使用转盘系统对重金属进行定性和定量分析的装置和方法与流程

本申请要求于2017年11月20日提交的韩国专利申请no.10-2017-0154395和于2018年5月10日提交的韩国专利申请no.10-2018-0053638的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

本发明涉及对重金属进行定性分析和定量分析的装置和方法，更具体地，涉及使用转盘系统对重金属进行定性分析和定量分析的装置和方法。

背景技术：

通常，最广泛使用的检测重金属的方法是光谱分析，例如电感耦合等离子体质谱法或原子吸收/发射光谱法。基于质谱法和光谱学的重金属检测方法准确且检测极限高，但是它们昂贵且需要熟练的分析技术，这使得难以在现场快速并简单地进行重金属分析。

技术实现要素：

技术问题

需要开发一种经济且有成本效益的基于显色的重金属分析系统，以代替昂贵的基于质谱法和光谱学的重金属分析设备，并且需要开发一种可以方便地在现场应用的小型化分析系统。另外，需要开发一种能够对重金属进行定量分析和定性分析，同时通过对多种重金属进行同时检测来缩短分析时间的系统。另外，即使在定量分析中，也需要一种方法来提高测量准确度。

技术方案

本发明涉及一种用于定性分析和定量分析的装置，该装置包括可旋转平台和径向(radially)且对称地设置在可旋转平台上的多个微流体结构。多个微流体结构中的每一个包括：样品注入单元，包含重金属的流体样品注入到样品注入单元中；微流体通道(虹吸通道)，微流体通道(虹吸通道)是样品通过其可以移动到检测单元的通道，并且将样品注入单元连接到检测单元的一端；检测单元，检测单元涂覆有能够与样品的重金属发生显色反应的有机物质；以及尺(ruler)，尺用于测量显色距离。多个微流体结构中的每一个可以容纳不同种类的样品。控制该装置的旋转，以便样品从样品注入单元移动到微流体通道，然后移动到检测单元，并且，可以通过检测单元中重金属的显色反应进行定性分析，可以通过测量显色距离进行定量分析。检测单元可以包括多个区段(section)，多个区段涂覆有浓度各自不同的有机配体。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，检测单元包括：显影区，显影区涂覆有能够与流体样品的重金属发生显色反应的有机物质从而可以使流体样品显影；以及储液区(reservoirarea)，储液区将显影区与微流体通道连接，其中，显影区可以包括第一区段，第一区段最接近储液区，并且第一区段可以涂覆有最高浓度的有机配体。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，显影区包括n个区段，n个区段涂覆有浓度各自不同的有机配体，并且涂覆在从储液区起的第i区段中的有机配体的浓度可以比涂覆在从储液区起的第i-1区段中的有机配体的浓度低，其中，i可以是从1至n的自然数。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，样品注入单元可以包括能够容纳样品的空间以及可以供样品注入的开口。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，可以通过以下步骤来完成对该装置的旋转的控制：使该装置先旋转然后停止旋转，以使注入到样品注入单元中的样品移动到微流体通道；再次使该装置旋转，以便将移动到微流体通道的样品移动到储液区；以及使该装置停止旋转，以便使移动到储液区的样品在检测单元中显影。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，微流体通道可以包括“u”形管的一部分，使得可以在该装置的第一次旋转之后和第二次旋转之前，将样品容纳在微流体通道中。

另外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，第一次旋转可以在3000rpm下进行10秒，并且第二次旋转可以在5000rpm下进行5秒。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，可旋转平台是圆盘并且可以具有12cm至20cm的直径。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，可以包含在样品中的重金属可以包括fe²⁺、zn²⁺、hg²⁺、cr⁶⁺、ni²⁺或cu²⁺。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，预先涂覆到检测单元的有机物质可以包括二甲基乙二肟(dimethylglyoxime)、红菲咯啉(bathophenanthroline)、二硫代草酰胺(dithiooxamide)、双硫腙(dithizone)、二苯卡巴肼(diphenylcarbazide)或1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(1-(2-pyridylazo)-2-naphthol)。

此外，本发明涉及一种通过使用根据本发明的定性分析和定量分析装置进行的包含重金属的流体样品的分析方法。该分析方法包括：(s1)将样品注入到样品注入单元中；(s2)控制该装置的旋转；以及(s3)对在检测单元中显影的样品进行定性分析和定量分析中的至少一种。

