一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及环境检测技术领域，具体地说是一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统。一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，包括冷却水蓄水槽、回流蓄水瓶、水样消解反应模块、光源、检测模块、废液瓶、检测设备，其特征在于：水样消解反应模块有水样消解微流控芯片及水样冷却微流控芯片组成，水样消解微流控芯片通过管道连接水样冷却微流控芯片，水样冷却微流控芯片通过管道连接检测模块。同现有技术相比，在线检测化学需氧量的微型系统与现用的检测化学需氧量反应装置相比较，具有体积小，易于微型化，需要试剂量少，反应速度快，制作工艺简捷，制造成本低等优点，易于批量化生产和规模化应用。
【专利说明】
一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统
技术领域
[0001]本发明涉及环境检测技术领域，具体地说是一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统。
【背景技术】
[0002]化学需氧量是以化学方法测量水样中需要被氧化的物质的量，反映了水污染的程度。化学需氧量值越高说明水中的有机物污染越严重。
[0003]化学需氧量CODcr的标准测定方法以我国标准GB11914《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》和国际标准IS06060《水质化学需氧量的测定》为代表，该方法氧化率高，再现性好，准确可靠，成为国际社会普遍公认的经典标准方法。其测定原理为:重铬酸钾作为氧化剂，硫酸银作为催化剂，硫酸汞为氯离子的掩蔽剂，在硫酸酸性环境中148°C±2°C加热使消解液反应，硫酸酸度为9mol/L。以水冷却回流加热反应2h，消解液冷却后，以试亚铁灵为指示剂，用硫酸亚铁铵滴定剩余的重铬酸钾，根据硫酸亚铁铵溶液的消耗量计算水样的COD值。
[0004]然而这一经典标准方法还是存在不足之处，如回流装置占的实验空间大，测试时间长，水、电消耗较大，试剂用量大，污染较为严重，操作不便，难以大批量快速测定。现今已发展了改良的快速消解法和流动注射法。快速消解法采用高温高压密闭消解法，反应时间为20分钟，但消解瓶内压力大，试管易碎裂，需要经常更换，使用寿命不长，而且所用试剂量依旧较大;流动注射法利用恒温加热器等仪器，仪器费用高昂，由于消解不完全，测定范围为0.25?250mg/L，只能达到普通消解法0.25?100mg/!的四分之一。而采用本发明的快速化/在线检测芯片消解时间可降至5分钟，并且试剂量相比于高温高压密闭消解法减少了 10至100倍，相比传统方法减少了上万倍。同时使用的微量试剂可以在芯片中完全反应，测定范围可以达到普通消解法的测定范围，且芯片材料和制造成本低廉，外接设备少，可大批量生产，易于规模化应用。
【发明内容】
[0005]本发明为克服现有技术的不足，提供了一种具有消解、冷却和检测功能的快速化/在线检测化学需氧量的微流控芯片微型系统，具有试剂消耗量小、数据重复性好及快速化检测等特点。
[0006]为实现上述目的，设计一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，包括冷却水蓄水槽、回流蓄水瓶、水样消解反应模块、光源、检测模块、废液瓶、检测设备，其特征在于:水样消解反应模块有水样消解微流控芯片及水样冷却微流控芯片组成，水样消解微流控芯片通过管道连接水样冷却微流控芯片，水样冷却微流控芯片通过管道连接检测模块。
[0007]所述的水样消解微流控芯片包括水样进口、消解液进口、反应液出口、溶液微通道，溶液微通道的一端分两个端口，分别连接水样进口及消解液进口，溶液微通道的另一端连接反应液出口 ；所述的溶液微通道为往复折流结构。
[0008]所述的水样冷却微流控芯片包括热溶液进口、热溶液出口、冷却水进口、冷却水出口、热溶液微通道、冷却水微通道，热溶液微通道的一端连接热溶液进口，热溶液进口连接水样消解微流控芯片的反应液出口，热溶液微通道的另一端连接热溶液出口，热溶液出口连接检测模块;冷却水微通道的一端连接冷却水进口，冷却水进口连接冷却水蓄水槽，冷却水微通道的另一端连接冷却水出口，冷却水出口连接回流蓄水瓶，所述的热溶液微通道及冷却水微通道为往复折流结构，并且冷却水微通道位于热溶液微通道的一侧，冷却水和热溶液的流向相反。
