一种Pb²⁺微流控检测芯片及水样中Pb²⁺的可视化检测方法

一种Pb²⁺微流控检测芯片及水样中Pb²⁺的可视化检测方法
【专利摘要】本发明提供的Pb2+微流控检测芯片及包括基板、凝胶片、固定柱、指示柱和透明盖板，基板上设有第一微通道～第四微通道、中间桥通道、进样通道、出样通道和指示液通道，中间桥通道中设有若干指示柱，指示柱在中间桥通道中形成指示柱阵列，凝胶片设置在固定柱上，进样通道的出口分别与第一和第四微通道的进口连通，第一和第四微通道的出口分别与中间桥通道的出样口和进样口连通，中间桥通道的出样口和进样口分别与第二和第三微通道的进口连通，第二和第三微通道的出口与出样通道的入口连通，指示液通道的出口与中间桥通道的指示液进口连通，透明盖板与基板键合为一体。本发明还提供了水样中Pb2+的可视化检测方法，该方法能降低对水样中Pb2+的检测成本。
【专利说明】
一种Pb2+微流控检测芯片及水样中Pb2+的可视化检测方法
技术领域
[0001]本发明属于基于智能凝胶的Pb2+检测领域，特别涉及一种Pb2+微流控检测芯片及水样中Pb2+的可视化检测方法。
【背景技术】
[0002]铅离子是一种会对生态环境和人体健康造成重大危害的有毒重金属离子，即使是微量的铅离子也会对人体的神经系统、消化系统、造血系统产生巨大的危害，特别会对儿童的智力及生长发育造成不可逆的严重危害。GB25466—2010中规定，饮用水中铅离子的含量不得高于4.83父10—811101/1，工业废水中铅离子的浓度不得高于2.42\10—611101/1，由此可知，准确地检测出饮用水、工业废水等样品中的超低浓度的铅离子，对于人体健康和环境保护都具有非常重要的意义。
[0003]目前，常见的铅离子检测方法有原子光谱法、电化学法以及比色法。其中，原子光谱法是利用原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪等实现对超低浓度铅离子的检测，但该方法需要使用精密昂贵的检测设备，存在着检测成本高昂的不足。电化学法也需要使用复杂的仪器设备，而且检测步骤繁琐、需要专业人员操作，因而难以推广应用。彭池方等基于比色法，利用2-巯基乙醇-硫代硫酸钠-纳米金复合膜能测出水中浓度为5 X 10—8mol/L的铅离子(彭池方，谢正军，汪雅云，等.纳米金复合薄膜的制备及铅离子肉眼检测方法的构建[J].分析测试学报，2014,33(10): 1194-1198.)，但比色法凭肉眼判断，无法做到准确的定量检测，而要实现定量检测，往往需要借助精密的分光光度计等设备。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种Pb2+微流控检测芯片及水样中Pb2+的可视化检测方法，以降低对水样中Pb2+的检测成本。
[0005]本发明提供的Pb2+微流控检测芯片，包括基板、凝胶片、固定柱、指示柱和透明盖板；
[0006]所述基板上设有第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道、中间桥通道、进样通道、出样通道和指示液通道;第一微通道和第四微通道呈轴对称布置，第二微通道和第三微通道呈轴对称布置，所述第一微通道、第二微通道和第三微通道均设有狭缝段，所述中间桥通道中设有若干指示柱，指示柱在中间桥通道中形成至少一个指示柱阵列，各指示柱阵列中相邻指示柱之间的间距均相等；
[0007]所述固定柱为圆柱，固定柱设置在第四微通道中，固定柱的轴线垂直于第四微通道的底面且与第四微通道的中心线相交，所述凝胶片为圆环片，凝胶片设置在固定柱上，凝胶片的材料为聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)，当温度低于聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的体积相转变温度时，凝胶片的厚度和外径分别与第四微通道的深度和宽度相同，截断第四微通道的过流通道，当温度高于聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)微凝胶的体积相转变温度时，凝胶片收缩，在第四微通道中形成过流通道，该过流通道的横截面面积大于第一微通道狭缝段的横截面面积，当含Pb2+的水样流经第四微通道，凝胶片选择性地络合Pb2+并发生体积溶胀，使第四微通道的过流通道减小；
[0008]所述进样通道的出口分别与第一微通道和第四微通道的进口连通，所述第一微通道和第四微通道的出口分别与中间桥通道的出样口和进样口连通，所述中间桥通道的出样口和进样口分别与第二微通道和第三微通道的进口连通，所述第二微通道和第三微通道的出口与出样通道的入口连通，所述指示液通道的出口与中间桥通道的指示液进口连通；
[0009]所述透明盖板与基板键合为一体形成Pb2+微流控检测芯片，透明盖板应完全覆盖住基板上的所有通道，透明盖板与基板上的进样通道、出样通道和指示液通道的入口相对应处设有通孔，透明盖板与基板键合后在所述通孔处形成Pb2+微流控检测芯片的进样口、出样口和指不液进口。
[0010]上述Pb2+微流控检测芯片中，所述第一微通道、第二微通道、第三微通道和第四微通道的宽度为150?500μηι、深度为30?200μηι。