此外，在根据本发明的包含重金属的流体样品的分析方法中，将样品注入到样品注入单元中的步骤(s1)可以包括：将包含不同种类的重金属的流体样品注入到多个微流体结构中的每一个中，或者将不同浓度的包含相同种类的重金属的流体样品注入到多个微流体结构中的每一个中。

此外，在根据本发明的包含重金属的流体样品的分析方法中，控制该装置的旋转的步骤(s2)可以包括：(s2-1)使该装置先旋转然后停止旋转，以使注入到样品注入单元中的样品移动到微流体通道；(s2-2)再次使该装置旋转，以便将移动到微流体通道的样品移动到储液区；以及(s2-3)使该装置停止旋转，以使移动到储液区的样品在检测单元中显影。

此外，在根据本发明的包含重金属的流体样品的分析方法中，对样品进行定性分析和定量分析中的至少一种的步骤(s3)可以包括进行以下步骤中的至少一种：(s3-1)通过在检测单元中显影的样品的显色反应来进行定性分析；以及(s3-2)通过测量显色距离来进行定量分析。

有益效果

根据本发明一个实施例的用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)和使用该装置的样品分析方法(2)，可以通过自动流体控制以及对转矩和毛细力的控制提高重金属的检测极限。可以通过转矩控制来提高重金属离子的检测极限。也就是说，通过控制装置的旋转来调节离心力和毛细力从而控制显色反应时间和显色区域，可以提高检测极限。

根据本发明一个实施例的用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)和使用该装置的样品分析方法(2)，可以用一个装置(1，1’)对几种重金属进行定性分析和定量分析。根据本发明，可以进行经济且快速的多金属定性/定量分析。它比常规的昂贵的基于光谱或质谱的重金属探测器更经济，并且可以缩短分析时间。另外，用于定性分析和定量分析的配置可以集成到一个小型化装置(1，1’)中，并且可以快速方便地应用于需要对重金属进行定性/定量分析的领域。

另外，由于通道(微流体通道)和检测单元都在一个装置中进行了图案化，因此用于定性分析和定量分析(1，1’)的装置的制造简单。

另外，通过用带有浓度梯度的有机配体涂覆检测单元，而不是用相同浓度的有机配体涂覆整个检测单元，即使在对包含在流体样品中的重金属进行的定量分析中，也可以提高测量准确度。

附图说明

图1a示出根据本发明一个实施例的用于定性分析和定量分析的装置，图1b和1c示出图1a的用于定性分析和定量分析的装置的微流体结构。

图2a示出根据本发明另一个实施例的用于定性分析和定量分析的装置，图2b示出图2a的用于定性分析和定量分析的装置的微流体结构。

图3示出根据图1a的用于定性分析和定量分析的装置的包括微流体结构的可旋转平台的每一层。

图4a至图4d示出根据图2a的用于定性分析和定量分析的装置的包括微流体结构的可旋转平台的每一层。

图5示出重金属离子与有机螯合剂之间的显色反应的示例。

图6示出使用根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置对重金属同时进行定性分析的示例。

图7a至图7b示出使用根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置对重金属进行定量分析的示例。

图8示出使用根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置分析样品的方法的流程图。

图9示出用于定性分析和定量分析的系统，该系统包括根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置并可以旋转根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置。

具体实施方式

在根据本发明的包括可旋转平台和径向地且对称地设置在可旋转平台上的多个微流体结构的用于定性分析和定量分析的装置中，多个微流体结构中的每一个包括：样品注入单元，包含重金属的流体样品注入到样品注入单元中；微流体通道，微流体通道是样品通过其可以移动到检测单元的通道，并且将样品注入单元连接到检测单元的一端；检测单元，检测单元涂覆有能够与样品的重金属发生显色反应的有机物质；以及尺，尺用于测量显色距离。多个微流体结构中的每一个可以容纳不同种类的样品。控制该装置的旋转，以便样品从样品注入单元移动到微流体通道，然后移动到检测单元，并且，可以通过检测单元中重金属的显色反应进行定性分析，可以通过测量显色距离进行定量分析。检测单元可以包括多个区段，多个区段涂覆有浓度各自不同的有机配体。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，检测单元包括：显影区，显影区涂覆有能够与流体样品的重金属发生显色反应的有机物质从而可以使流体样品显影；以及储液区，储液区将显影区与微流体通道连接，其中，显影区可以包括第一区段，第一区段最接近储液区，并且第一区段可以涂覆有浓度最高的有机配体。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，显影区包括n个区段，n个区段涂覆有浓度各自不同的有机配体，并且涂覆在从储液区起的第i区段中的有机配体的浓度可以比涂覆在从储液区起的第i-1区段中的有机配体的浓度低，其中，i可以是从1至n的自然数。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，样品注入单元可以包括能够容纳样品的空间以及可以供样品注入的开口。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，可以通过以下步骤来完成对该装置的旋转的控制：使该装置先旋转然后停止旋转，以使注入到样品注入单元中的样品移动到微流体通道；再次使该装置旋转，以便将移动到微流体通道的样品移动到储液区；以及使该装置停止旋转，以便使移动到储液区的样品在检测单元中显影。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，微流体通道可以包括“u”形管的一部分，使得可以在该装置的第一次旋转之后和第二次旋转之前，将样品容纳在微流体通道中。

