专利名称：一种检测水体中铬离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种检测水体中铬(Cr)离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，该离心式微流控芯片表面有微结构和微通道，在离心机旋转产生的离心カ驱动下，实现水体中Cr离子与集成在离心式微流控芯片上的萃取柱的富集与分离，以电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分别检测水体中总Cr含量和萃取液中Cr6+含量，从而获得水体中Cr3+的含量，实现对环境水样中Cr离子形态的分析，主要应用于环境科学、医药学、食品科学等相关领域。
背景技术：
Cr是自然界与地壳中普遍存在的元素，由于人类在エ业生产中的过量使用，使得·土壌与水体遭到不同程度的Cr污染。Cr离子在自然环境中不同条件下具有不同的形态，其化学行为和毒性大小与离子形态密切相关。Cr3+是人体新陈代谢必需的微量元素之一，而Cr6+却是致癌性相当强的巨毒污染物质，对Cr离子形态进行分析就显得尤为重要。美国国家环境保护局规定，饮用水中总Cr的最大污染水平为IOOy g/L，而中国地面水环境质量标准规定Cr6+的最大污染水平为lOOyg/L。因此，对Cr离子形态进行分析在环境科学、医药学、食品科学方面具有十分重要的意义。単一的仪器或技术很难完成金属形态的分析，采用多种技术联用是现代分析科学的重要研究和分析手段。高效液相色谱(HPLC)和ICP-MS联用是最常用的金属形态分析方法，将ICP-MS用作HPLC的检测器，跟踪被测元素(如Cr)在不同形态中的信号变化，从而完成对金属形态进行定性和定量分析。HPLC在样品前处理的准确性和分析灵敏度等方面均具有优势，但HPLC存在设备昂贵、笨重、功耗大的问题，不适合做现场实时分析检测。因此，发展ー种便捷、快速、高效、低成本的Cr离子形态分析技木，是环境科学等领域的迫切需求。近年来，分析检测仪器的微型化已成为分析化学中ー个重要的研究方向，微流控芯片分析技术是其中最活跃的一支，无论是在科研还是应用领域都获得了广泛的重视。微流控芯片作为ー种新型的分析检测平台，具有高通量、集成化、多重平行分析、便携式、易操作、成本低等优点，已经在环境检测相关领域获得了广泛应用。然而，采用圆片状芯片，在其表面制备微结构和微通道，依靠离心カ驱动样品微流体，同时完成数个样品分析的离心式微流控芯片分析技木，目前在快速分析Cr离子形态的应用领域尚未有实质性的突破。
发明内容
本发明的目的是提供了一种检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于该离心式微流控芯片是有微结构和微通道的圆片状芯片，以离心机旋转产生的离心カ为样品微流体的驱动力，完成水体中Cr离子与萃取柱的富集和分离，通过ICP-MS分别检测水体中总Cr含量和萃取液中Cr6+含量，从而获得水体中Cr3+含量，实现对环境水体中Cr离子形态的分析检测。离心机的旋转平台专为圆片状芯片设计的，中心以吸盘、卡槽或螺丝-螺母固定圆片状离心式微流控芯片。圆片状离心式微流控芯片由刻有微米级别的微结构和微通道的芯片和粘性薄膜封合而成，微结构和微通道通过微加工技术制备，包括样品池、萃取液池、微孔和微通道。为实现上述目的，本发明采用以下的操作步骤(I)用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片中各层芯片的微结构和微通道图形。(2)通过微加工技术在各层微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微结构和微通道，包括样品池、萃取液池、微孔和微通道。(3)在固相萃取微通道中填充固体萃取柱填充料，制成固相萃取柱。(4)利用双层粘性薄膜，将各层离心式微流控芯片对齐、粘合、加压封合，组成检测·Cr离子形态的离心式微流控芯片。(5)启动离心机，待测水样通过固相萃取柱进行萃取分离后，萃取液进入萃取液池。(6)用移液枪抽取萃取液，置入ICP-MS中测定萃取溶液中Cr6+含量。(7)用ICP-MS測定待测水样中总Cr含量，用总Cr含量减去Cr6+含量，得到水样中Cr3+含量。本发明中，检测Cr离子形态的离心式微流控芯片的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、C0C、铜、铝、不锈钢、硅片、玻璃圆片，也可是市售的各类普通⑶光盘。本发明中，检测Cr离子形态的离心式微流控芯片和粘性薄膜的微结构和微通道可以通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀制备，也可用软刻蚀技术制备。