一种用于化学反应动力学原位实时监测的装置与方法

技术领域

本发明涉及化学反应动力学原位实时监测技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于化学反应动力学原位实时监测的装置与方法。

背景技术

化学反应动力学是一门研究化学反应速率的学科，对我们理解化学反应过程起着至关重要的作用。通常化学反应动力学的研究领域可包括：有害化学元素检测(如硫极其化合物，一氧化碳等)、药物检测分析和生物体内酶促反应等领域。对于有害化学元素，研究他们反应过程，各种中间产物稳定性，动力行为有重要意义。药物检测常用于分析治疗各种疾病的药物的性质，对抗疾病，治疗疾病药物研究。而研究生物体内酶促反应过程，分析酶的基本性质及影响酶的因素，在对抗疾病，提升人体健康指数方面起到关键作用。

目前针对化学反应动力学的传统检测方法主要包括高效液相色谱法和毛细管电泳法等。它们具备分析速度快、精确度高和应用范围广等显著优势。但是这些检测方法都是间歇性取样检测，用样量大，人为干扰多，会给检测结果带来误差。而且这些传统方法的检测设备都是在实验中，检测设备庞大价格昂贵，需要专业人员进行操作。

另外，当化学反应极其复杂或化学反应未知时，计算化学反应速率，获得化学反应动力学信息是十分困难的。

发明内容

根据上述提出的检测方法中需要间歇性取样检测，检测设备昂贵、操作复杂，甚至当化学反应复杂或未知时化学反应动力学信息难获得的问题，本发明提供一种用于化学反应动力学原位实时监测的装置与方法，只需少量样品即可实时监测反应全过程，而且中间无人为操作步骤，避免了人为干扰误差。

本发明采用的技术手段如下：

本发明提供了一种用于化学反应动力学原位实时监测的装置，包括：

微流控芯片，用于承载化学反应；

微泵驱动组件，用于驱动化学制剂在所述微流控芯片上定向流动，进而发生化学反应；

光电传感组件，用于对所述微流控芯片上进行的化学反应进行光电检测；

数据采集及处理组件，用于接收所述光电传感组件采集的检测信号，并对所述检测信号进行分析处理；

以及电源组件，用于向所述微泵驱动组件、光电传感组件和数据采集及处理组件供电。

进一步地，所述微流控芯片包括基底和覆盖膜，所述覆盖膜敷设在所述基底上方；

所述基底上凹刻有进样孔、定位孔和反应孔，所述进样孔为样品注入位置，所述进样孔与定位孔一一对应，并通过微流道连通，所述定位孔设置在所述反应孔周围，所述反应孔为各进样孔处样品汇集区域，并在反应孔中进行化学反应；

所述覆盖膜上设置有压力驱动孔和连接通道，所述压力驱动孔设置于所述进样孔上方、且与所述进样孔连通，所述连接通道设置于所述覆盖膜的内表面用于连通定位孔和反应孔；

所述定位孔为设置于基底的微流道与设置于覆盖膜的连接通道的连接点，所述定位孔直径大于所述微流道和连接通道。

进一步地，所述基底为亚克力基底，所述覆盖膜为聚二甲基硅氧烷覆盖膜。

进一步地，所述基底厚度为5mm，所述覆盖膜厚度为1.5mm。

进一步地，所述光电传感组件包括光源组件和光信号检测组件；

所述光源组件用于向所述微流控芯片的反应孔发射可见光；

所述光信号检测组件用于检测所述微流控芯片的反应孔内发生的荧光反应。

进一步地，所述光源组件包括LED光源和光源驱动电路，使用时根据荧光反应是否需要光源侧记产生荧光，通过光源驱动电路控制LED光源的开启或者关闭；

所述光信号检测组件包括光电传感器和滤光片。

进一步地，所述微泵驱动组件包括微泵、电机驱动电路以及气流通道；

所述气流通道包括一个主通道和若干分支通道，每个分支通道连接一个压力驱动孔。

本发明还提供了一种用于化学反应动力学原位实时监测的方法，包括以下步骤：

S1、将各个反应辅助试剂分别滴加进入各个进样孔中，将普通的聚二甲基硅氧烷膜覆盖在基底表面，置于适宜环境中保存；

S2、去除普通的聚二甲基硅氧烷膜，将各个反应物样品溶液分别滴加进入各个进样孔中，将覆盖膜紧密覆盖在基底表面；

S3、启动装置，各个反应物溶液在微泵驱动组件的作用下，按顺序依次流入反应孔中；

S4、等待混合的反应物溶液在反应孔中自发地产生荧光，或在光源组件的作用下产生荧光；

S5、荧光信号实时监测，荧光信号经过光信号检测组件中的滤光片除去外界光线对荧光信号影响，再通过光电传感器将荧光信号转化为电信号，最后信号处理电路对检测信号进行保真；

