專利名稱：一種檢測(cè)水體中鉻離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)水體中鉻(Cr)離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，該離心式微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心カ驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)水體中Cr離子與集成在離心式微流控芯片上的萃取柱的富集與分離，以電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)分別檢測(cè)水體中總Cr含量和萃取液中Cr6+含量，從而獲得水體中Cr3+的含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水樣中Cr離子形態(tài)的分析，主要應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、食品科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Cr是自然界與地殼中普遍存在的元素，由于人類在エ業(yè)生產(chǎn)中的過量使用，使得·土壌與水體遭到不同程度的Cr污染。Cr離子在自然環(huán)境中不同條件下具有不同的形態(tài)，其化學(xué)行為和毒性大小與離子形態(tài)密切相關(guān)。Cr3+是人體新陳代謝必需的微量元素之一，而Cr6+卻是致癌性相當(dāng)強(qiáng)的巨毒污染物質(zhì)，對(duì)Cr離子形態(tài)進(jìn)行分析就顯得尤為重要。美國國家環(huán)境保護(hù)局規(guī)定，飲用水中總Cr的最大污染水平為IOOy g/L，而中國地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Cr6+的最大污染水平為lOOyg/L。因此，對(duì)Cr離子形態(tài)進(jìn)行分析在環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、食品科學(xué)方面具有十分重要的意義。単一的儀器或技術(shù)很難完成金屬形態(tài)的分析，采用多種技術(shù)聯(lián)用是現(xiàn)代分析科學(xué)的重要研究和分析手段。高效液相色譜(HPLC)和ICP-MS聯(lián)用是最常用的金屬形態(tài)分析方法，將ICP-MS用作HPLC的檢測(cè)器，跟蹤被測(cè)元素(如Cr)在不同形態(tài)中的信號(hào)變化，從而完成對(duì)金屬形態(tài)進(jìn)行定性和定量分析。HPLC在樣品前處理的準(zhǔn)確性和分析靈敏度等方面均具有優(yōu)勢(shì)，但HPLC存在設(shè)備昂貴、笨重、功耗大的問題，不適合做現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析檢測(cè)。因此，發(fā)展ー種便捷、快速、高效、低成本的Cr離子形態(tài)分析技木，是環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的迫切需求。近年來，分析檢測(cè)儀器的微型化已成為分析化學(xué)中ー個(gè)重要的研究方向，微流控芯片分析技術(shù)是其中最活躍的一支，無論是在科研還是應(yīng)用領(lǐng)域都獲得了廣泛的重視。微流控芯片作為ー種新型的分析檢測(cè)平臺(tái)，具有高通量、集成化、多重平行分析、便攜式、易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在環(huán)境檢測(cè)相關(guān)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。然而，采用圓片狀芯片，在其表面制備微結(jié)構(gòu)和微通道，依靠離心カ驅(qū)動(dòng)樣品微流體，同時(shí)完成數(shù)個(gè)樣品分析的離心式微流控芯片分析技木，目前在快速分析Cr離子形態(tài)的應(yīng)用領(lǐng)域尚未有實(shí)質(zhì)性的突破。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于該離心式微流控芯片是有微結(jié)構(gòu)和微通道的圓片狀芯片，以離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心カ為樣品微流體的驅(qū)動(dòng)力，完成水體中Cr離子與萃取柱的富集和分離，通過ICP-MS分別檢測(cè)水體中總Cr含量和萃取液中Cr6+含量，從而獲得水體中Cr3+含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水體中Cr離子形態(tài)的分析檢測(cè)。離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)專為圓片狀芯片設(shè)計(jì)的，中心以吸盤、卡槽或螺絲-螺母固定圓片狀離心式微流控芯片。圓片狀離心式微流控芯片由刻有微米級(jí)別的微結(jié)構(gòu)和微通道的芯片和粘性薄膜封合而成，微結(jié)構(gòu)和微通道通過微加工技術(shù)制備，包括樣品池、萃取液池、微孔和微通道。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的操作步驟(I)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制離心式微流控芯片中各層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。(2)通過微加工技術(shù)在各層微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微結(jié)構(gòu)和微通道，包括樣品池、萃取液池、微孔和微通道。(3)在固相萃取微通道中填充固體萃取柱填充料，制成固相萃取柱。(4)利用雙層粘性薄膜，將各層離心式微流控芯片對(duì)齊、粘合、加壓封合，組成檢測(cè)·Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片。(5)啟動(dòng)離心機(jī)，待測(cè)水樣通過固相萃取柱進(jìn)行萃取分離后，萃取液進(jìn)入萃取液池。(6)用移液槍抽取萃取液，置入ICP-MS中測(cè)定萃取溶液中Cr6+含量。(7)用ICP-MS測(cè)定待測(cè)水樣中總Cr含量，用總Cr含量減去Cr6+含量，得到水樣中Cr3+含量。