一种基于微流控的快速自动化水质检测系统及方法

技术领域

本发明属于水质检测领域，更涉及一种基于微流控的快速自动化水质检测系统，还涉及一种基于微流控的快速自动化水质检测方法，适用于总磷、总氮、氨氮和COD等水质指标的微流控测量。

背景技术

目前市面上水质监测主要指标(总磷、总氮、氨氮和COD)的微流控技术几乎都是重复利用的芯片，并且是以泵阀形式来控制流体，诸如CN108072648A、CN208537406等，它们存在诸多缺点：仍然以液体形式存在废液，不易处理和储运；因为芯片中狭窄的微流道导致芯片反复利用过程中必然会被堵塞；现场液体试剂受限于1个月的保质期不能满足在线长期监测的无人化、免维护的要求。CN110161026虽然介绍了一种DPD分光光度法检测水中余氯的离心式微流控芯片，但是并不包括水质指标需求更迫切、更广泛和更复杂的总磷、总氮、氨氮和COD等，其芯片设计不包含更为复杂的消解和分步过程。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于微流控的快速自动化水质检测系统，包括可以检测总磷、总氮、氨氮和COD等指标的微流控芯片和配套离心式微流控检测仪。该芯片可以兼容超过总磷、总氮、氨氮和COD、DPD等多种指标。还提供一种基于微流控的快速自动化水质检测方法。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于微流控的快速自动化水质检测系统，包括微流控芯片，微流控芯片包括芯片本体，芯片本体上设置有加样区、消解检测区、第一试剂区和第二试剂区，芯片本体上设置有旋转轴，加样区和试剂区相对于消解检测区更靠近旋转轴，加样区和各个试剂区均通过进样通道与消解检测区连通，消解检测区与进样通道连通处设置有单向阀。

芯片本体包括依次粘合的第一芯片层、第二芯片层和第三芯片层，可以通过光学级双面胶、高温等方式粘合，第二芯片层上开设有试剂槽、消解检测槽、加样槽和进样通道槽，第一芯片层、第三芯片层粘合在第二芯片层两侧后，试剂槽、消解检测槽、加样槽和进样通道槽即形成试剂区、消解检测区、加样区和进样通道管，第一芯片层对应于加样区的部分开设有加样口。

芯片本体不论扇形或圆形，加样区、消解检测区、第一试剂区和第二试剂区构成一组指标区域，微流控芯片可以包括一个或四个独立的指标区域，每个微流控芯片只进行一次完整的指标测试。所述的芯片本体的半径范围是1-10cm，芯片本体厚度是0.2-2cm；优选的芯片本体半径范围是2-6cm，芯片本体厚度是0.5-1.0cm。所述微流控芯片材质可以是各类透光有聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、聚丙乙烯、丙烯酸、橡胶、氟塑料、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚氨酯、玻璃、石英等组成。

试剂区内的试剂由试剂包膜包覆。各个试剂区的试剂包膜的离心力破裂强度不同或者部分试剂区的试剂包膜的离心力破裂强度相同或者各个试剂区的试剂包膜的离心力破裂强度相同。该试剂包膜的主要成分是PE、PP、PVC等产品中的一种或若干种的混合物。第一试剂区和第二试剂区内试剂分别由0.01-0.5mm厚度的试剂包膜和材质决定。优选的，试剂包膜的材质为PE，厚度为0.01-0.1mm。从而使得当离心转速达到离心转速R

消解检测区与进样通道连通处设置有单向阀。单向阀的材质为耐腐蚀和高温的弹性塑料或氟塑料薄片等材料，单向阀一端固定在芯片主体上，单向阀覆盖消解检测区与进样通道连通处，该单向阀可以阻止高温消解时产生的蒸汽进入试剂区或外溢，但可以在加入水样时，高速离心力时，试剂区内的液体试剂顺利流入消解检测区。

试剂包膜离心力破裂强度相对较小的对应的第一试剂区所连接的进样通道的宽度大于试剂包膜离心力破裂强度相对较大的对应的第二试剂区所连接的进样通道的宽度。从而保证了在不同转速的离心力下，第一试剂区和第二试剂区试剂可以分别通过对应进样通道的毛细阻力。所述芯片进样通道为矩形结构，矩形高度等于第二芯片层的厚度，范围在1-10mm，优化的，进样通道高度为5-8mm。所述的进样通道的宽度在10-1000μm，优选的，进样通道宽度为50-500μm。从而使得当离心转速达到离心转速R