S6、对上述监测到的实时信号进行数据采集与处理，最终保存数据并进行分析；

S7、通过原位实时监测荧光信号数据，可以得到检测时间范围内生成物浓度变化全过程，获得该化学反应动力学全部信息。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明实现了对化学反应动力学的原位实时自动监测，解决了传统间歇性采样检测对实验数据带来的误差，可以一次实验监测化学反应全过程。

2、本发明用样量少，只需要若干微升反应物溶液，即可获得化学反应动力学的全部信息。

3、本发明在将反应物样本溶液加入进样孔后，各操作步骤均为自动完成，无人为操作影响，提高检测精度和准确度。

基于上述理由本发明可在化学动力学检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明监测装置结构示意图。

图2为本发明微流控芯片结构示意图。

图3为本发明微流控芯片的基底示意图。

图4为本发明微流控芯片的覆盖膜示意图。

图5为本发明监测装置整合示意图。

图中：1、微流控芯片；2、光电传感组件；3、数据采集及处理组件；4、微泵驱动组件；5、电源组件；6、微流控芯片的基底；7、微流控芯片的覆盖膜；8、进样孔；9、定位孔；10、反应孔；11、压力驱动孔；12、连接通道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-4所示，本发明提供了一种用于化学反应动力学原位实时监测的装置，主要包括微流控芯片、光电传感组件、数据采集及处理组件、微泵驱动组件和电源组件。其中微流控芯片分别与微泵驱动组件和光电传感组件相连；光电传感组件与数据采集及处理组件相连；电源组件分别与光电传感组件输入端、数据采集及处理组件和微泵驱动组件相连。

具体来说，微流控芯片用于承载化学反应。微泵驱动组件用于驱动化学制剂在所述微流控芯片上定向流动，进而发生化学反应。光电传感组件用于对所述微流控芯片上进行的化学反应进行光电检测。数据采集及处理组件用于接收所述光电传感组件采集的检测信号，并对所述检测信号进行分析处理。电源组件用于向所述微泵驱动组件、光电传感组件和数据采集及处理组件供电。

作为本发明较佳的实施方式，基底上凹刻有进样孔、定位孔和反应孔，所述进样孔为样品注入位置，所述进样孔与定位孔一一对应，并通过微流道连通，所述定位孔设置在所述反应孔周围，所述反应孔为各进样孔处样品汇集区域，并在反应孔中进行化学反应。覆盖膜上设置有压力驱动孔和连接通道，所述压力驱动孔设置于所述进样孔上方、且与所述进样孔连通，所述连接通道设置于所述覆盖膜的内表面用于连通定位孔和反应孔。定位孔为设置于基底的微流道与设置于覆盖膜的连接通道的连接点，定位孔直径略大于所述微流道和连接通道。

使用时，在进样孔中分别加入适量反应物溶液，覆盖膜根据定位孔紧密覆盖基底，反应物溶液在微泵驱动组件的作用下驱动反应物溶液按顺序流入反应孔中。使用过程中，微流控芯片常常先在一个或几个进样孔中加入某一种或某几种反应辅助试剂，用普通的聚二甲基硅氧烷膜覆盖，防止样品挥发，并放置在适宜的环境中保存。当进行实验时，去除普通的聚二甲基硅氧烷膜，加入所需的样品，将覆盖膜敷设于基底表面，使所有试剂可进入反应孔。