本发明中，检测Cr离子形态的离心式微流控芯片是由三层芯片组成，各层芯片之间用粘性薄膜贴合，粘性薄膜可以是双层カ致粘性薄膜，也可是普通双面胶薄膜。本发明中，检测Cr离子形态的离心式微流控芯片上的样品预处理采用固相萃取法。本发明中，检测Cr离子形态的离心式微流控芯片通过在固相萃取微通道内填充固体萃取柱填充料原位制成微型离心色谱柱，填充物可以是硅胶颗粒，也可是三氧化ニ铝粉末。本发明中，检测Cr离子形态的离心式微流控芯片的固相萃取柱在萃取分离待测样品前，需要分别用甲醇和酸化甲醇溶液进行水化处理。在离心速度为1500RPM，用甲醇溶液对萃取柱淋洗20 30s,随后在同等离心转速下,用水淋洗I 2min,最后在样品池加入样品溶液，离心5 IOmin0本发明中，检测Cr离子形态的离心式微流控芯片采用原位制备的微型离心色谱柱与ICP-MS联用进行Cr离子的形态分析，微型离心色谱柱完成样品处理与分离后，ICP-MS对水样和萃取液进行分析。本发明提出的检测Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，操作简单、实现了多个样品的平行检测，降低了试剂与样品的用量，简化了水样处理过程，缩短了检测时间，具有便携、经济、快速、高效、准确的特点，在Cr离子形态分析相关领域中具有良好的应用前景。
图I.检测Cr离子形态的离心式微流控芯片的结构示意图。A 第I层(底层芯片，封合用)，B 第2层(双层粘性薄膜，粘合用)，C 第3层(中间层主芯片，有微结构和微通道)，D.第4层(双层粘性薄膜，粘合用)，E.第5层(上层芯片，有进样孔和通气孔)，F. —个样品分析检测单元的结构示意图1和2)样品注入孔，3)样品池，4)固相萃取柱，5)石英纤维装入孔，6)萃取液池，7)硅胶注入孔，8)取样孔，9)通气孔。
具体实施方案实施例I·
用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的五层芯片的微结构和微通道图形。利用数控CNC系统加工制备三层圆片状聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片的微结构和微通道，分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用こ醇擦拭芯片表面残留的指纹、油溃等污溃。在双面胶薄膜上，用刻字机加工制备所需的微结构和微通道。将五层芯片小心对齐、粘合、加压封合，制成检测水中Cr离子形态的离心式微流控芯片。将此芯片通过卡槽固定于离心机的芯片支架上，将少量石英纤维从石英纤维装入孔中装入，用锥子压紧后，用透明胶带密封石英纤维装入孔。取0. 5g硅胶溶于0. 5mL甲醇制成硅胶溶液，取50 y L硅胶溶液，从硅胶注入孔中注入，在离心机上以1500RPM速度旋转离心，使硅胶均匀地布满固相萃取微通道，原位制成固相萃取柱。注入L甲醇，水化填充固相萃取柱，以1500RPM速度离心30s。注入8 ii L酸化甲醇(甲醇/HC1，体积比100/1)，以1500RPM速度离心30s，洗涤纯化萃取柱。再次加入8 ii L甲醇，以1500RPM离心Imin冲洗萃取柱后，用透明胶带密封硅胶注入孔和取样孔。从样品注入孔向样品池加入5 y L甲醇，离心平衡固相萃取柱，再从另ー样品注入孔加入100 u L待测水样，以1500RPM速度离心lOmin，用5 y L去离子水冲洗固相萃取柱，萃取溶液进入萃取液池中。用移液枪从取样孔中将萃取溶液全部移取出，稀释至IOmL,用ICP-MS测定溶液中Cr6+含量。最后，用ICP-MS测定待测水样中总Cr含量，用总Cr含量减去Cr6+含量，获得待测水样中Cr3+含量。
权利要求
1.一种检测水体中铬离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于该离心式微流控芯片是有微结构和微通道的圆片状芯片，以离心机旋转产生的离心力为样品微流体的驱动力，完成水体中Cr离子与萃取柱的富集和分离,通过ICP-MS分别检测水体中总Cr含量和萃取液中Cr6+含量，从而获得水体中Cr3+含量，实现对环境水体中Cr离子形态的分析检测。离心机的旋转平台专为圆片状芯片设计的，中心以吸盘、卡槽或螺丝-螺母固定圆片状离心式微流控芯片。圆片状离心式微流控芯片由刻有微米级别的微结构和微通道的芯片和粘性薄膜封合而成，微结构和微通道通过微加工技术制备，包括样品池、萃取液池、微孔和微通道。