[0011]上述Pb2+微流控检测芯片中，所述第一微通道、第二微通道及第三微通道上狭缝段的宽度为第一微通道、第二微通道及第三微通道宽度的0.1?0.25倍，第一微通道、第二微通道及第三微通道上狭缝段的深度分别与第一微通道、第二微通道及第三微通道的深度相等。
[0012]上述Pb2+微流控检测芯片中，基板上的第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的设计原则为:第二微通道和第三微通道的形状应保证液体流过第二微通道和第三微通道时，第二微通道和第三微通道中的流动阻力相等，而要实现第二微通道和第三微通道中的流动阻力相等并符合各通道之间的连接关系，就要求第二微通道和第三微通道呈轴对称布置;第一微通道和第四微通道的形状应满足以下要求:当凝胶片收缩时，凝胶片与第四微通道壁面之间形成的过流通道的横截面面积大于第一微通道的狭缝段的横截面面积，此时通入去离子水应满足第一微通道中的流动阻力大于第四微通道中的流动阻力，要满足该条件并符合各通道之间的连接关系，优选的方式是使第一微通道与第四微通道的长度、宽度和深度相等，二者呈轴对称方式布置(除了第一微通道的狭缝段处与第四微通道的凝胶片处的形状不同外，第一微通道和第四微通道的形状是呈轴对称的)。只要满足上述设计原则，第一微通道与第二微通道的长度、宽度、深度可以相等，也可以不相等，优选的方式是使第一微通道与第二微通道也呈轴对称布置。
[0013]上述Pb2+微流控检测芯片中，所述中间桥通道的宽度为500?3000μπι、深度为30?200μπι，所述指示柱为直径是30?200μπι的圆柱，所述指示柱阵列中相邻指示柱之间的间距为30?10ym0
[0014]上述Pb2+微流控检测芯片中，所述固定柱为圆柱，固定柱的直径为第四微通道宽度的0.2?0.5倍。
[0015]上述Pb2+微流控检测芯片中，所述基板、固定柱和指示柱的材料均为聚二甲基硅氧烷，所述盖板的材料可为玻璃或者聚二甲基硅氧烷等透明材料。采用现有的软刻蚀工艺在基板上设置第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道、中间桥通道、进样通道、出样通道、指示液通道、固定柱以及指示柱，具体可参照Qin,D.et al.Soft lithography formicro-and nanoscale patterning.Nature Protocols，2010，5,491-502.中的方法进行设置。
[0016]上述Pb2+微流控检测芯片中，在第四微通道中设置凝胶片的方法为:
[0017]①以N-异丙基丙烯酰胺、苯并18冠6为单体，以偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂，以N，N’_亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将所述单体、引发剂、交联剂和去离子水混合均匀形成凝胶前驱液，凝胶前驱液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为0.5?1.5mol/L，苯并18冠6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为(I?5):20，引发剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1: (5?15)，交联剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1: (20?100);
[0018]②将第四微通道中注满凝胶前驱液，然后将带圆形透光孔的遮光板置于第四微通道上方使透光孔的轴线与固定柱的轴线重合，所述透光孔的直径与与第四微通道的宽度相等，在I?15°C用紫外光穿过遮光板的透光孔照射第四微通道，引发透光孔处的第四微通道内的凝胶前驱液发生交联反应形成凝胶片，然后用去离子水洗去第四微通道内的凝胶前驱液，即完成第四微通道中凝胶片的设置。
[0019]在第四微通道中设置凝胶片时，所述遮光板由能避免紫外线穿过的材料制作，遮光板优选为黑色胶片。
[0020]本发明还提供了一种水样中Pb2+的可视化检测方法，该方法使用恒流输送装置、热台以及上述Pb2+微流控检测芯片，将所述检测芯片置于热台上，将检测芯片的进样口和指示液进口分别通过管件与恒流输送装置连接，步骤如下:
[0021]①以去离子水为空白试样，使用恒流输送装置将空白试样以恒定的体积流量从进样口输入检测芯片中，空白试样经检测芯片后从出样口排出，使用恒流输送装置将指示液以恒定的体积流量从指示液进口输入检测芯片中，待检测芯片的中间桥通道中指示液的界面位置稳定后，采用放大镜观察中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱的数目，所述指示液由水溶性染料和去离子水配制而成；
[0022]②将步骤①中的空白试样替换为一系列Pb2+浓度已知的标样，重复步骤①的操作，得到一系列标样对应的被指示液覆盖的指示柱的数目，计算输入各标样时相对于输入空白试样时被指示液覆盖的指示柱数目的变化值，以标样中Pb2+浓度为纵坐标、以被指示液覆盖的指示柱数目的变化值为横坐标绘制工作曲线，确定Pb2+浓度与被指示液覆盖的指示柱数目的变化值的换算关系式；
