一种水质检测方法及其专用微流控芯片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水质检测方法及其专用微流控芯片，属于水环境监测技术领域。
【背景技术】
[0002]水质指标是用以评价水样特性及其功能性的重要参数，根据水质指标，可以对水体质量进行分级分类，评价风险和适度处理。目前我国的水质指标已经形成比较完整的体系，包括地表水、地下水、城镇排水、工业废水等多个领域，对环境保护、水利工程、生物处理等领域意义重大。
[0003]水质指标主要包括物理指标和化学指标，其中化学指标反映了环境的负荷状态，如C0D、氨氮、总磷等，因此在线和便携监测的需求很大。目前，水中有机物、离子、微量成分、元素的检测主要依靠仪器分析手段，以比色法为代表。比色法以生成有色化合物的显色反应为基础，通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量，测量指标多，过程简单易行。例如，纳氏试剂比色法测量氨氮、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测量总氮、钼酸铵分光光度法测量总磷、邻联甲苯胺比色法测量余氯等。
[0004]目前实验室中对于水样微量成分、部分离子的检测主要使用紫外-可见光分光光度计，在应用广泛的同时，也存在一些缺点和问题。一方面仪器的便携性不好，或者便携光度计性能不高(比如缺少紫外区等)，检测野外水质时需要取足够水样保存封装，再带回实验室进行进一步分析；另一方面，比色法操作过程相对较复杂，设备的启动和预热(主要指分光光度计)需要半小时时间，影响了实验分析的效率；最后，消耗的药剂也比较多，一次只能测定一个指标，效率比较低等。
[0005]商用品牌的便携光度计(如Hach、WTW等)采用了标准比色管方法，可以测量多种水质指标，缺点是需要携带电池或者便携电源，体积偏大，成本较高。除此之外，还存在预装试管体积大、药剂消耗多和废液处理麻烦等问题。在线水质测量仪表可以连续采样和测量，但是一般都是单一指标的仪器，无法同时测定多个指标，而且价格昂贵、移动困难、需要持续维护等，因此也不适合便携移动检测的需求。在近期的多项技术改进中，仍然没有跳出使用光谱检测器原位测定吸光度的模式，因此无法实现设备微型化、产品廉价、产品大众化等互联网+的功能。
[0006]物联网技术要求大量微型化和廉价的传感器，上述实验室仪器、便携仪表、在线检测设备等都无法满足物联网对传感器要求。因此，需要开发支持微型化和大众参与的水质分析模块，才能构建传感网，支持“互联网+”的功能。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是提供一种水质检测方法及其专用微流控芯片，水质检测方法利用显色反应(可见光范围内)，通过CCD代替传统的分光光度计，将显色过程和检测分析步骤分离，在显色部分采用微量反应器(即本发明水质检测微流控芯片)加快反应和节约药剂，在检测部分使用移动设备(如手机)等大众产品的CCD作为检测器，实现了物联网对微型和廉价传感器的要求。
[0008]本发明首先提供了一种微流控芯片，该微流控芯片采用微细加工的方法，可在一块数平方厘米的芯片上制作出微通道网络结构或其他结构单元，将生物和化学领域涉及的样品制备、反应、检测等过程集成在很小的操作平台上的技术。它不仅使得实验对样品的消耗量大大减少，降低了实验费用，还为快速分析、快速检测提供了良好的平台。
[0009]本发明提供的微流控芯片，它包括依次叠加且密封配合的上层盖片、中间层和下层垫片；
[0010]所述上层盖片上设有一进样孔；
[0011]所述中间层包括进样池、反应腔室和残液腔室；所述进样池与所述进样孔连通，且位置对应；所述进样池与所述残液腔室之间由一主微流道连通；所述主微流道向外延伸出若干支微流道，每个所述支微流道的端部与所述反应腔室连通；
[0012]所述下层垫片是由透明的材料制作的。
[0013]上述微流控芯片中，所述上层盖片和所述中间层均是由PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基娃氧烧)制作的；所述上层盖片与中间层为密封配合，具体可采用硅油进行密封；所述中间层与所述下层垫片为密封配合，具体可采用氧等离子体处理后键合密封。