一种基于微流控的快速自动化水质检测系统，还包括检测系统，包括离心基座、电热模块、降温模块、LED灯源、光电检测组件。

离心基座与微流控芯片的旋转轴连接，电热模块紧贴于消解检测区外部，降温模块靠近消解检测区，LED灯源、光电检测组件设置在消解检测区两侧。所述的离心基座可以卡住扇形或圆形等其他可离心形式微流控芯片为其提供不同转速和离心力；所述的电热模块紧贴于消解池检测区为总磷、总氮、COD等指标的消解提供高温；所述的降温模块靠近消解池检测区，在消解结束后启动风扇降温措施；所述LED灯源和光电检测组件分别设置消解检测区的两对侧，并且LED灯源的投射方向沿消解检测区的检测段指向光电检测组件。LED灯源发出的光会穿过消解检测区，并经由光电检测组件接收后计算得出吸光度，得出水中总磷、总氮、氨氮、COD的浓度。所述的微流控检测仪转速0～10000rpm，由伺服电机控制。所述的LED灯源的波长包括220nm，275nm，700nm，440nm或600nm，波长精度±5nm，优选的波长精度±2nm。电热模块的消解加热温度超过180℃，误差范围±2℃，优选的误差范围±1℃。

一种基于微流控的快速自动化总磷检测方法，包括以下步骤：

用移液枪定量移取待测水样从加样口注入到加样区，消解检测区内预置过硫酸钾消解液，第一试剂区内预置抗坏血酸，第二试剂区内预置钼酸铵试剂；

离心基座驱动微流控芯片离心旋转，首先微流控芯片将以初始转速R

然后通过电热模块将消解检测区升温至120℃，并保持20min后开始被降温模块降至室温，

随后驱动微流控芯片以第一转速R

30秒后驱动微流控芯片以第二转速R

再30秒溶液混合均匀后停止微流控芯片离心工作，

静置15分钟后，LED灯源发出700nm波长光进行检测，光电检测组件读出吸光度值，并根据预置的校准曲线读出总磷含量，

第二转速R2大于第一转速R1，第一转速R1大于初始转速R0。

一种基于微流控的快速自动化总氮检测方法，包括以下步骤：

用移液枪定量移取待测水样从加样口注入到加样区，消解检测区内预置碱性过硫酸钾，第一试剂区内预置盐酸试剂，第二试剂区内不装填任何试剂；

离心基座驱动微流控芯片离心旋转，首先微流控芯片将以初始转速R0往复旋转，以使加样区内的水样通过进样通道和消解检测区内的碱性过硫酸钾充分混合，

然后通过电热模块将消解检测区快速升温至125℃，并保持20min后开始被降温模块降至室温，

随后驱动微流控芯片以第一转速R1转速顺时针旋转，此时第一试剂区内预置的盐酸试剂的试剂包膜破裂，盐酸试剂流入消解检测区，

30秒后混合均匀停止微流控芯片离心工作，静置1分钟后，LED灯源发出220nm波长光和275nm波长光进行检测，光电检测组件读出吸光度值并进行计算，并根据预置的校准曲线读出总磷含量，