[0023]③步骤①中的空白试样替换为待测试样，重复步骤①的操作，得到输入待测试样时被指示液覆盖的指示柱的数目，计算输入待测试样时相对于输入空白试样时被指示液覆盖的指示柱数目的变化值，根据步骤②确定的Pb2+浓度与被指示液覆盖的指示柱数目的变化值的换算关系式计算待测样品中Pb2+浓度；
[0024]步骤②、③中，完成对每一个标样或待测试样的检测后，向检测芯片中输入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至55?60°C并保温3?5min，然后降至20?25°C并保温3?5min，重复前述升温清洗和降温清洗的操作直到去除凝胶片中的金属离子后再输入下一标样或试样进行检测；
[0025]步骤①?③中，在输入空白试样、标样以及待测试样进行检测的过程中，控制热台的温度为33?35 °C并保持温度恒定。
[0026]上述水样中Pb2+的可视化检测方法中，向检测芯片中输入空白试样、标样或待测试样时，控制输入流量为200?8000yL/h，向检测芯片中输入指示液时，控制输入流量为50?2000yL/ho
[0027]本发明所述水样中Pb2+的可视化检测方法的原理如下:
[0028]本发明所述检测芯片中，凝胶片被固定在第四微通道的固定柱上，当温度高于聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)微凝胶的体积相转变温度时，凝胶片收缩，此时凝胶片与第四微通道壁面之间形成的过流通道的面积大于第一微通道的狭缝段的过流面积，向所述检测芯片中通入去离子水，将此时第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的流动阻力分别记作R^R^R^Rx，由于第二微通道和第三微通道呈轴对称布置，即这两个微通道的流动阻力相等(R2 = R3),因而此时四个微通道的流动阻力之间的关系为R1ROR2Rx,此时中间桥通道中的液体会由中间桥通道的进样口流向出样口，如图4(a)所示；当含低浓度Pb2+的水样流经凝胶片时，聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的18-冠-6基团会选择性地络合铅离子并形成带电的络合物，带电络合物基团之间的静电排斥作用会导致高分子链伸展，进而引起凝胶片发生体积溶胀，同时，聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的18-冠-6基团络合铅离子后会导致凝胶片的渗透压增大，引起凝胶片发生吸水溶胀，凝胶片溶胀后，第四微通道的过流通道减小，如图4(b)所示，此时第四微通道的流动阻力R’x>Rx，使得中间桥通道中由进样口向出样口流动的液体的流速减小；当水样中Pb2+的浓度进一步增大时，第四微通道的流动阻力R” X继续增加，导致R1R3U2R" X，此时中间桥通道中液体流向发生转变，由出样口流向进样口，如图4(c)所示。由于凝胶片体积溶胀的程度与Pb2+的浓度相关，而检测芯片中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱的数目与凝胶片的溶胀程度相关，而凝胶片溶胀程度的改变会使第一微通道和第四微通道中的流动阻力的相对大小发生变化，因此本发明所述方法通过测定检测芯片的中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱数目的变化值即实现了对水样中Pb2+的定量测定。
[0029]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0030]1.本发明提供的Pb2+微流控检测芯片是一种新型的铅离子检测芯片，该检测芯片基于智能凝胶与惠斯通电桥原理实现对铅离子的检测，其中的凝胶片能特异性地识别Pb2+并发生体积溶胀，并造成第四微通道的过流通道减小，引起第四微通道的流动阻力增大，进而导致中间桥通道中液体的流速甚至是流向的改变，因此，将本发明的检测芯片与使用恒流输送装置与热台配合，通过观测该检测芯片中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱数目的变化值，即可实现对水样中铅离子的可视化定量检测。
[0031]2.本发明还提供了一种检测水样中Pb2+的新方法，该方法的检出限低至10—1Vol/L，能实现I O—1(3?I O—4H1 I /L浓度级别的铅离子的检测，检出限低、检测范围宽。
[0032]3.本发明所述方法将本发明的检测芯片与恒流输送装置和热台配合使用实现了对水样中铅离子的检测，这些装置均为常见设备，价格低廉，与现有技术相比，无需使用各类昂贵复杂的辅助检测设备，也无需专业技术人员操作仪器，本发明所述方法具有分析成本低廉、操作简单、适用范围广泛和易于推广应用的优势。
【附图说明】
[0033]图1是本发明所述Pb2+微流控检测芯片的结构示意图；
[0034]图2是图1中的Pb2+微流控检测芯片的第四微流体通道中凝胶片处的局部放大图；
[0035]图3是图1中的Pb2+微流控检测芯片的第一、第二、第三微流体通道的狭缝段处的局部放大图；