另外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，第一次旋转可以在2000rpm至小于4000rpm下进行5至20秒，并且第二次旋转可以在4000rpm至6000rpm下进行3至10秒。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，可旋转平台是圆盘并且可以具有12cm至20cm的直径。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，可以包含在样品中的重金属可以是fe²⁺、zn²⁺、hg²⁺、cr⁶⁺、ni²⁺或cu²⁺。

此外，在根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置中，预先涂覆到检测单元的有机物质可以包括二甲基乙二肟、红菲咯啉、二硫代草酰胺、双硫腙、二苯卡巴肼或1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚。

此外，在通过使用根据本发明的定性分析和定量分析装置进行的包含重金属的流体样品的分析方法中，该方法包括：(s1)将样品注入到样品注入单元中；(s2)控制该装置的旋转；以及(s3)对在检测单元中显影的样品进行定性分析和定量分析中的至少一种。

此外，在根据本发明的包含重金属的流体样品的分析方法中，将样品注入到样品注入单元中的步骤(s1)可以包括：将包含不同种类的重金属的流体样品注入到多个微流体结构中的每一个中，或者将不同浓度的包含相同种类的重金属的流体样品注入到多个微流体结构中的每一个中。

此外，在根据本发明的包含重金属的流体样品的分析方法中，控制该装置的旋转的步骤(s2)可以包括：(s2-1)使该装置先旋转然后停止旋转，以使注入到样品注入单元中的样品移动到微流体通道；(s2-2)再次使该装置旋转，以便将移动到微流体通道的样品移动到储液区；以及(s2-3)使该装置停止旋转，以便使移动到储液区的样品在检测单元中显影。

此外，在根据本发明的包含重金属的流体样品的分析方法中，对样品进行定性分析和定量分析中的至少一种的步骤(s3)可以包括进行以下步骤中的至少一种：(s3-1)通过在检测单元中显影的样品的显色反应来进行定性分析；以及(s3-2)通过测量显色距离来进行定量分析。

发明实施方式

在下文中，将详细描述根据本发明的使用转盘系统对重金属进行定性分析和定量分析的装置和方法。包括附图以提供对本发明的进一步理解，附图示出了本发明的实施例，并且本发明的技术范围不限于此。

另外，相同或相应的组件由相同的附图标记表示，而无论数字符号如何，并且将省略对组件的重复描述。为了便于说明，所示的每个组成构件的尺寸和形状可以被放大或缩小。

图1a示出根据本发明一个实施例的用于定性分析和定量分析的装置1，图1b示出图1a的转盘系统的微流体结构20。

首先，参照图1a，用于定性分析和定量分析的装置1包括可旋转平台10和设置在可旋转平台10上的多个微流体结构20。例如，可旋转平台10可以是圆盘，并且例如，尺寸可以在一个实施例中为直径12cm至20cm，在另一个实施例中为直径小于12cm。

可旋转平台10包括多个微流体结构20，多个微流体结构20径向且对称地位于可旋转平台10上。例如，多个微流体结构20可以包括两个、四个、六个、八个、十个或十二个结构。在图1a中，示出了在可旋转平台10上设置有六个微流体结构20。

参照图1b，示出了多个微流体结构20中的每个微流体结构20。微流体结构20包括：顶层(参见图3)；涂覆有能够与流体样品中的重金属发生显色反应的有机物质的检测单元120；以及底层(参见图3)。顶层包括：样品注入单元100，包含重金属的流体样品注入到样品注入单元100中；微流体通道110，流体样品可以通过微流体通道110移动到检测单元；可以供检测单元120插入的部分；以及尺130，尺130用于测量显色距离。底层是未图案化的压敏粘合层。