2.按权利要求I所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，其制作步骤如下 (1)用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片中各层芯片的微结构和微通道图形。
(2)通过微加工技术在各层微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微结构和微通道，包括样品池、萃取液池、微孔和微通道。
(3)在固相萃取微通道中填充固体硅胶颗粒，制成固相萃取柱。
(4)利用双层粘性薄膜，将各层离心式微流控芯片对齐、粘合、加压封合，组成检测Cr离子形态的离心式微流控芯片。
(5)启动离心机，待测水样通过固相萃取柱进行萃取分离后，萃取液进入萃取液池。
(6)用移液枪抽取萃取液，置入ICP-MS中测定萃取溶液中Cr6+含量。
(7)用ICP-MS测定待测水样中总Cr含量，用总Cr含量减去Cr6+含量，得到水样中Cr3+含量。
3.按权利要求I或2所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种Cr离子形态检测芯片的核心功能器件是圆片状离心式微流控芯片，此芯片以离心机旋转产生的离心力作为样品微流体流动的驱动力，可以批量生产、多次利用、灵活设计与组装。
4.按权利要求I或2所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种Cr离子形态检测芯片上的微结构和微通道是通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀、软刻蚀技术的微加工方法在芯片基材表面制备，尺寸在微米级别。
5.按权利要求I或2所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种Cr离子形态检测芯片是由多层芯片叠加而成，构成三维立体的微结构和微通道网络。
6.按权利要求I或2所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种Cr离子形态检测芯片可以在一块芯片上制作多组微结构和微通道，构成多组样品分析检测单元，可以同时分析检测多组样品，提高了单位时间的平行检测能力。
7.按权利要求I或2所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种Cr离子形态检测芯片通过在微通道中填充固体萃取柱填充料，原位制成微型离心色谱柱，采用固相萃取法进行样品预处理和分离。
8.按权利要求I或2所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种Cr离子形态检测芯片的样品是在离心力的驱动下流经微型离心色谱柱，进行芯片上萃取和分离操作。
9.按权利要求I或2所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种Cr离子形态检测芯片适合现场采样检测，减少样品因运输与储存消耗的时间，从而降低Cr离子形态分析中因Cr6+易转化为更稳定的Cr3+而带来的分析误差。
10.按权利要求I或2所述的检测水体中Cr离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种Cr离子形态检测芯片便于携带、设备简单、直接采样、无需进样前处理、样品和试剂用量小，平行检测能力高、易与检测器连接、样品预处理和检测过程在同一芯片上完成、样品无需转移、样品交叉污染几率小、适合现场实时检测，很好地满足微全分析系统发展的需要，在Cr离子形态的分析检测相关领域具有广泛的应用前景。
全文摘要
本发明涉及一种检测水体中铬离子形态的离心式微流控芯片及其制备方法。该离心式微流控芯片是带微结构和微通道的圆片状芯片，以离心机旋转产生的离心力为驱动力，进行水体中Cr离子与集成在离心式微流控芯片上的微型离心色谱柱的富集和分离操作过程，以电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分别检测水体中总Cr含量和萃取液中Cr6+含量，实现对环境水体中Cr离子形态的分析。该离心式微流控芯片实现了水体中Cr离子形态检测的集成化、微型化、自动化、便捷化，具有试剂与样品用量少、检测快速、便携、高平行检测能力，为环境水体中Cr离子形态的检测提供了一种全新的分析技术。
文档编号G01N27/62GK102784674SQ201210285449
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者沙俊, 王晓东, 聂富强 申请人:苏州汶颢芯片科技有限公司