[0036]图4是采用本发明所述检测芯片检测Pb2+的原理示意图；
[0037]图5是在第四微通道中设置凝胶片的示意图；
[0038]图6是第四微通道中凝胶片的形成过程的显微镜图片，其中图A?D依次为通入凝胶前驱液之前、通入凝胶前驱液后、紫外光照射形成凝胶片和洗去凝胶前驱液后的显微镜图片；
[0039]图7是实施例4通入不同Pb2+浓度的样品溶液后，中间桥通道中指示液的界面位置的显微镜图片，其中图A?F依次为通入去离子水、10—1Q、10—8、10—7、10—6、10—5mol/L的Pb2+样品溶液时的显微镜图片；
[0040]图8是实施例4绘制的工作曲线；
[0041 ]图 9 是本发明所述方法检测 Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+时的中间桥通道中指示液的界面位置的显微镜图片；
[0042]图10 是本发明所述方法检测 Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+时的中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱数目的变化值柱状图；
[0043]图中，丨一基板、丨-丨一第一微通道、丨-2一第二微通道、丨-3一第三微通道卜4一第四微通道、1-5—中间桥通道、1-5-1 —出样口、1-5-2—进样口、1-6—进样通道、1-7 —出样通道、1_8一指不液通道、1-9一狭缝段、2一凝I父片、3一固定柱、4一指不柱、5一透明盖板、6一遮光板。
【具体实施方式】
[0044]以下通过实施例对本发明所述Pb2+微流控检测芯片以及水样中Pb2+的可视化检测方法作进一步说明。
[0045]实施例1
[0046]本实施例中，Pb2+微流控检测芯片的结构如图1?3所示，包括基板1、凝胶片2、固定柱3、指示柱4和透明盖板5。
[0047]所述基板I上设有第一微通道1-1、第二微通道1-2、第三微通道1-3、第四微通道1-
4、中间桥通道1-5、进样通道1-6、出样通道1-7和指示液通道1-8;第一微通道1-1和第四微通道1-4呈轴对称布置，第二微通道1-2和第三微通道1-3呈轴对称布置，第一微通道1-1与第二微通道1-2也呈轴对称布置，所述第一微通道1-1、第二微通道1-2和第三微通道1-3均设有狭缝段1-9;第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的宽度均为300μπι、深度均为70μπι，第一微通道、第二微通道和第三微通道上设置的狭缝段1-9的宽度均为50μπι、深度均为70μηι、长度均为300μηι;所述中间桥通道1-5的宽度为11OOym、深度为70μηι，中间桥通道1-5中设有若干形状为圆柱、直径为ΙΟΟμπι的指示柱4，指示柱4在中间桥通道1-5中靠近出样口和进样口的位置形成两个指示柱阵列，每个指示柱阵列中均包括三排(每排五根)指示柱，两个指示柱阵列中的相邻指示柱之间的间距均为I OOym。
[0048]所述固定柱3为直径为ΙΟΟμπι的圆柱，固定柱设置在第四微通道1-4中且固定柱的轴线垂直于第四微通道的底面且与第四微通道的中心线相交，所述凝胶片2为圆环片，凝胶片设置在固定柱3上，凝胶片2的材料为聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)，当温度低于聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的体积相转变温度时，凝胶片2的厚度和外径分别与第四微通道(1-4)的深度和宽度相同，截断第四微通道的过流通道，当温度高于聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)微凝胶的体积相转变温度时，凝胶片2收缩，在第四微通道1-4中形成过流通道，该过流通道的横截面面积大于第一微通道狭缝段1-9的横截面面积，当含Pb2+的水样流经第四微通道1-4，凝胶片选择性地络合Pb2+并发生体积溶胀，使第四微通道1-4的过流通道减小。
[0049]所述进样通道1-6的出口分别与第一微通道1-1和第四微通道1-4的进口连通，所述第一微通道1-1和第四微通道1-4的出口分别与中间桥通道1-5的出样口 1-5-1和进样口1-5-2连通，所述中间桥通道1-5的出样口 1-5-1和进样口 1-5-2分别与第二微通道1-2和第三微通道1-3的进口连通，所述第二微通道1-2和第三微通道1-3的出口与出样通道1-7的入口连通，所述指示液通道1-8的出口与中间桥通道1-5的指示液进口连通。
[0050]所述透明盖板5、基板1、固定柱3和指示柱4的材料均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，透明盖板5和基板I通过等离子键合机处理后键合为一体形成Pb2+微流控检测芯片，透明盖板应完全覆盖住基板上的所有通道，透明盖板与基板上的进样通道1-6、出样通道1-7和指示液通道1-8的入口相对应处设有通孔，透明盖板与基板键合后在所述通孔处形成Pb2+微流控检测芯片的进样口、出样口和指示液进口。