多个微流体结构20中的每个微流体结构20可以容纳包含不同种类的重金属的流体样品。例如，可以包含在流体样品中的重金属可以包括fe²⁺、zn²⁺、hg²⁺、cr⁶⁺、ni²⁺或cu²⁺。

样品注入单元100包括用于容纳包含重金属的流体样品的空间和可以供流体样品注入到该空间中的开口100a。样品注入单元100和检测单元120的一端可以连接到微流体通道110。此外，样品注入单元100可以包括阻挡单元100b，阻挡单元100b防止通过开口100a注入的样品直接流入微流体通道110中，并且阻挡单元100b利用通道的下拉力(drop)将样品存储在样品注入单元100的内部空间中。因为样品注入单元100的后端部100c(在后端部100c处，微流体通道110与样品注入单元100连接)的附近具有例如流线型的形状，所以当注入到注入单元100中的流体样品移动到微流体通道110时，流体样品的阻力最小化，并且注入到样品注入单元100中的所有流体样品都移动到微流体通道110。

微流体通道110可以具有1mm的宽度和100μm的深度。例如，微流体通道110可以包括“u”形管的一部分。如以下将描述的，在用于定性分析和定量分析的装置1的第一次旋转之后和第二旋转次之前包含重金属的流体样品可以沿着通道移动，该通道是流体样品由于微流体通道110的亲水性而移动通过的通道，并因此，流体样品可以容纳在微流体通道110中。

检测单元120可以由多孔亲水材料(例如，纸、硝化纤维、棉、硅基溶胶-凝胶基质等)制成，并且可以优选由纸制成。

此外，检测单元120包括涂覆有浓度各自不同的有机配体的多个区段。

首先，检测单元120包括：显影区120a，该显影区120a涂覆有能够与流体样品的重金属发生显色反应的有机物质(有机配体)从而可以使流体样品显影；以及储液区120b，储液区120b将微流体通道110与显影区120a连接。储液区120b可以涂覆有或可以不涂覆有有机物质。微流体通道110与检测单元120的储液区120b的一侧连接。在可旋转平台10的第一次旋转期间从样品注入单元100移动到微流体通道110的流体样品，在可旋转平台10的第二次旋转期间从微流体通道110移动到与微流体通道110连接的检测单元120的储液区120b。此时，由于旋转导致的离心力，使得流体样品保留在储液区120b中，而没有被显影到检测单元120的显影区120a中。当可旋转平台10的第二次旋转停止时，流体样品从储液区120b被显影到显影区120a。下面将参照图8给出其更详细的描述。

同时，检测单元120的显影区120a未涂覆有相同浓度的有机配体，但通过在检测单元120的显影区120a的多个(n个，其中n是2以上的自然数)区段中提供浓度梯度而涂覆有不同浓度的有机配体，如图1b所示。区段的数量n可以是例如2以上且10以下，或者例如5或6。

更具体地，最接近储液区120b的第一区段120a1涂覆有浓度最高的有机配体，而下一个相邻的第二区段120a2涂覆有浓度比第一区段120a1中所涂覆的有机配体的浓度低的有机配体。接下来的第三区段120a3涂覆有浓度比第二区段120a2中所涂覆的有机配体的浓度低的有机配体，随后的区段也涂覆有浓度越来越低的有机配体。并且，离储液区120b最远的第n区段120an涂覆有浓度最低的有机配体。也就是说，涂覆在从储液区120b起的第i区段120ai中的有机配体的浓度比涂覆在第i-1区段120ai-1中的有机配体的浓度低。这里，i是从1至n的自然数。

从离储液区120b最远的第n区段120an朝向离储液区120b最近的第一区段120a1显影的流体样品的量增加。根据本发明，所涂覆的有机配体的浓度从离储液区120b最远的第n区段120an朝向离储液区120b最近的第一区段120a1增加。可以防止在检测单元120处使流体样品显影的速度比涂覆在显影区120a上的有机配体与流体样品中的重金属反应(显色反应)时的速度更快，使得在对流体样品中的重金属进行分析时，可以进一步提高测量准确度。