第一转速R1大于初始转速R0。

一种基于微流控的快速自动化氨氮检测方法，包括以下步骤：

用移液枪定量移取待测水样从加样口注入到加样区，消解检测区内预置显色剂，第一试剂区内预置催化剂亚硝基铁氰化钠，第二试剂区内预置碱性二氯异氰尿酸钠；

离心基座驱动微流控芯片离心旋转，首先微流控芯片将以初始转速R0往复旋转，以使加样区内的水样通过进样通道和消解检测区内的显色剂充分混合，

随后立即驱动微流控芯片以第一转速R1转速顺时针旋转，此时第一试剂区内预置的亚硝基铁氰化钠的试剂包膜破裂，亚硝基铁氰化钠流入消解检测区。

马上驱动微流控芯片以第二转速R2转速顺时针旋转，此时第二试剂区内的碱性二氯异氰尿酸钠的试剂包膜破裂，碱性二氯异氰尿酸钠流入消解检测区。

混合均匀后，LED灯源发出700nm波长光分别进行检测，光电检测组件读出吸光度值，并根据预置的校准曲线读出氨氮含量，

第二转速R2大于第一转速R1，第一转速R1大于初始转速R0。

一种基于微流控的快速自动化COD检测方法，包括以下步骤：

用移液枪定量移取待测水样从加样口注入到加样区，

消解检测区内预置消解液，第一试剂区和第二试剂区内不装填任何试剂；

离心基座驱动微流控芯片离心旋转，首先微流控芯片将以初始转速R0往复旋转，以使加样区内的水样通过进样通道和消解检测区内的消解液充分混合，

然后通过电热模块将消解检测区快速升温至165℃，并保持10min后开始被降温模块降至室温，

LED灯源发出440nm波长光或600nm波长光进行检测，光电检测组件读出吸光度值并进行计算，并根据预置的校准曲线读出COD含量。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明采用试剂预置在微流控芯片上，微流控芯片可以兼容总磷、总氮、氨氮和COD等主要水质指标，创造性的将高温密闭消解、分步反应、试剂预置等难题集成在一张小小的微流控芯片上。

(2)实现了水质检测的微量化，减少了水样需求和试剂消耗，降低了成本。

(3)降低了数十倍的废液量，杜绝了常规体系废液难以运输和处理的问题，减少了对环境威胁。

(4)在进样通道中，传热、传质速度比常规体系快，反应时间或分析时间大大缩短。

(5)采用试剂包膜包裹液体试剂大大增加了普通液体试剂1个月的保存时间。

(6)本水质检测系统只需要经过一步移液枪定量加待测水样，就可以在35分钟内自动完成密闭消解，试液转移，多步反应，比色测量等，无需其他操作。

附图说明

图1为扇形的微流控芯片的结构示意图，

图2为圆形的微流控芯片的结构示意图。

图中：1-微流控芯片；2-芯片本体；3-加样区；4-消解检测区；5-试剂区；6-旋转轴；7-进样通道；8-单向阀；9-加样口；10-消解剂；11-试剂。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种基于微流控的快速自动化水质检测系统，包括微流控芯片1，微流控芯片1包括芯片本体2，芯片本体上设置有加样区3、消解检测区4、以及多个试剂区5，芯片本体2上设置有旋转轴6，加样区3和试剂区5相对于消解检测区4更靠近旋转轴6，加样区3和各个试剂区5均通过进样通道7与消解检测区4连通，消解检测区4与进样通道7连通处设置有单向阀8。

试剂区5内的试剂由试剂包膜包覆。各个试剂区5的试剂包膜的离心力破裂强度不同或者部分试剂区5的试剂包膜的离心力破裂强度相同或者各个试剂区5的试剂包膜的离心力破裂强度相同。

试剂包膜离心力破裂强度相对较小的对应的试剂区5所连接的进样通道7的宽度大于试剂包膜离心力破裂强度相对较大的对应的试剂区5所连接的进样通道7的宽度。从而保证了在不同转速的离心力下，第一试剂区和第二试剂区试剂可以分别通过对应进样通道的毛细阻力。所述芯片进样通道为矩形结构，矩形高度等于第二芯片层的厚度，范围在1-10mm，优化的，进样通道高度为5-8mm。所述的进样通道的宽度在10-1000μm，优选的，进样通道宽度为50-500μm。从而使得当离心转速达到离心转速R

芯片本体2可以是圆盘形、扇形等其他可离心形式。

微流控芯片1可以兼容超过总磷、总氮、氨氮和COD、DPD等多种指标。其中除消解液外的试剂均由试剂包膜封装预制。

微流控芯片1在作为总磷芯片时，消解检测区4内预置过硫酸钾消解液，第一试剂区5内预置还原剂抗坏血酸，第二试剂区5内预置显色剂(硫酸+钼酸铵+酒石酸锑钾)；

微流控芯片1在作为总氮芯片时，消解检测区4内预置消解液(碱性过硫酸钾)，第一试剂区5内预置稀盐酸，第二试剂区5内不装填任何试剂；

微流控芯片1在作为氨氮芯片时，消解检测区4内预置显色剂(水杨酸钠-酒石酸钾钠)，第一试剂区5内预置催化剂亚硝基铁氰化钠，第二试剂区5内预置碱性二氯异氰尿酸钠；

微流控芯片1在作为COD芯片时，消解检测区4内预置消解液(硫酸-硫酸银-硫酸汞)，第一试剂区5和第二试剂区5内不装填任何试剂。

试剂区5内的试剂通过试剂包膜包覆预制，当微流控芯片1被高速离心转速达到设定转速R1时，第一试剂区5内的试剂包膜破裂，内置试剂将会流出；当微流控芯片1被高速离心转速达到设定转速R2时(R1