[0051]参照 Qin ,D.et a 1.Soft lithography for micro-and nanoscalepatterning.Nature Protocols,2010,5,491-502.中的方法在基板上设置第一微通道 1-1、第二微通道1-2、第三微通道1-3第四微通道1-4、中间桥通道1-5、进样通道1-6、出样通道1-
7、指示液通道1-8、固定柱3以及指示柱4。
[0052]在第四微通道1-4中设置凝胶片的示意图见图5，步骤如下；
[0053]①以N-异丙基丙烯酰胺、苯并-18-冠6为单体，以偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂，以N，N’_亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将所述单体、引发剂、交联剂和去离子水加入容器中，混合均匀形成凝胶前驱液，凝胶前驱液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为1.0mol/L，苯并18冠6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为3:20，引发剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1: 5，交联剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:50;
[0054]②在黑色胶片上设置一直径为300μπι的圆形透光缝形成遮光板，从不带凝胶片的微流控芯片的进样口该芯片中通入凝胶前驱液，使第四微通道1-4中充满凝胶前驱液，然后将所述遮光板6置于第四微通道1-4上方，使固定柱3的中轴线与所述遮光板6的透光孔垂直且穿过透光孔的圆心，透光孔的直径与第四微通道1-4的宽度相等，在5°C用紫外光从透光板的上方穿过遮光板的透光孔照射第四微通道1-4，引发透光孔处的第四微通道1-4内的凝胶前驱液发生交联反应形成凝胶片2，然后用去离子水洗去第四微通道1-4内的凝胶前驱液，即完成第四微通道1-4中凝胶片2的设置。图6是凝胶片的形成过程的显微镜图片。
[0055]②在黑色胶片上设置一直径为300μπι的圆形透光缝形成遮光板，从不带凝胶片的微流控芯片的进样口该芯片中通入凝胶前驱液，使第四微通道1-4中充满凝胶前驱液，然后将透光孔的遮光板6置于第四微通道1-4上方使透光孔的轴线与固定柱3的轴线重合，在5°C用紫外光穿过遮光板的透光孔照射第四微通道1-4，引发透光孔处的第四微通道1-4内的凝胶前驱液发生交联反应形成凝胶片2，然后用去离子水洗去第四微通道1-4内的凝胶前驱液，即完成第四微通道1-4中凝胶片2的设置。图6是凝胶片的形成过程的显微镜图片。
[0056]实施例2
[0057]本实施例中，Pb2+微流控检测芯片的结构、基板上各微通道和固定柱以及指示柱的制备方法、在第四微通道中设置凝胶片的方法基本相同，不同之处为:第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的宽度均为500μπι、深度均为200μπι，第一微通道、第二微通道和第三微通道上设置的狭缝段1-9的宽度均为50μηι、深度均为200μηι、长度均为300μηι，第四微通道中固定柱的直径为250μπι，中间桥通道1-5的宽度为3000μπι、深度为200μπι，指示柱4的直径为200μπι，指示柱4在中间桥通道1-5中靠近出样口和进样口的位置形成两个指示柱阵列，每个指示柱阵列中均包括三排(每排十根)指示柱，两个指示柱阵列中相邻指示柱之间的间距均为ΙΟΟμπι。所述凝胶前驱溶液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为0.5mol/L，苯并18冠6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:20，引发剂偶氮二异丁基脒二盐酸盐与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:10，交联剂N，N’_亚甲基双丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:100，在第四微通道中设置凝胶时，在15°C用紫外光穿过遮光板的透光孔照射第四微通道。
[0058]实施例3
[0059]本实施例中，Pb2+微流控检测芯片的结构、基板上各微通道和固定柱以及指示柱的制备方法、在第四微通道中设置凝胶片的方法基本相同，不同之处为:第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的宽度均为150μπι、深度均为30μπι，第一微通道、第二微通道及第三微通道上的狭缝段的宽度均为38μηι、深度均为30μηι、长度均为300μηι，第四微通道中固定柱的直径为30μηι，中间桥通道1-5的宽度为500μηι、深度为30μηι，指示柱4的直径为30μηι，指示柱4在中间桥通道1-5中形成一个指示柱阵列，该指示柱阵列中包括十二排(每排七根)指示柱，指示柱阵列中相邻指示柱之间的间距均为30μπι。所述凝胶前驱溶液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为1.5mol/L，苯并18冠6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为5:20，引发剂偶氮二异丁基脒二盐酸盐与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:15，交联剂N，N’_亚甲基双丙烯酰胺与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1:20，在第四微通道中设置凝胶时，在1°C用紫外光穿过遮光板的透光孔照射第四微通道。