例如，当为了检测zn²⁺，将pan(1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚)作为有机物质涂覆在检测单元120的显影区120a上，并且显影区120a的区段的数量为5时，在第一区段120a1、第二区段120a2、第三区段120a3、第四区段120a4和第五区段120a5中的每一个上涂覆的有机配体的浓度分别为50mm、35mm、20mm、5mm和1mm。

另外，例如，当为了检测fe²⁺，将bphen(红菲咯啉)作为有机物质涂覆在检测单元120的显影区120a上，并且显影区120a的区段的数量为5时，在第一区段120a1、第二区段120a2、第三区段120a3、第四区段120a4和第五区段120a5中的每一个上涂覆的有机配体的浓度分别为10mm、5mm、1mm、0.5mm和0.1mm。

此外，例如，当为了检测ni²⁺，将dmg(二甲基乙二肟)作为有机物质涂覆在检测单元120的显影区120a上，并且显影区120a的区段的数量为5时，在第一区段120a1、第二区段120a2、第三区段120a3、第四区段120a4和第五区段120a5中的每一个上涂覆的有机配体的浓度分别为50mm、10mm、5mm、1mm和0.5mm。

另外，例如，当为了检测cu²⁺，将dto(二硫代草酰胺)作为有机物质涂覆在检测单元120的显影区120a上，并且显影区120a的区段的数量为5时，在第一区段120a1、第二区段120a2、第三区段120a3、第四区段120a4和第五区段120a5中的每一个上涂覆的有机配体的浓度分别为10mm、8mm、6mm、4mm和2mm。

此外，例如，当为了检测cr⁶⁺，将添加有1％h2so4的dcb(二苯卡巴肼)作为有机物质涂覆在检测单元120的显影区120a上，并且显影区120a的区段的数量为5时，在第一区段120a1、第二区段120a2、第三区段120a3、第四区段120a4和第五区段120a5中的每一个上涂覆的有机配体的浓度分别为20mm、10mm、5mm、2mm和1mm。

另外，例如，当为了检测hg²⁺，将dtz(双硫腙)作为有机物质涂覆在检测单元120的显影区120a上，并且显影区120a的区段的数量为5时，在第一区段120a1、第二区段120a2、第三区段120a3、第四区段120a4和第五区段120a5中的每一个上涂覆的有机配体的浓度分别为50mm、25mm、10mm、5mm和1mm。

尺130在检测单元120的旁边位于检测单元120的附近。例如，尺130可以以毫米(mm)进行标度。或者，除了标度单位(scaleunit)130中的诸如mm的长度单位之外，还可以以诸如ppm、ppb等的浓度单位进行标度。在尺130中以浓度单位来表示刻度的情况下，其可以以通过将重金属的显影距离代入校准曲线中所得到的浓度单位来表示(参照图6)。

图1c示出图1b的转盘系统的微流体结构20的示例性尺寸。微流体结构20的示例性尺寸不限于图1c中所示的尺寸，而是可以根据实施本发明中的各种环境进行修改或改变。

图2a示出根据本发明另一个实施例的用于定性分析和定量分析的装置1’，图2b示出图2a的转盘系统的微流体结构20’。类似于图1a的用于定性分析和定量分析的装置1，图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’包括可旋转平台10和设置在可旋转平台10上的多个微流体结构20’。可旋转平台10的顶层包括：样品注入单元100，包含重金属的流体样品注入到样品注入单元100中；以及微流体通道110，微流体通道110是可以供流体样品移动到检测单元的通道。底层包括可以插入检测单元120’的部分(参见图4d)和用于测量显色距离的尺130。

同时，不同于图1a的用于定性分析和定量分析的装置1，图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’包括空气循环通道140。空气循环通道140连接在样品注入单元100与检测单元120’的另一端之间。因此，样品注入单元100、微流体通道110、检测单元120’、空气循环通道140和样品注入单元100被连接以按顺序循环。通过引入空气循环通道140，增加了检测单元120’的流体样品的蒸发速率，并且防止了检测单元120’中的水分凝结现象。另一方面，相对于样品注入单元100，因为空气循环通道140位于圆盘形可旋转平台10的中心并且微流体通道110被设置为朝向可旋转平台10的边缘，所以当可旋转平台10旋转时，样品注入单元100的样品通过离心力移动到微流体通道110，而不移动到空气循环通道140。另外，为了防止移动的可能性，在样品注入单元100和空气循环通道140彼此连接的位置处钻有深度约1mm、直径约0.8mm的孔，以形成通过空气压力操作的毛细管阀，从而防止样品从样品注入单元100移动到空气循环通道140。