本發(fā)明中，檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、C0C、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃圓片，也可是市售的各類普通⑶光盤。本發(fā)明中，檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片和粘性薄膜的微結(jié)構(gòu)和微通道可以通過數(shù)控銑刻、激光刻蝕、LIGA技術(shù)、模塑法、熱壓法、化學(xué)腐蝕制備，也可用軟刻蝕技術(shù)制備。本發(fā)明中，檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片是由三層芯片組成，各層芯片之間用粘性薄膜貼合，粘性薄膜可以是雙層カ致粘性薄膜，也可是普通雙面膠薄膜。本發(fā)明中，檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片上的樣品預(yù)處理采用固相萃取法。本發(fā)明中，檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片通過在固相萃取微通道內(nèi)填充固體萃取柱填充料原位制成微型離心色譜柱，填充物可以是硅膠顆粒，也可是三氧化ニ鋁粉末。本發(fā)明中，檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片的固相萃取柱在萃取分離待測(cè)樣品前，需要分別用甲醇和酸化甲醇溶液進(jìn)行水化處理。在離心速度為1500RPM，用甲醇溶液對(duì)萃取柱淋洗20 30s,隨后在同等離心轉(zhuǎn)速下,用水淋洗I 2min,最后在樣品池加入樣品溶液，離心5 IOmin0本發(fā)明中，檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片采用原位制備的微型離心色譜柱與ICP-MS聯(lián)用進(jìn)行Cr離子的形態(tài)分析，微型離心色譜柱完成樣品處理與分離后，ICP-MS對(duì)水樣和萃取液進(jìn)行分析。本發(fā)明提出的檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，操作簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)了多個(gè)樣品的平行檢測(cè)，降低了試劑與樣品的用量，簡(jiǎn)化了水樣處理過程，縮短了檢測(cè)時(shí)間，具有便攜、經(jīng)濟(jì)、快速、高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在Cr離子形態(tài)分析相關(guān)領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。


圖I.檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。A 第I層(底層芯片，封合用)，B 第2層(雙層粘性薄膜，粘合用)，C 第3層(中間層主芯片，有微結(jié)構(gòu)和微通道)，D.第4層(雙層粘性薄膜，粘合用)，E.第5層(上層芯片，有進(jìn)樣孔和通氣孔)，F(xiàn). —個(gè)樣品分析檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)示意圖1和2)樣品注入孔，3)樣品池，4)固相萃取柱，5)石英纖維裝入孔，6)萃取液池，7)硅膠注入孔，8)取樣孔，9)通氣孔。
具體實(shí)施方案實(shí)施例I·
用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制離心式微流控芯片的五層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。利用數(shù)控CNC系統(tǒng)加工制備三層圓片狀聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道，分別用自來水、蒸餾水清洗各層芯片，并用こ醇擦拭芯片表面殘留的指紋、油潰等污潰。在雙面膠薄膜上，用刻字機(jī)加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。將五層芯片小心對(duì)齊、粘合、加壓封合，制成檢測(cè)水中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片。將此芯片通過卡槽固定于離心機(jī)的芯片支架上，將少量石英纖維從石英纖維裝入孔中裝入，用錐子壓緊后，用透明膠帶密封石英纖維裝入孔。取0. 5g硅膠溶于0. 5mL甲醇制成硅膠溶液，取50 y L硅膠溶液，從硅膠注入孔中注入，在離心機(jī)上以1500RPM速度旋轉(zhuǎn)離心，使硅膠均勻地布滿固相萃取微通道，原位制成固相萃取柱。注入L甲醇，水化填充固相萃取柱，以1500RPM速度離心30s。注入8 ii L酸化甲醇(甲醇/HC1，體積比100/1)，以1500RPM速度離心30s，洗滌純化萃取柱。再次加入8 ii L甲醇，以1500RPM離心Imin沖洗萃取柱后，用透明膠帶密封硅膠注入孔和取樣孔。從樣品注入孔向樣品池加入5 y L甲醇，離心平衡固相萃取柱，再從另ー樣品注入孔加入100 u L待測(cè)水樣，以1500RPM速度離心lOmin，用5 y L去離子水沖洗固相萃取柱，萃取溶液進(jìn)入萃取液池中。用移液槍從取樣孔中將萃取溶液全部移取出，稀釋至IOmL,用ICP-MS測(cè)定溶液中Cr6+含量。最后，用ICP-MS測(cè)定待測(cè)水樣中總Cr含量，用總Cr含量減去Cr6+含量，獲得待測(cè)水樣中Cr3+含量。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)水體中鉻離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于該離心式微流控芯片是有微結(jié)構(gòu)和微通道的圓片狀芯片，以離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力為樣品微流體的驅(qū)動(dòng)力，完成水體中Cr離子與萃取柱的富集和分離,通過ICP-MS分別檢測(cè)水體中總Cr含量和萃取液中Cr6+含量，從而獲得水體中Cr3+含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水體中Cr離子形態(tài)的分析檢測(cè)。離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)專為圓片狀芯片設(shè)計(jì)的，中心以吸盤、卡槽或螺絲-螺母固定圓片狀離心式微流控芯片。圓片狀離心式微流控芯片由刻有微米級(jí)別的微結(jié)構(gòu)和微通道的芯片和粘性薄膜封合而成，微結(jié)構(gòu)和微通道通過微加工技術(shù)制備，包括樣品池、萃取液池、微孔和微通道。