[0060]实施例4
[0061]本实施例中，配制Pb2+浓度为IX 10—Vol/L作为待测试样，采用本发明所述方法检测该待测试样中的Pb2+浓度，该方法使用注射栗、热台以及实施例1中的Pb2+微流控检测芯片，将所述检测芯片置于热台上，将检测芯片的进样口和指示液进口分别通过管件与注射栗连接，步骤如下:
[0062]①以去离子水为空白试样，使用注射栗将空白试样以2000yL/min的恒定体积流量从进样口输入检测芯片中，空白试样经检测芯片后从出样口排出，使用注射栗将指示液以500yL/min的恒定体积流量从指示液进口输入检测芯片中，1min后，检测芯片的中间桥通道中指示液的界面位置达到稳定状态，采用放大镜观察中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱的数目，记作No，所述指示液由亚甲基蓝染和去离子水配制而成；该步骤中，控制热台的温度保持在32 °C。
[0063]②用去离子水配制Pb2+浓度分别为IX 10—%1l/L、I X 10—Vol/L、I X 10—7mol/L、IX 10 6mol/L、lX10 5mol/L的标样，分别记作1#?5#标样。
[0064]依次用1#?5#标样替换步骤①中的空白试样，重复步骤①的操作，将测得的中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱的数目依次记作N1，N2，N3，N4，N5，通入空白试样和1#?5#标样时，当中间桥通道中指示液的界面位置稳定后，指示液的界面位置图如图7所示，计算输入各标样时相对于输入空白试样时中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱数目的变化值ANi = I No-Ni ,1 = 1,2,3,4,5,以标样中Pb2+浓度为纵坐标、以被指示液覆盖的指示柱数目的变化值为横坐标绘制工作曲线，如图8所示，得到Pb2+浓度与被指示液覆盖的指示柱数目的变化值的换算关系式为C = 8 X 10—18X(AN)9''式中，C为Pb2+浓度、单位为mol/L，Δ N为被指示液覆盖的指示柱数目的变化值、单位为个;该步骤在对1#?5#标样进行检测时，均控制热台的温度保持在32 °C。
[0065]该步骤中，完成对每一个标样的检测后，向检测芯片中通入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至55°C并保温3min，然后降至25°C并保温3min，重复前述升温和降温的操作，直到按照步骤①的操作向检测芯片中通入去离子水，中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱数量与No相同，说明此时凝胶片中的铅离子已完全去除，再输入下一标样或试样进行检测。
[0066]③使用待测试样代替步骤①中的空白试样，重复步骤①的操作，测得通入待测试样时中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱的数目，计算输入待测试样时相对于输入空白试样时被指示液覆盖的指示柱数目的变化值，根据步骤②确定的Pb2+浓度与被指示液覆盖的指示柱数目的变化值的换算关系式计算出待测样品中Pb2+浓度，结果为1X10—8mol/L。
[0067]实施例5
[0068]本实施例中，考察本发明所述方法检测多种离子时中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱数目变化值的情况。使用注射栗、热台以及实施例1中的Pb2+微流控检测芯片，将所述检测芯片置于热台上，将检测芯片的进样口和指示液进口分别通过管件与注射栗连接，具体步骤如下:
[0069]①以去离子水为空白试样，使用注射栗将空白试样以2000yL/min的恒定体积流量从进样口输入检测芯片中，空白试样经检测芯片后从出样口排出，使用注射栗将指示液以500yL/min的恒定体积流量从指示液进口输入检测芯片中，1min后，检测芯片的中间桥通道中指示液的界面位置达到稳定状态，采用放大镜观察中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱的数目，记作No，所述指示液由亚甲基蓝染和去离子水配制而成；该步骤中，控制热台的温度保持在32 °C。
[0070]②分别配制浓度为IX 10—6mol/L的Li +、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+溶液，记作 I #?14# 试样；