不同于图1a和图1b的用于定性分析和定量分析的装置1，图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’的检测单元120’不具有在每个区段中浓度不同的有机配体。

此外，在图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’中，整个检测单元120’涂覆有能够与流体样品中的重金属发生显色反应的有机物质使得流体样品可以被显影，并且包括与检测单元120’分开设置的储液区150。检测单元120’的一端容纳在储液区150中。储液区150是在图4a的可旋转平台10的顶层的下表面和底层的上表面中的每一者中的凹陷的图案化区域，以便在其中容纳流体样品。在可旋转平台10的第一次旋转期间容纳在微流体通道110中的流体样品在可旋转平台10的第二次旋转期间从微流体通道110移动到储液区150，然后由于旋转所产生的离心力被存储(即，被捕获)在储液区150中，而不会在检测单元120’中显影。当旋转平台10的第二次旋转停止时，流体样品从储液区150移动到流体样品显影的检测单元120’中。下面将参照图8给出其更详细的描述。

在图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’中，检测单元120’的一端容纳在储液区150中，而流体样品从位于可旋转平台10的顶层中的微流体通道110注入到插入可旋转平台10的底层中的检测单元120’的一端，即向下注入。同时，在图1a和图1b中，检测单元120位于可旋转平台10的顶层中，因而样品通过微流体通道110被注入到检测单元120的侧面。在图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’和图2b的微流体结构20’的描述中，与图1a的用于定性分析和定量分析的装置1和图1b的微流体结构20中的组件相同的组件的描述参照图1a和图1b的描述。

图3示出图1a的包括微流体结构20的可旋转平台10的每一层。包括微流体结构20的可旋转平台10主要由两层组成。在顶层中，设置有样品注入单元100、微流体通道110、可以供检测单元120插入的空间以及尺130。例如顶层的厚度可以是1.0mm，并且例如顶层的材料可以包括聚碳酸酯(pc)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等。样品注入单元100和微流体通道110设置在顶层内，并且样品注入单元100和微流体通道110可以通过使用微铣削的图案化工艺来形成。可以对顶层的安置检测单元120的部分进行各种修改和改变以便可以插入检测单元120，顶层的该部分包括与检测单元120的形状一致的凹部。另外，凹部的深度可以根据实际实施本发明的环境进行各种修改和改变。底层没有被图案化，而是可以粘合到顶层的压敏粘合层。例如，其材料可以包括聚烯烃系列等。

图4a至图4d示出图2a的包括微流体结构20’的可旋转平台10的每一层。如图4a所示，包括微流体结构20’的可旋转平台10主要由三层组成，三层中的各层对应于：安置有样品注入单元100和微流体通道110的顶层(参见图4b)；用于插入检测单元的底层(参见图4d)；以及用于将顶层和底层粘合的psa(压敏粘合)层(参见图4c)。例如，顶层和底层的材料可以包括聚碳酸酯(pc)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等。样品注入单元100和微流体通道110设置在顶层中，并且样品注入单元100和微流体通道110可以通过使用微铣削的图案化工艺来形成。在顶层部分中，可以对安置有检测单元120’的部分进行各种修改和改变以便可以插入检测单元120’，该部分包括与检测单元120’的形状一致的凹部。另外，凹部的深度可以根据实际实施本发明的环境进行各种修改和改变。亲水材料涂覆在微流体通道110的内部以容纳包含重金属的流体样品。为了在底层中具有可以插入检测单元120’的空间，顶层的下表面可以包括与检测单元120’的形状一致的凹部。尺130被图案化在底层中。psa层是用于将顶层和底层粘合的粘合层，并且可以形成为例如基于丙烯酸的双面胶带。在具有与可旋转平台10的尺寸相对应的粘合剂成分的带或板中，可以通过切割等去除顶层中与样品注入单元100和微流体通道110相对应的区域以及底层中与检测单元120’相对应的区域，如图4c所示。另一方面，顶层和psa层由透明材料制成，从而可以识别出检测单元120’中的样品的显影和底层中的尺130。然而，本发明不限于上述实施例，并且可以进行各种修改和改变，例如，尺130可以被图案化在顶层上。