[0009]所述的检测模块包括检测微通道、检测溶液进口、检测溶液出口，检测微通道的一端连接检测溶液进口，检测溶液进口连接水样冷却微流控芯片的热溶液出口，检测微通道的另一端连接检测溶液出口，检测溶液出口连接废液瓶;位于检测微通道的左右两侧分别设有光纤通道，位于光纤通道的一侧设有光纤，位于光纤通道的另一侧设有检测设备，所述的光纤通道的直径为0.1?Imm;检测微通道为Z字型结构通道，检测微通道光程长度为I?20mm;所述的检测微通道由耐热玻璃或者石英的透光耐腐蚀材质制得。
[0010]所述的检测模块为单色光检测模块，测定检测芯片中透射光光强，波长范围为300~660nm，光纤为发光二极管。
[0011]所述的水样消解微流控芯片、水样冷却微流控芯片及检测模块由两块平面板块热压制成，热压温度为300?600°C。
[0012]所述的水样消解微流控芯片及水样冷却微流控芯片的材质由聚四氟乙烯PTFE或者聚偏氟乙烯PVDF或者四氟乙烯一全氟烷氧基乙烯基醚共聚物PFA或者氟化乙烯丙烯共聚物FEP或者耐热玻璃或石英的耐热耐腐蚀材料制得。
[0013]所述的溶液微通道、热溶液微通道、冷却水微通道、检测微通道的微通道截面为方形或者圆形，截面积为0.0l-1mm20
[0014]所述的水样消解微流控芯片的微通道的有效长度与截面积的比值为2000:1?
10000:lo
[0015]所述的水样冷却微流控芯片的冷却水微通道与溶液微通道之间的间距为0.5?10mm，冷却水微通道与溶液微通道的有效长度与截面积的比值为2000: I?5000: I。
[0016]本发明同现有技术相比，在线检测化学需氧量的微型系统与现用的检测化学需氧量反应装置相比较，具有体积小，易于微型化，需要试剂量少，反应速度快，制作工艺简捷，制造成本低等优点，易于批量化生产和规模化应用。
【附图说明】
[0017]图1为本发明结构连接图。
[0018]图2为水样消解微流控芯片结构示意图。
[0019]图3为水样冷却微流控芯片结构示意图。
[0020]图4为检测模块结构示意图。
[0021]图5为国标法曲线。
[0022]图6为芯片系统曲线图。
【具体实施方式】
[0023]下面根据附图对本发明做进一步的说明。
[0024]如图1至图4所示，水样消解反应模块有水样消解微流控芯片I及水样冷却微流控芯片3组成，水样消解微流控芯片I通过管道连接水样冷却微流控芯片3，水样冷却微流控芯片3通过管道连接检测模块8。
[0025 ]水样消解微流控芯片I包括水样进口 1-1、消解液进口 1-2、反应液出口 1-3、溶液微通道1-4，溶液微通道1-4的一端分两个端口，分别连接水样进口 1-1及消解液进口 1-2，溶液微通道1-4的另一端连接反应液出口 1-3;所述的溶液微通道1-4为往复折流结构。
[0026]水样冷却微流控芯片3包括热溶液进口3-1、热溶液出口 3-4、冷却水进口 3-3、冷却水出口 3-2、热溶液微通道3-5、冷却水微通道3-6，热溶液微通道3-5的一端连接热溶液进口3-1，热溶液进口 3-1连接水样消解微流控芯片I的反应液出口 1-3，热溶液微通道3-5的另一端连接热溶液出口 3-4，热溶液出口 3-4连接检测模块8 ；冷却水微通道3-6的一端连接冷却水进口 3-3，冷却水进口 3-3连接冷却水蓄水槽2，冷却水微通道3-6的另一端连接冷却水出口 3-2，冷却水出口 3-2连接回流蓄水瓶7，所述的热溶液微通道3-5及冷却水微通道3-6为往复折流结构，并且冷却水微通道3-6位于热溶液微通道3-5的一侧，冷却水和热溶液的流向相反。
[0027]检测模块8包括检测微通道8-1、检测溶液进口8-2、检测溶液出口 8_3，检测微通道8-1的一端连接检测溶液进口 8-2，检测溶液进口 8-2连接水样冷却微流控芯片3的热溶液出口 3-4，检测微通道8-1的另一端连接检测溶液出口 8-3，检测溶液出口 8-3连接废液瓶4;位于检测微通道8-1的左右两侧分别设有光纤通道8-4，位于光纤通道8-4的一侧设有光纤6，位于光纤通道8-4的另一侧设有检测设备5，所述的光纤通道8-4的直径为0.1?Imm;检测微通道8-1为Z字型结构通道，检测微通道8-1光程长度为I?20mm;所述的检测微通道8-1由耐热玻璃或者石英的透光耐腐蚀材质制得。