[0071]依次用1#?14#试样替换步骤①中的空白试样，重复步骤①的操作，记录输入各试样时的中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱的数目，当中间桥通道中指示液的界面位置稳定后，指示液的界面位置图如图9所示，该步骤在对1#?14#试样进行检测时，均控制热台的温度保持在32 °C。
[0072]该步骤中，完成对每一个标样的检测后，向检测芯片中通入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至50°C并保温5min，然后降至20°C并保温5min，重复前述升温和降温的操作，直到按照步骤①的操作向检测芯片中通入去离子水，中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱数量与No相同，说明此时凝胶片中的金属离子已完全去除，再输入下一试样进行检测。
[0073]计算输入1#?14#试样时相对于输入空白试样时中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱数目变化值，结果如图10所示，由图10可知，除Ba2+、Pb2+外，其他离子在该浓度下的被指示液覆盖的指示柱数目变化值均为O，不会干扰Pb2+的测定，而测定Ba2+时被指示液覆盖的指示柱数目变化值与Pb2+时被指示液覆盖的指示柱数目变化值相差10倍以上，也不会干扰Pb2+的测定。
【主权项】
1.一种Pb2+微流控检测芯片，其特征在于包括基板(I)、凝胶片(2)、固定柱(3)、指示柱(4)和透明盖板(5); 所述基板(I)上设有第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)、第三微通道(1-3)、第四微通道(1-4)、中间桥通道(1-5)、进样通道(1-6)、出样通道(1-7)和指示液通道(1-8);第一微通道(1-1)和第四微通道(1-4)呈轴对称布置，第二微通道(1-2)和第三微通道(1-3)呈轴对称布置，所述第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)和第三微通道(1-3)均设有狭缝段(1-9)，所述中间桥通道(1-5)中设有若干指示柱(4)，指示柱(4)在中间桥通道(1-5)中形成至少一个指示柱阵列，各指示柱阵列中相邻指示柱之间的间距均相等； 所述固定柱(3)为圆柱，固定柱设置在第四微通道(1-4)中，固定柱的轴线垂直于第四微通道的底面且与第四微通道的中心线相交，所述凝胶片(2)为圆环片，凝胶片设置在固定柱(3)上，凝胶片(2)的材料为聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)，当温度低于聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的体积相转变温度时，凝胶片(2)的厚度和外径分别与第四微通道(1-4)的深度和宽度相同，截断第四微通道的过流通道，当温度高于聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)微凝胶的体积相转变温度时，凝胶片(2)收缩，在第四微通道(1-4)中形成过流通道，该过流通道的横截面面积大于第一微通道狭缝段(1-9)的横截面面积，当含Pb2+的水样流经第四微通道(1-4)，凝胶片选择性地络合Pb2+并发生体积溶胀，使第四微通道(1-4)的过流通道减小； 所述进样通道(1-6)的出口分别与第一微通道(1-1)和第四微通道(1-4)的进口连通，所述第一微通道(1-1)和第四微通道(1-4)的出口分别与中间桥通道(1-5)的出样口(1-5-1)和进样口(1-5-2)连通，所述中间桥通道(1-5)的出样口(1-5-1)和进样口(1-5-2)分别与第二微通道(1-2)和第三微通道(1-3)的进口连通，所述第二微通道(1-2)和第三微通道(1-3)的出口与出样通道(1-7)的入口连通，所述指示液通道(1-8)的出口与中间桥通道(1-5)的指示液进口连通； 所述透明盖板(5)与基板(I)键合为一体形成Pb2+微流控检测芯片，透明盖板应完全覆盖住基板上的所有通道，透明盖板与基板上的进样通道(1-6)、出样通道(1-7)和指示液通道(1-8)的入口相对应处设有通孔，透明盖板与基板键合后在所述通孔处形成Pb2+微流控检测芯片的进样口、出样口和指示液进口。2.根据权利要求1所述Pb2+微流控检测芯片，其特征在于所述第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)、第三微通道(1-3)和第四微通道(1-4)的宽度为150?500μπι、深度为30?200μπι。3.根据权利要求1或2所述Pb2+微流控检测芯片，其特征在于所述第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)及第三微通道(1-3)上狭缝段(1-9)的宽度为第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)及第三微通道(1-3)宽度的0.1?0.25倍，第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)及第三微通道(1-3)上狭缝段(1-9)的深度分别与第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)及第三微通道(1-3)的深度相等。