根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)，控制用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)的旋转，使得包含重金属的流体样品从样品注入单元100移动到微流体通道110中，然后移动到检测单元(120，120’)。例如，在将包含重金属的流体样品注入到样品注入单元100中之后，当使用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)先在3000rpm下旋转10秒，然后停止旋转时，包含重金属的流体样品移动到微流体通道110。当使用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)在5000rpm下再次旋转5秒时，顶层的微流体通道110中的包含重金属的流体样品通过离心力注入到插入在底层中的储液区(120b，150)。当用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)停止旋转时，包含重金属的流体样品通过毛细力在检测单元(120，120’)上显影。

在检测单元(120，120’)上显影的包含重金属的流体样品与预先涂覆在检测单元(120，120’)上的试剂反应，以指示与重金属有关的颜色。例如，可以使用有机螯合剂，作为可以预先涂覆到检测单元(120，120’)的有机物质。在一个实施例中，可以使用以下表1所示的基于重金属离子与有机螯合剂之间的反应列表的有机物质。

表1

图5示出根据表1的重金属离子与有机螯合剂之间的显色反应。在图5的示例中，使用pan(1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚)、bphen(红菲咯啉)、dmg(二甲基乙二肟)、dto(二硫代草酰胺)、dcb(二苯卡巴肼)和dtz(双硫腙)作为有机螯合剂。对于cr⁶⁺，将1％h2so4添加到dcb中，以改善cr⁶⁺离子对dcb的反应选择性以及显色反应。

根据本发明的用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)可以在15分钟之内对达25ppm的多种重金属(例如fe²⁺、zn²⁺、hg²⁺、cr⁶⁺、ni²⁺或cu²⁺)同时进行定性分析。

可以利用检测单元(120，120’)上的显色反应的色相对流体样品中包含的重金属进行定性分析。例如，当用裸眼观察根据显色反应的色相时，可以识别出流体样品中所包含的重金属的类型。图6示出使用图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’对六种重金属(100ppm)同时进行定性分析的示例。

另外，可以通过使用图1b和图2b的尺130对检测单元(120，120’)上的包含重金属的流体样品的显影程度进行定量分析。参照图6的示例，可以看出，在多个微流体结构20中的每一个的检测单元120’上的包含重金属的流体样品的显影程度彼此不同。通过使用相应的尺130，可以测量包含重金属的流体样品的显影程度。使用尺130测量在检测单元(120，120’)上相对应的流体样品的显影距离，通过上述定性分析来确定流体样品中所包含的重金属的类型，并且可以通过将显影距离代入重金属的校准曲线中来进行重金属的定量分析(参见图7a至图7b)。图7a示出使用图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’对cr⁶⁺进行定量分析的情况，图7b示出使用图2a的用于定性分析和定量分析的装置1’对fe²⁺进行定量分析的情况。例如，图7a中描述的1ppm、5ppm、10ppm、25ppm、50ppm和100ppm的数字是对cr⁶⁺进行定量分析的结果。这种方法是，使用尺130测量六个检测单元120上的对应于cr⁶⁺的紫色显影程度，然后将测得的显影距离代入cr⁶⁺的校准曲线中以得到与校准曲线的y轴上的显影程度相对应的x轴上的浓度，从而可以对cr⁶⁺进行定量分析。在图7b中的fe²⁺的情况下，可以以相同的方式进行定量分析。此时，在cr⁶⁺的情况下，定性分析的检测极限为1ppm，定量分析的检测极限为5ppm。在fe²⁺的情况下，定性分析的检测极限为25ppm，定量分析的检测极限为50ppm。

在下文中，参照图8，将描述根据本发明一个实施例的使用用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)对包含重金属的流体样品进行分析的方法(2)。根据本发明的实施例的用于分析样品的方法(2)的步骤如下：

步骤1：将流体样品注入到用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)的样品注入单元100中(s1)；

步骤2：控制用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)的旋转(s2)；以及

步骤3：进行定性分析和定量分析中的至少一种(s3)。

步骤1：将流体样品注入到用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)的样品注入单元100中(s1)

将流体样品注入到用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)的多个微流体结构20的每个样品注入单元100中。例如，可以将大约40μl的流体样品分别注入到每个样品注入单元100中。然而，本发明不限于该实施例，并且可以根据实施本发明的各种环境来不同地调节注入量。将包含不同种类的重金属的流体样品分别注入到多个微流体结构(20，20’)中的每一个中(s1-1)，以进行如下所述的定性分析和/或定量分析，将不同浓度的包含相同种类的重金属的流体样品分别注入到微流体结构(20，20’)中的每一个中(s1-2)，以进行如下所述的定性分析和/或定量分析。