[0028]检测模块8为单色光检测模块，测定检测芯片中透射光光强，波长范围为300?660nm，光纤6为发光二极管。
[0029]水样消解微流控芯片1、水样冷却微流控芯片3及检测模块8由两块平面板块热压制成，热压温度为300?600 °C。
[0030]水样消解微流控芯片I及水样冷却微流控芯片3的材质由聚四氟乙烯PTFE或者聚偏氟乙烯PVDF或者四氟乙烯一全氟烷氧基乙烯基醚共聚物PFA或者氟化乙烯丙烯共聚物FEP或者耐热玻璃或石英的耐热耐腐蚀材料制得。
[0031]溶液微通道1-4、热溶液微通道3-5、冷却水微通道3-6、检测微通道8-1的微通道截面为方形或者圆形，截面积为0.0l^lmm2。
[0032]水样消解微流控芯片I的微通道的有效长度与截面积的比值为2000: I?10000: I。
[0033]水样冷却微流控芯片3的冷却水微通道与溶液微通道之间的间距为0.5?10mm，冷却水微通道与溶液微通道的有效长度与截面积的比值为2000: I?5000: I。
[0034]水样消解微流控芯片I的制作:将长80mm，宽60mm，厚1mm的聚四氟乙稀板清洗后按照如图1设计的通道图形机械加工出深度为Imm的通道并在基片背面加工出半径为3mm，深8mm，且圆心正对于通道起点的螺纹孔。将聚四氟乙稀的极板切割为长80mm，宽60mm，厚2mm的方形盖片，清洗备用。将盖片正对基片的通道一侧并完全贴合，置于马弗炉中400°C加热I小时后，清洗。干燥后将三个套有聚四氟乙烯管的螺纹接头分别拧入图1中的水样进口1-1、消解液进口 1-2、反应液出口 1-3。水样进口 1-1、消解液进口 1-2的聚四氟乙烯管接注射栗O
[0035]水样冷却微流控芯片3的制作:长80mm，宽50mm，厚I Omm的聚四氟乙稀板。之后按照如图2设计的通道图形机械加工出深度为Imm的通道并在基片背面加工出圆心正对于通道起点的螺纹孔，用去离子水清洗5分钟后吹干。将另一片长80mm，宽50mm，厚3mm的聚四氟乙烯基板，用去离子水清洗5分钟后吹干。将此两片聚四氟乙烯基板对准完全贴合，置于马弗炉中360°C加热半小时处理。冷却后用去离子水清洗、干燥。之后将四个套有聚四氟乙烯管的螺纹接头分别拧入图2中的热溶液进口 3-1、热溶液出口 3-4、冷却水进口 3-3、冷却水出口3-2。热溶液进口 3-1的聚四氟乙烯管接水样消解微流控芯片I的反应液出口 1-3。
[0036]检测模块8的制作:按图3所设计的图形结构，采用紫外直接刻蚀法，选用波长为10.6微米的二氧化碳激光器作为热源进行三维加工。材质采用耐热玻璃或者石英，检测溶液进口 8-2连接水样冷却微流控芯片3的热溶液出口 3-4，液体的测微通道8-1长5mm，宽Imm，高1mm。液体的测微通道8-1两边为光纤通道8-4，通道长10mm，宽1mm，高1mm。将聚四氟乙稀管插入检测溶液进口 8-2和检测溶液出口 8-3。将光纤插入光纤通道8-4并固定，外接光源和检测设备5。
[0037]水样的检测:用注射栗将待测水样和重铬酸钾试剂以一定流速送入水样消解微流控芯片I。加热板对水样消解微流控芯片I进行加热。水样和试剂经过一定时间的消解流入水样冷却微流控芯片3，同时注射栗将冷却水注入水样冷却微流控芯片3。通过换热，水样冷却后流入检测模块8，光强检测设备5检测光强吸收。
[0038]经测试，该检测装置检测效果良好，灵敏度可达到0.990。如图5，图6所述，为该装置测量方法与国标法的对比，为水溶液吸光度与化学需氧量COD的对应关系曲线。可看出，本发明所测值与国标法的非常接近。本发明系统的测量值有效、准确，且重复性好。
【主权项】
1.一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，包括冷却水蓄水槽、回流蓄水瓶、水样消解反应模块、光源、检测模块、废液瓶、检测设备，其特征在于:水样消解反应模块有水样消解微流控芯片(I)及水样冷却微流控芯片(3)组成，水样消解微流控芯片(I)通过管道连接水样冷却微流控芯片(3)，水样冷却微流控芯片(3)通过管道连接检测模块(8)。2.