[0014]上述微流控芯片中，所述上层盖片的厚度可为2?5mm，其厚度根据所述进样孔的体积和截面积来确定，所述进样孔和所述进样池的体积之和为所述中间层中所述反应腔室、所述主微流道、所述支微流道和所述残液腔室的体积之和的1.1?1.5倍，以使水样能够充满所述中间层反应腔室，且不会返流混合(若体积过小，浸润滤纸后无法充满反应腔室；若体积过大，样品充满反应腔室后仍然能够通过微流道相互连通，导致存在一定的扩散和混合);所述中间层仅设有一进样孔，所述进样孔可为圆柱形通孔，直径可为4?8_。
[0015]上述微流控芯片中，所述中间层的厚度可为2?5mm，所述中间层的厚度根据水质指标测量范围对应的光程确定，光程越长，检测限越低；所述进样池可为圆柱形凹槽，通过在所述中间层设置的通孔与所述下层垫片配合后得到，所述进样池的位置与所述进样孔的位置对应，即对应的圆心重合；所述进样池的直径可与所述进样孔的直径相同，也可以不同，具体可根据所述中间层中所述反应腔室的数量即并行检测的数量决定，当反应腔室的数量过多或过少时，为保证所述上层盖片的厚度在2?5mm范围内，可以根据厚度计算截面积来更改进样孔的直径，所述进样池的直径可为4?8mm。
[0016]上述微流控芯片中，所述主微流道可为立方体形，长度可为1.5?4cm，根据需要并行测试的样品数量确定；宽度和高度可为0.2?1_(即截面为正方形)，根据所述进样池的容积确定。
[0017]上述微流控芯片中，所述支微流道可垂直于所述主微流道设置；每个所述支微流道为立方体形，长度可为2?5mm，宽度和高度为0.1?0.5mm (即截面为正方形)，分别为所述主微流道中宽度和高度的一半；
[0018]上述微流控芯片中，所述反应腔室可为圆柱形腔室，直径可为I?4mm ;所述反应腔室内添加有显色剂。
[0019]上述微流控芯片中，所述残液池可为圆柱形腔室，直径可为4?8mm，可与所述进样池的直径相同。因此，所述进样孔的体积可为所述中间层中所述反应腔室、所述主微流道和所述支微流道的体积之和的1.1?1.5倍。
[0020]上述微流控芯片中，所述透明的材料均可用于所述下层垫片的制备，包括但不限于玻璃、石英或塑料等；所述下层垫片的作用有两个，一方面可与所述中间层密封配合后，形成所述进样槽、所述主微流道、所述支微流道、所述反应腔室和所述残液腔室；另一方面，在发生显色反应之后，作为镜面反射拍照时的光线，因此，所述透明材料的表面需要是光滑的。
[0021 ] 上述微流控芯片中，所述支微流道的个数可为4?8个；所述支微流道对称分布与所述主微流道的两侧；所述支微流道之间的垂直距离可为3?5_，具体可根据样品的数量和主微流道的长度确定。
[0022]上述微流控芯片中，所述反应腔室内添加有显色剂，所述显色剂的种类根据待测物质即水质指标进行确定，例如本发明中将N-(l-萘基)-乙二胺作为亚硝酸根的显色剂；根据显色剂的类型，所述显色剂可以固体粉末的形式进行添加，也可以液态的形式进行添加；当所述显色剂为液态时，所述显色剂可在添加之后蒸发干燥从而固定在所述反应腔室内，另外，所述显色剂也可以显色剂琼脂糖凝胶微球的形式存在，所述琼脂糖凝胶微球为将显色剂加入琼脂糖溶液中后固化(在低温下)得到；
[0023]所述显色剂的用量可根据待测物质的浓度大小确定，然后使用琼脂糖溶液稀释显色剂，保证所述显色剂的加入体积较小，但是对显色反应而言过量，每个所述反应腔室内所述显色剂和所述琼脂糖的混合溶液的加入量可为0.5?2 μ L ;所述显色剂与所述琼脂糖溶液的体积比根据测试的指标确定，保证显色剂的量足够反应即可；所述显色剂为溶液时，其质量体积浓度根据测试的指标确定；所述琼脂糖溶液的质量浓度可为3%?4%，具体可为
[0024]上述微流控芯片中，所述进样池内放置有一滤纸，用于过滤样品，具体可为玻璃纤维滤纸或醋酸纤维素滤纸；所述滤纸的直径与所述进样池的直径相同。
[0025]上层微流控芯片中，所述微流控芯片还包括一塑料膜，贴合在所述微流控芯片的外表面；所述微流控芯片内部处于真空状态，具体可在IMPa真空条件下抽真空5?20min后得到。该微流控芯片也可在使用时，再采用该塑料膜对所述微流控芯片进行密封抽真空。使用时，在所述进样池内添加待测水样直至充满进样池，然后用针头挑刺破进样池的密封塑料薄膜，使水样浸没滤纸；由于芯片内部处于低压状态，待测溶液会自动进入主微流道和各反应腔室。
[0026]本发明进一步提供了一种用于水质检测的装置，它包括上述的微流控芯片和照相设备。该照相设备可来自任何移动设备，采用该装置可实现各种水源