2.按權(quán)利要求I所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，其制作步驟如下 (1)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制離心式微流控芯片中各層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。
(2)通過微加工技術(shù)在各層微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微結(jié)構(gòu)和微通道，包括樣品池、萃取液池、微孔和微通道。
(3)在固相萃取微通道中填充固體硅膠顆粒，制成固相萃取柱。
(4)利用雙層粘性薄膜，將各層離心式微流控芯片對(duì)齊、粘合、加壓封合，組成檢測(cè)Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片。
(5)啟動(dòng)離心機(jī)，待測(cè)水樣通過固相萃取柱進(jìn)行萃取分離后，萃取液進(jìn)入萃取液池。
(6)用移液槍抽取萃取液，置入ICP-MS中測(cè)定萃取溶液中Cr6+含量。
(7)用ICP-MS測(cè)定待測(cè)水樣中總Cr含量，用總Cr含量減去Cr6+含量，得到水樣中Cr3+含量。
3.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種Cr離子形態(tài)檢測(cè)芯片的核心功能器件是圓片狀離心式微流控芯片，此芯片以離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作為樣品微流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，可以批量生產(chǎn)、多次利用、靈活設(shè)計(jì)與組裝。
4.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種Cr離子形態(tài)檢測(cè)芯片上的微結(jié)構(gòu)和微通道是通過數(shù)控銑刻、激光刻蝕、LIGA技術(shù)、模塑法、熱壓法、化學(xué)腐蝕、軟刻蝕技術(shù)的微加工方法在芯片基材表面制備，尺寸在微米級(jí)別。
5.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種Cr離子形態(tài)檢測(cè)芯片是由多層芯片疊加而成，構(gòu)成三維立體的微結(jié)構(gòu)和微通道網(wǎng)絡(luò)。
6.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種Cr離子形態(tài)檢測(cè)芯片可以在一塊芯片上制作多組微結(jié)構(gòu)和微通道，構(gòu)成多組樣品分析檢測(cè)單元，可以同時(shí)分析檢測(cè)多組樣品，提高了單位時(shí)間的平行檢測(cè)能力。
7.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種Cr離子形態(tài)檢測(cè)芯片通過在微通道中填充固體萃取柱填充料，原位制成微型離心色譜柱，采用固相萃取法進(jìn)行樣品預(yù)處理和分離。
8.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種Cr離子形態(tài)檢測(cè)芯片的樣品是在離心力的驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)微型離心色譜柱，進(jìn)行芯片上萃取和分離操作。
9.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種Cr離子形態(tài)檢測(cè)芯片適合現(xiàn)場(chǎng)采樣檢測(cè)，減少樣品因運(yùn)輸與儲(chǔ)存消耗的時(shí)間，從而降低Cr離子形態(tài)分析中因Cr6+易轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的Cr3+而帶來的分析誤差。
10.按權(quán)利要求I或2所述的檢測(cè)水體中Cr離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種Cr離子形態(tài)檢測(cè)芯片便于攜帶、設(shè)備簡(jiǎn)單、直接采樣、無需進(jìn)樣前處理、樣品和試劑用量小，平行檢測(cè)能力高、易與檢測(cè)器連接、樣品預(yù)處理和檢測(cè)過程在同一芯片上完成、樣品無需轉(zhuǎn)移、樣品交叉污染幾率小、適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，很好地滿足微全分析系統(tǒng)發(fā)展的需要，在Cr離子形態(tài)的分析檢測(cè)相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)水體中鉻離子形態(tài)的離心式微流控芯片及其制備方法。該離心式微流控芯片是帶微結(jié)構(gòu)和微通道的圓片狀芯片，以離心機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力為驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行水體中Cr離子與集成在離心式微流控芯片上的微型離心色譜柱的富集和分離操作過程，以電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)分別檢測(cè)水體中總Cr含量和萃取液中Cr6+含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境水體中Cr離子形態(tài)的分析。該離心式微流控芯片實(shí)現(xiàn)了水體中Cr離子形態(tài)檢測(cè)的集成化、微型化、自動(dòng)化、便捷化，具有試劑與樣品用量少、檢測(cè)快速、便攜、高平行檢測(cè)能力，為環(huán)境水體中Cr離子形態(tài)的檢測(cè)提供了一種全新的分析技術(shù)。
文檔編號(hào)G01N27/62GK102784674SQ201210285449
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者沙俊, 王曉東, 聶富強(qiáng) 申請(qǐng)人:蘇州汶顥芯片科技有限公司