所述普通的聚二甲基硅氧烷膜，膜上没有结构，用于覆盖基底，防止进样孔中样品挥发。若实验前无需提前加入反应辅助试剂，则不需要普通的聚二甲基硅氧烷膜覆盖基底步骤。

具体来说，基底采用亚克力基底，覆盖膜为聚二甲基硅氧烷覆盖膜。且基底厚度为5mm，覆盖膜厚度为1.5mm。进一步优选地，进样孔最大容量为100μL，所述反应孔最大容量为200μL。使用时，基底的进样孔中先装有适量的反应物溶液，并被普通的聚二甲基硅氧烷膜封闭，再去除普通的聚二甲基硅氧烷膜，令覆盖膜紧密覆盖基底，使反应物溶液可汇集于反应孔中。

作为本发明较佳的实施方式，光电传感组件包括光源组件、光信号检测组件和信号处理电路。光源组件用于向所述微流控芯片的反应孔发射可见光。光信号检测组件用于检测所述微流控芯片的反应孔内发生的荧光反应。信号处理电路用于对检测到的光信号进行处理。

具体来说，光源组件包括LED光源和光源驱动电路，使用时根据荧光反应是否需要光源激发产生荧光，通过光源驱动电路控制LED光源的开启或者关闭。光信号检测组件包括光电传感器和滤光片。

作为本发明较佳的实施方式，微泵驱动组件包括微泵、电机驱动电路以及气流通道。气流通道包括一个主通道和若干分支通道，每个分支通道连接一个压力驱动孔。

作为本发明较佳的实施方式，数据采集及处理组件包括数模转换器和微处理器。其中数模转换器用于将光电传感器采集的模拟信号转化为数字信号。微处理器用于存储和分析上述数字信号。

作为本发明较佳的实施方式，电源组件包括12V转正负12V线性稳压电源和12V转5V线性稳压电源，用于根据各功能部件的用电需求，提供相应的稳定电源。

作为本发明较佳的实施方式，本实施例中提供了一种集成式的监测装置，其微流控芯片、光电传感组件、数据采集及处理组件、微泵驱动组件和电源组件整合在一个长度28cm×宽度26cm×高度17cm的长方体装置中。如图5所示，对数据采集及处理组件与电源组件进行上下层级设置，由此在保证供电效果与信号采集效果的基础上，限制监测系统的整体高度。在数据采集及处理组件与电源组件的侧面，由前至后依次设置微流控芯片、光电传感组件以及微泵驱动组件，由此限制监测系统的整体长度和宽度。

此外，本发明还提供了一种用于化学反应动力学原位实时监测的方法，包括以下步骤：

S1、将各个反应辅助试剂分别滴加进入各个进样孔中，将普通的聚二甲基硅氧烷膜覆盖在基底表面，置于适宜环境中保存。

S2、去除普通的聚二甲基硅氧烷膜，将各个反应物样品溶液分别滴加进入各个进样孔中，将覆盖膜紧密覆盖在基底表面。

普通的聚二甲基硅氧烷膜，膜上没有结构，用于覆盖基底，防止进样孔中样品挥发。若实验前无需提前加入反应辅助试剂，则不需要普通的聚二甲基硅氧烷膜覆盖基底步骤。

S3、启动装置，各个反应物溶液在微泵驱动组件的作用下，按顺序依次流入反应孔中。

首先将微泵驱动组件中的分支通道与覆盖膜上设置的压力驱动孔密封连接。每条分支通道上均设置有一个阀门。当阀门接收到控制信号开启时，分支通道导通，微泵产生的气流可以通过分支通道进入压力驱动孔，进而增大进样孔内部的压力，进样孔内部的反应物溶液在压力驱动下经过凹刻在基底上的微流道流入定位孔，继续向微流道内部施压，定位孔中的反应物溶液经凹刻在覆盖膜上的连接通道进入反应孔。

S4、等待混合的反应物溶液在反应孔中自发地产生荧光，或在光源组件的作用下产生荧光。

S5、荧光信号实时监测，荧光信号经过光信号检测组件中的滤光片除去外界光线对荧光信号影响，再通过光电传感器将荧光信号转化为电信号，最后信号处理电路对检测信号进行保真。

S6、对上述监测到的实时信号进行数据采集与处理，最终保存数据并进行分析。

S7、通过原位实时监测荧光信号数据，可以得到检测时间范围内生成物浓度变化全过程，获得该化学反应动力学全部信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。