根据权利要求1所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的水样消解微流控芯片(I)包括水样进口(1-1)、消解液进口(1-2)、反应液出口(1-3)、溶液微通道(1-4)，溶液微通道(1-4)的一端分两个端口，分别连接水样进口(1-1)及消解液进口( 1-2)，溶液微通道(1-4)的另一端连接反应液出口( 1-3);所述的溶液微通道(1-4)为往复折流结构。3.根据权利要求1所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的水样冷却微流控芯片(3)包括热溶液进口(3-1)、热溶液出口(3-4)、冷却水进口(3-3)、冷却水出口(3-2)、热溶液微通道(3-5)、冷却水微通道(3-6)，热溶液微通道(3-5)的一端连接热溶液进口(3-1)，热溶液进口(3-1)连接水样消解微流控芯片(I)的反应液出口(1-3)，热溶液微通道(3-5)的另一端连接热溶液出口(3-4)，热溶液出口(3-4)连接检测模块(8);冷却水微通道(3-6)的一端连接冷却水进口(3-3)，冷却水进口(3-3)连接冷却水蓄水槽(2)，冷却水微通道(3-6)的另一端连接冷却水出口( 3-2)，冷却水出口( 3-2)连接回流蓄水瓶(7)，所述的热溶液微通道(3-5)及冷却水微通道(3-6)为往复折流结构，并且冷却水微通道(3-6)位于热溶液微通道(3-5)的一侧，冷却水和热溶液的流向相反。4.根据权利要求1所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的检测模块(8)包括检测微通道(8-1)、检测溶液进口(8-2)、检测溶液出口(8-3)，检测微通道(8-1)的一端连接检测溶液进口(8-2)，检测溶液进口(8-2)连接水样冷却微流控芯片(3)的热溶液出口(3-4)，检测微通道(8-1)的另一端连接检测溶液出口(8-3)，检测溶液出口(8-3)连接废液瓶(4);位于检测微通道(8-1)的左右两侧分别设有光纤通道(8-4)，位于光纤通道(8-4)的一侧设有光纤(6)，位于光纤通道(8-4)的另一侧设有检测设备(5)，所述的光纤通道(8-4)的直径为0.1?Imm;检测微通道(8-1)为Z字型结构通道，检测微通道(8-1)光程长度为I?20mm;所述的检测微通道(8-1)由耐热玻璃或者石英的透光耐腐蚀材质制得。5.根据权利要求4所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的检测模块(8)为单色光检测模块，测定检测芯片中透射光光强，波长范围为300?660nm，光纤(6)为发光二极管。6.根据权利要求1所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的水样消解微流控芯片(I)、水样冷却微流控芯片(3)及检测模块(8)由两块平面板块热压制成，热压温度为300?600°C。7.根据权利要求1所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的水样消解微流控芯片(I)及水样冷却微流控芯片(3)的材质由聚四氟乙烯PTFE或者聚偏氟乙烯PVDF或者四氟乙烯一全氟烷氧基乙烯基醚共聚物PFA或者氟化乙烯丙烯共聚物FEP或者耐热玻璃或石英的耐热耐腐蚀材料制得。8.根据权利要求2或3或4所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的溶液微通道(1-4)、热溶液微通道(3-5)、冷却水微通道(3-6)、检测微通道(8-1)的微通道截面为方形或者圆形，截面积为0.0l?1mm2。9.根据权利要求1所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的水样消解微流控芯片(I)的微通道的有效长度与截面积的比值为2000:1?10000:lo10.根据权利要求1所述的一种快速化在线检测化学需氧量的微流控芯片系统，其特征在于:所述的水样冷却微流控芯片(3)的冷却水微通道与溶液微通道之间的间距为0.5?10mm，冷却水微通道与溶液微通道的有效长度与截面积的比值为2000: I?5000: I。
【文档编号】B01L3/00GK105879939SQ201610216246
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】孙卓, 田人文, 李欣, 聂耳, 刘冬, 张哲娟
【申请人】上海纳晶科技有限公司