步骤2：控制用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)的旋转(s2)

用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)安装在用于定性分析和定量分析的系统3，该系统3能够使用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)旋转，例如，如图9所示的用于定性分析和定量分析的可旋转系统3，并且旋转用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)。该步骤(s2)包括以下详细步骤：

步骤2-1：首先使用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)在2000rpm至小于4000rpm下旋转5至20秒，然后停止旋转，以将注入到位于微流体结构(20，20’)的顶层的样品注入单元100中的包含重金属的流体样品移动到微流体通道110(s2-1)。

步骤2-2：使用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)在4000rpm至6000rpm下再次旋转3至10秒，以使步骤2-1中转移到微流体通道110的包含重金属的流体样品流入微流体结构(20，20’)的储液区(120b，150)中(s2-2)。

步骤2-3：使用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)停止旋转，以利用毛细力将包含重金属的流体样品从储液区(120b，150)引导至检测单元120的显影区120a/检测单元120’的一端以在检测单元(120，120’)上显影(s2-3)。

步骤3：进行定性分析和定量分析中的至少一种(s3)

通过用裸眼分析检测单元(120，120’)上的显色反应的方法，可以对在检测单元(120，120’)上显影的流体样品进行定性分析(s3-1)；或者可以通过使用尺130测量在检测单元(120，120’)上显影的流体样品的显影程度，然后将测量值代入在刻度上显影的相应重金属的校准曲线来进行定量分析(s3-2)；或者定性分析和定量分析都可以进行(s3-1和s3-2)。以上参照图6、7a至7b描述了与此相关的示例。

综上所述，根据本发明实施例的用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)包括具有相同结构的微流体结构20，微流体结构20可以在可旋转平台10(例如，圆盘)上检测多种(例如，六种)重金属，其中，每个微流体结构20沿可旋转平台10的旋转方向径向且对称地布置，并且包括涂覆有可以与重金属发生显色反应的有机物质的检测单元(120，120’)。

根据本发明实施例的用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)以及使用该装置分析样品的方法(2)，用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)旋转时产生的离心力可以将包含重金属的流体样品移动到检测单元(120，120’)，并且可以通过显色反应进行定性分析。此外，当装置停止旋转时，可以通过纸毛细力使流体显影，并且可以通过使用图案化在用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)上的尺130识别显色距离来进行量化。通过自动流体控制以及对转矩和毛细力的控制可以提高重金属的检测极限。可以通过转矩控制提高重金属离子的检测极限。也就是说，通过该旋转控制来调节离心力和毛细力，从而通过控制显色反应时间和显色区域，可以提高检测极限。具体地，当由于毛细力引起的包含重金属的样品的显影速度变得比在检测单元上重金属和有机螯合剂彼此反应时的速度快时，包含重金属的样品无法与有机螯合剂充分反应，并在整个检测单元上显影。在浓度高的重金属样品的情况下，由于显色而在检测上没有问题，但是有可能降低定量性能。在浓度低的重金属样品的情况下，由于样品不能与检测单元上的有机螯合剂充分反应，因此有可能降低检测灵敏度和极限，并因此不会发生显色。然而，根据本发明，由于离心力作用在毛细力的相反侧，因此施加离心力以控制毛细力引起的溶液显影速度，从而可以在检测单元上充分进行显色反应，以提高检测极限。

此外，根据本发明实施例的用于定性分析和定量分析的装置(1，1’)以及使用该装置进行样品分析的方法(2)，对多种重金属的定性/定量分析经济且快速。它比常规的昂贵的基于光谱或质谱的重金属探测器更经济，并且可以缩短分析时间。因此，它可以快速方便地应用于需要对重金属进行定性/定量分析的领域。

本领域技术人员将理解如上所述的本发明的技术构成可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行各种改变。因此，应当理解，上述实施例在所有方面都是示例性的，而不是限制性的。另外，本发明的范围由所附权利要求而不是本发明的详细描述来指示。而且，从权利要求的含义和范围及其等同物得出的所有改变或修改都应解释为包括在本发明的范围内。

[附图标记的说明]

1，1’：用于定性分析和定量分析的装置

2：进行样品分析的方法

3：用于定性分析和定量分析的系统

10：可旋转平台

20，20’：微流体结构

100：样品注入单元

110：微流体通道

120，120’：检测单元

130:尺