出显示，以提供给测试人员观测。
[0046]在本实施例中，所述的外围接口 17可以选择目前通用的USB等通用接口，通过USB数据线外接计算机，参见图4所示，以完成对微流控芯片检测数据的输出显示。
[0047]所述电极板10可以采用丝网印刷的方式进行大批量的生产，电极的镀膜和制造方法很多，如高速打印、气相沉积、磁控溅射等传统方法，在此不再详细说明。
[0048]在本实施例的微流控芯片中还设置有盖板7，参见图1所示，出于降低微流控芯片成本的考虑，优选采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚醚铜等塑料材料，充分利用塑料模具技术制造所述的盖板7，以实现微流控芯片的大批量低成本制造。
[0049]在所述盖板7上开设有两个通孔8、9，一个通孔8用于注入样品溶液，称之为样品注入口，在盖板7与基板I扣合后，刚好与布设在基板I上的用于检测样品溶液是否注入的感应电极2的位置相对应；另一个通孔9称之为观察窗口，用于观察样品溶液是否通过吸水薄膜4引流到基板I上感应电极3，其在盖板7上的开设位置以在盖板7与基板I扣合后，所述观察窗口 9刚好与感应电极3的位置相对为准。
[0050]为了提高盖板7与基板I的密封性，在所述盖板7与基板I之间还进一步设置有密封条6，如图1所示，优选采用硅胶条设计成C形，开口处朝向布设电极板10与吸水薄膜4的一侧，可以直接将硅胶条6粘贴在盖板7的下底面，以保证盖板7与基板I的紧密结合。
[0051]为了实现盖板7与基板I的快速组装和拆卸，本实施例还分别在盖板7与基板I上对应设置磁性材料18和顺磁材料19，参见图2所示，例如:在盖板7的左右两侧内嵌磁铁、磁钢等磁性材料18,在基板I的左右两侧对应位直内嵌钢片等顺磁材料19,利用磁性材料的吸附作用，实现盖板7和基板I的自动吸合，快速组装。组装后的微流控芯片参见图3所示，吸水薄膜4可以直接夹在盖板7与基板I之间，电极板10可以在芯片组装之后插入到插槽11中，以完成微流控芯片的整体装配。
[0052]下面结合图4对本实施例的测试方法进行详细地阐述。
[0053]首先，取下微流控芯片的盖板7，装入电极板10和一次性的吸水薄膜4 ;然后，再把盖板7安装回去，即重新与基板I扣合(磁铁吸合，自动夹紧)。在外围接口 17上连接数据线，并通过数据线连接计算机等监控设备。
[0054]通过样品注入口 8滴入100μ L左右的待测样品溶液，待测样品溶液首先接触感应电极2，感应电极2因感应到样品溶液的滴入而产生检测信号，反馈给处理器5，开始进行计时。与此同时，滴入的样品溶液接触到具有亲水性的吸水薄膜4后，将在吸水薄膜4内部毛细管的虹吸作用下向感应电极3的方向流动。样品溶液在流动的过程中，因吸水薄膜4中亲水纤维的过滤作用，样品溶液中的大颗粒物和气泡将被分离，由此实现了对样品溶液的净化处理。
[0055]当样品溶液通过吸水薄膜4到达测试电极14-16时，处理器5开始进行样品溶液中重金属含量的分析，并通过数据线传输至采集工作站，例如计算机等监控设备。当样品溶液到达饱和感应电极3时，处理器5判定吸水薄膜4饱和，完成样品溶液的分析和数据采集，并提示监测人员更换吸水薄膜4，进行下一个样品的测试工作。
[0056]在接下来的多次样品测试工作完成后，电极板10上的纳米铋膜电极15上的铋膜可能会消耗完，此时需要更换电极板10，以确保接下来的测试工作顺利进行。
[0057]本实施例的微流控芯片采用亲水性的吸水薄膜作为动力系统和过滤系统，利用吸水薄膜内部富含的毛细管结构作为样品的动力源和过滤体，不仅实现了样品的直接进样，而且无需对样品进行前处理，由此克服了现有高压电泳、泵类等液体推动方式所存在的体积大，易损耗、前处理时间长等诸多问题。
[0058]当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本【技术领域】的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种环境监测用微流控芯片，其特征在于:包括基板，基板上设置有处理器和两个分开布设的感应电极，在两个感应电极之间设置有测试电极，所述测试电极和两个感应电极分别连接所述的处理器，传输检测信号；在所述两个感应电极和测试电极的上方设置有吸水薄膜。
2.根据权利要求1所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:所述吸水薄膜为一次性膜片，直接叠放在所述的两个感应电极和测试电极的上方。
3.根据权利要求2所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:所述的吸水薄膜为聚乙烯醇泡棉、聚丙烯酰胺膜或者棉纤维滤纸。
4.根据权利要求1所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:所述测试电极设置在一块独立的电极板上，在所述基板上设置有用于插装所述电极板的插槽，在所述插槽中设置有与所述处理器相连接的金属触片，所述金属触片在电极板插入到插槽中后，刚好与电极板上连接测试电极的金属触片相接触。
5.根据权利要求4所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:在所述电极板上设置有三个测试电极，其中一个为参比电极，另外两个为工作电极，且两个工作电极分别为纳米铋膜电极和石墨电极，三个测试电极分别与电极板上布设的三个金属触片一一对应连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:在所述环境监测用微流控芯片中还设置有盖板，盖板上开设有样品注入口和观察窗口，所述样品注入口和观察窗口在盖板与基板扣合后，刚好与所述的两个感应电极的位置一一相对。
7.根据权利要求6所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:在所述盖板与基板之间设置有密封条。
8.根据权利要求6所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:在所述盖板和基板的相对位置处分别对应设置有磁性材料和顺磁材料。
9.根据权利要求6所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:所述盖板采用塑料制成。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的环境监测用微流控芯片，其特征在于:在所述基板上还设置有用于外接数据线的外围接口，所述外围接口连接所述的处理器。
【文档编号】B01L3/00GK203484166SQ201320490996
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】程峰, 张凯钟, 王海霞, 邓新, 纪尚辰 申请人:青岛中一监测有限公司