试剂包膜(密封塑料薄膜)为PE薄膜、PP薄膜、PVC薄膜等产品中的一种或若干种的混合物。第一试剂区和第二试剂区内试剂分别由0.01-0.5mm厚度的试剂包膜和材质决定。优选的，试剂包膜的材质为PE，厚度为0.01-0.1mm。从而使得当离心转速达到离心转速R

芯片本体2可以是各类透光材质，例如有聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、聚丙乙烯、丙烯酸、橡胶、氟塑料、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚氨酯、玻璃、石英等。

芯片本体2包括依次粘合的第一芯片层、第二芯片层和第三芯片层，可以通过光学级双面胶、高温等方式粘合，第二芯片层上开设有试剂槽、消解检测槽、加样槽和进样通道槽，第一芯片层、第三芯片层粘合在第二芯片层两侧后，试剂槽、消解检测槽、加样槽和进样通道槽即形成试剂区5、消解检测区4、加样区3和进样通道7，第一芯片层对应于加样区3的部分开设有加样口。

消解检测区4与各个进样通道7连通处设置有单向阀8，单向阀的材质为耐腐蚀和高温的弹性塑料或氟塑料薄片等材料，单向阀一端固定在芯片主体上，单向阀覆盖消解检测区与进样通道连通处，可以阻止高温消解时产生的蒸汽进入试剂区5或通过加样区3外溢，但可以在离心旋转时，加样区3加入水样，试剂区5内的试剂可以顺利通过对应的进样通道和单向阀8流入消解检测区4。

芯片本体2不论扇形或圆形，加样区、消解检测区、第一试剂区和第二试剂区构成一组指标区域，芯片本体可以包括一个或四个独立的指标区域，每个微流控芯片只进行一次完整的指标测试。芯片本体2的半径范围是1-10cm，厚度是0.2-2cm；优选的芯片本体2的半径范围是2-6cm，芯片本体2的厚度是0.5-1.0cm。

一种基于微流控的快速自动化水质检测系统，还包括检测系统，包括离心基座、电热模块、降温模块、LED灯源、光电检测组件，

离心基座与微流控芯片1的旋转轴6连接，驱动旋转轴6旋转，进而带动微流控芯片1旋转，为微流控芯片1提供不同转速和离心力。

电热模块紧贴于消解检测区4外部，为总磷、总氮、COD等指标的消解提供高温。

降温模块靠近消解检测区4，在消解结束后启动降温模块实施降温措施，可以选用风扇等。

LED灯源、光电检测组件设置在消解检测区4两对侧，LED灯源发出的光会穿过消解检测区4，并经由光电检测组件接收后计算得出吸光度，进而得出水中总磷、总氮、氨氮、COD的浓度。

离心基座驱动微流控芯片1的转速0～6000rpm。

LED灯源的波长包括220nm，275nm，700nm，440nm和600nm，波长精度±5nm，优选的波长精度±2nm。

电热模块的加热温度超过180℃，误差范围±2℃，优选的误差范围±1℃。

与微流控芯片配套的微流控检测仪转速0～10000rpm，由伺服电机控制。电热模块的消解加热温度超过180℃，误差范围±5℃，优选的误差范围±1℃。

实施例2：

一种基于微流控的快速自动化总磷检测方法，利用实施例1中的基于微流控的快速自动化水质检测系统，包括以下步骤：

用移液枪定量移取200μL的待测水样从加样口注入到加样区3，消解检测区4内预置过硫酸钾消解液，第一试剂区5内预置还原剂抗坏血酸，第二试剂区5内预置显色剂(钼酸铵试剂)；离心基座驱动微流控芯片1离心旋转，首先微流控芯片1将以初始转速R0往复旋转，以使加样区3内的水样通过进样通道7和消解检测区4内的过硫酸钾消解液充分混合，然后通过电热模块将消解检测区4快速升温至120℃，并保持20min后开始被降温模块(降温风扇)降至室温。随后驱动微流控芯片1以第一转速R1转速顺时针旋转，此时第一试剂区5内预置的还原剂抗坏血酸的试剂包膜破裂，还原剂流入消解检测区4。30秒后驱动微流控芯片1以第二转速R2转速顺时针旋转，此时第二试剂区5内的显色剂(钼酸铵试剂)的试剂包膜破裂，显色剂流入消解检测区4。再30秒溶液混合均匀后停止微流控芯片1离心工作，静置15分钟后，LED灯源发出700nm波长光进行检测，光电检测组件读出吸光度值，并根据预置的校准曲线读出总磷含量。第二转速R2大于第一转速R1，第一转速R1大于初始转速R0。