4.根据权利要求1或2所述Pb2+微流控检测芯片，其特征在于所述中间桥通道(1-5)的宽度为500?3000μπι、深度为30?200μπι，所述指示柱(4)为直径是30?200μπι的圆柱，所述指示柱阵列中相邻指示柱之间的间距为30?ΙΟΟμπι。5.根据权利要求1或2所述Pb2+微流控检测芯片，其特征在于所述固定柱(3)为圆柱，固定柱的直径为第四微通道(1-4)宽度的0.2?0.5倍。6.根据权利要求1或2所述Pb2+微流控检测芯片，其特征在于所述基板(1)、固定柱(3)和指不柱(4)的材料均为聚一■甲基娃氧烧。7.根据权利要求1或2所述Pb2+微流控检测芯片，其特征在于在第四微通道(1-4)中设置凝胶片的方法为: ①以N-异丙基丙烯酰胺、苯并18冠6为单体，以偶氮二异丁基脒二盐酸盐为引发剂，以N，N’_亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将所述单体、引发剂、交联剂和去离子水混合均匀形成凝胶前驱液，凝胶前驱液中，N-异丙基丙烯酰胺的浓度为0.5?1.5mol/L，苯并18冠6与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为(I?5):20，引发剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1: (5?15)，交联剂与N-异丙基丙烯酰胺的摩尔比为1: (20?100); ②将第四微通道(1-4)中注满凝胶前驱液，然后将带圆形透光孔的遮光板(6)置于第四微通道(1-4)上方使透光孔的轴线与固定柱(3)的轴线重合，所述透光孔的直径与与第四微通道(1-4)的宽度相等，在I?15°C用紫外光穿过遮光板的透光孔照射第四微通道(1-4)，引发透光孔处的第四微通道(1-4)内的凝胶前驱液发生交联反应形成凝胶片(2)，然后用去离子水洗去第四微通道(1-4)内的凝胶前驱液，即完成第四微通道(1-4)中凝胶片(2)的设置。8.根据权利要求7所述Pb2+微流控检测芯片，其特征在于所述遮光板(6)由能避免紫外线穿过的材料制作。9.一种水样中Pb2+的可视化检测方法，其特征在于该方法使用恒流输送装置、热台以及权利要求1至8中任一权利要求所述Pb2+微流控检测芯片，将所述检测芯片置于热台上，将检测芯片的进样口和指示液进口分别通过管件与恒流输送装置连接，步骤如下: ①以去离子水为空白试样，使用恒流输送装置将空白试样以恒定的体积流量从进样口输入检测芯片中，空白试样经检测芯片后从出样口排出，使用恒流输送装置将指示液以恒定的体积流量从指示液进口输入检测芯片中，待检测芯片的中间桥通道中指示液的界面位置稳定后，采用放大镜观察中间桥通道中被指示液覆盖的指示柱的数目，所述指示液由水溶性染料和去离子水配制而成； ②将步骤①中的空白试样替换为一系列Pb2+浓度已知的标样，重复步骤①的操作，得到一系列标样对应的被指示液覆盖的指示柱的数目，计算输入各标样时相对于输入空白试样时被指示液覆盖的指示柱数目的变化值，以标样中Pb2+浓度为纵坐标、以被指示液覆盖的指示柱数目的变化值为横坐标绘制工作曲线，确定Pb2+浓度与被指示液覆盖的指示柱数目的变化值的换算关系式； ③步骤①中的空白试样替换为待测试样，重复步骤①的操作，得到输入待测试样时被指示液覆盖的指示柱的数目，计算输入待测试样时相对于输入空白试样时被指示液覆盖的指示柱数目的变化值，根据步骤②确定的Pb2+浓度与被指示液覆盖的指示柱数目的变化值的换算关系式计算待测样品中Pb2+浓度； 步骤②、③中，完成对每一个标样或待测试样的检测后，向检测芯片中输入去离子水清洗凝胶片，清洗过程中，将热台的温度升至55?60°C并保温3?5min，然后降至20?25°C并保温3?5min，重复前述升温清洗和降温清洗的操作直到去除凝胶片中的金属离子后再输入下一标样或试样进行检测； 步骤①?③中，在输入空白试样、标样以及待测试样进行检测的过程中，控制热台的温度为33?35 °C并保持温度恒定。10.根据权利要求9所述水样中Pb2+的可视化检测方法，其特征在于向检测芯片中输入空白试样、标样或待测试样时，控制输入流量为200?8000yL/h，向检测芯片中输入指示液时，控制输入流量为50?2000yL/h。
【文档编号】G01N33/18GK106093328SQ201610424594
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610424594.8, CN 106093328 A, CN 106093328A, CN 201610424594, CN-A-106093328, CN106093328 A, CN106093328A, CN201610424594, CN201610424594.8
【发明人】林硕, 褚良银, 汪伟, 谢锐, 巨晓洁, 刘壮
【申请人】四川大学