待测水样采用总磷分别为0mg/L、0.04mg/L、0.08mg/L、0.24mg/L、0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L的200μL总磷标准使用液，测得总磷标准曲线见表1。

表1测量获得总磷标准曲线表

实施例3：

一种基于微流控的快速自动化总氮检测方法，利用实施例1中的基于微流控的快速自动化水质检测系统，包括以下步骤：

用移液枪定量移取200μL的待测水样从加样口注入到加样区3，消解检测区4内预置消解液(碱性过硫酸钾)，第一试剂区5内预置盐酸试剂，第二试剂区5内不装填任何试剂；离心基座驱动微流控芯片1离心旋转，首先微流控芯片1将以初始转速R0往复旋转，以使加样区3内的水样通过进样通道7和消解检测区4内的消解液充分混合，然后通过电热模块将消解检测区4快速升温至125℃，并保持20min后开始被降温模块(降温风扇)降至室温。随后驱动微流控芯片1以第一转速R1转速顺时针旋转，此时第一试剂区5内预置的盐酸试剂的试剂包膜破裂，还原剂流入消解检测区4。30秒后混合均匀停止微流控芯片1离心工作，静置1分钟后，LED灯源发出220nm波长光和275nm波长光进行检测，光电检测组件读出吸光度值并进行计算，并根据预置的校准曲线读出总磷含量，第一转速R1大于初始转速R0。

待测水样采用总氮分别为0mg/L、0.4mg/L、1mg/L、2mg/L、6.0mg/L、14.0mg/L的200μL总氮标准使用液。测得总氮标准曲线见表2。

表2测量获得总氮标准曲线表

实施例4：

一种基于微流控的快速自动化氨氮检测方法，利用实施例1中的基于微流控的快速自动化水质检测系统进行氨氮检测：

用移液枪定量移取200μL的待测水样从加样口注入到加样区3，消解检测区4内预置显色剂(水杨酸钠-酒石酸钾钠)，第一试剂区5内预置催化剂亚硝基铁氰化钠，第二试剂区5内预置碱性二氯异氰尿酸钠；离心基座驱动微流控芯片1离心旋转，首先微流控芯片1将以初始转速R0往复旋转，以使加样区3内的水样通过进样通道7和消解检测区4内显色剂充分混合，随后立即驱动微流控芯片1以第一转速R1转速顺时针旋转，此时第一试剂区5内预置的亚硝基铁氰化钠的试剂包膜破裂，亚硝基铁氰化钠流入消解检测区4。马上驱动微流控芯片1以第二转速R2转速顺时针旋转，此时第二试剂区5内的碱性二氯异氰尿酸钠的试剂包膜破裂，碱性二氯异氰尿酸钠流入消解检测区4。混合均匀后，LED灯源发出700nm波长光分别进行检测，光电检测组件读出吸光度值，并根据预置的校准曲线读出氨氮含量，第二转速R2大于第一转速R1，第一转速R1大于初始转速R0。

待测水样采用总氨氮分别为0mg/L、0.3mg/L、0.6mg/L、1.2mg/L、1.8mg/L、2.4mg/L的总氨氮标准使用液。测得氨氮标准曲线见表3。

表3测量获得氨氮标准曲线表

实施例5：

一种基于微流控的快速自动化COD检测方法，利用实施例1中的基于微流控的快速自动化水质检测系统进行COD检测：

用移液枪定量移取200μL的待测水样从加样口注入到加样区3，消解检测区4内预置消解液(硫酸-硫酸银-硫酸汞)，第一试剂区5和第二试剂区5内不装填任何试剂；离心基座驱动微流控芯片1离心旋转，首先微流控芯片1将以初始转速R0往复旋转，以使加样区3内的水样通过进样通道7和消解检测区4内的消解液充分混合，然后通过电热模块将消解检测区4快速升温至165℃，并保持10min后开始被降温模块(降温风扇)降至室温。LED灯源发出440nm波长光或600nm波长光进行检测，光电检测组件读出吸光度值并进行计算，并根据预置的校准曲线读出COD含量。

待测水样采用COD分别为0mg/L、0.4mg/L、1.0mg/L、2mg/L、6mg/L、14mg/L总COD标准使用液。测得COD标准曲线见表4。

表4测量获得COD标准曲线表

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。