CN103055983A - 一种检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测土壤中多环芳烃的微流控芯片及其制备方法。该芯片是圆片状有微结构和微通道的离心式微流控芯片，由多层刻有微米级别的微结构和微通道的芯片、双层粘性薄膜封合而成，以离心力为样品微流体的驱动力，完成待测样品与萃取剂的混合、萃取和分离过程，以红外光谱仪为检测装置，定量或定性地检测出芯片上样品中油和油脂的含量。该微流控芯片及方法可同时处理和检测多组样品，试剂与样品用量少，实现了多环芳烃检测的集成化、微型化、自动化，具有经济、快速、便携、高效的特点，为便捷、快速、准确地检测多环芳烃提供了一种全新的分析技术平台。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测土壤中多环芳烃的微流控芯片及其制备方法，该芯片是圆片状离心式微流控芯片，通过微加工技术在表面制备微结构和微通道，在离心机旋转产生的离心力驱动下，实现待测样品与萃取剂的混合、萃取、分离和过滤过程，用红外光谱仪定量或定性检测出芯片上样品中多环芳烃的含量，主要应用于环境保护和水质检测等相关领域。
背景技术
多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon)是分子中含有两个以上苯环的碳氢化合物，包括萘、蒽、菲、芘等150余种化合物，它存在于原油，木馏油，焦油，染料，塑料，橡胶，润滑油，防锈油，脱膜剂，汽油阻凝剂，电容电解液，矿物油，柏油等石化产品中，还存在于农药，木炭，杀菌剂，蚊香等日常化学产品中。人们长期处于多环芳烃污染的环境中，可引起急性或慢性伤害。而多环芳烃对动物的致癌作用也早已被试验所证实。因此，对多环芳烃的快速检测在环境科学、食品安全科学方面具有十分重要的意义。
多环芳烃常规的标准方法由设计采样、运输、储存、最后萃取处理和GC/MS定量分析组成，此类方法存在样品用量大，样品前处理复杂，成本较高的缺点，需要花费大量时间和成本。而且样品分离过程和检测是分开独立进行的，易引起样品损失和污染。由以上原因，建立一种小型集成装置，快速、便携、精确的多环芳烃检测装置是非常必要的。
近年来，微流控芯片作为一种新型的分析平台，具有微型化、自动化、集成化、便捷和快速等优点，已经在环境检测相关领域获得了广泛的应用。然而，采用圆片状芯片，利用微加工技术在其表面制备微结构和微通道用于分析，依靠离心力驱动样品微流体，同时完成多个样品检测的离心式微流控芯片分析技术，目前在多环芳烃的快速检测相关应用领域尚未有实质性的突破。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于该芯片是圆片状带微结构和微通道的离心式微流控芯片，由多层刻有微米级别的微结构和微通道的芯片、双层粘性薄膜封合而成，以离心力作为样品微流体的驱动力，完成样品与萃取剂的混合、萃取、分离和过滤过程过程，以红外光谱仪为检测装置，定量或定性地检测出芯片上样品中多环芳烃的含量。微结构和微通道通过微加工技术制备，包括萃取池、过滤池、检测池、微阀、微通道、微槽和微孔。离心机的旋转平台专为圆片状样品设计的，中心以吸盘、卡槽或螺丝-螺母固定圆片状离心式微流控芯片。
为实现上述目的，本发明采用以下操作步骤：
1.用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片中各层芯片的微结构和微通道图形；
2.通过微加工技术在各层微流控芯片基材表面加工制备所需的微结构和微通道，包括萃取池、过滤池、检测池、微阀、微通道、微槽和微孔；
3.将待测样品放入萃取池；
4.利用双层粘性薄膜，将各层离心式微流控芯片进行对齐、粘合、加压封合，组成离心式微流控芯片；
5.芯片封合后，在萃取池内加入萃取剂；
6.启动离心机，待测样品和萃取剂在离心力作用下混合、萃取和分离；
7.改变离心速度，萃取液通过微阀转移进入过滤池，在此池中进行固液分离；
8.再次改变离心速度，经过滤后的澄清萃取液通过微阀转移进入检测池；
9.样品处理好后，在红外光谱仪上检测萃取溶液，获得多环芳烃的含量。
本发明中，检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片的芯片基材可以是PMMA、PC、PVC、COC，也可是市售的各类CD光盘。
本发明中，检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片的微结构和微通道可以通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀制备，也可用软刻蚀技术制备。
本发明中，检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片的各层芯片之间用双层粘性薄膜封合，双层粘性薄膜可以是力致双层粘性薄膜，也可是普通双面胶薄膜。
本发明中，检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片的萃取池与过滤池之间连接微通道的宽度和深度均为380μm，置入外径375μm的石英毛细管作为微阀，石英毛细管的内径可以是100μm、150μm。
本发明中，检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片的过滤池与检测池之间连接微通道的宽度和深度均为380μm，置入外径375μm的石英毛细管作为微阀，石英毛细管的内径可以是25、50、75、100μm。
本发明中，检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片无需任何外置的泵和阀，利用离心力来驱动样品微流体，萃取剂与样品混合萃取时，离心机转速为150～300转/分，萃取溶液进入过滤池的离心转速为500～700转/分，进入检测池的离心转速为800～1000转/分。
本发明中，检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片萃取多环芳烃的试剂为四氯乙烯和四氯化碳，毒性比二氯甲烷和二甲基亚砜小，减少了对环境的影响。
本发明提出的检测土壤中多环芳烃的圆片状离心式微流控芯片，可实现多个样品的平行检测，降低了试剂与样品的用量，简化了待测样品的前处理，缩短了检测时间，具有便携、经济、快速、高效的特点，在快速检测土壤中多环芳烃的相关领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1.检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片的五层芯片及一组样品分析检测单元的结构示意图。
A.第1层(底层芯片，封合用)，B.第2层(双层粘性薄膜，粘合用)，C.第3层(中间主芯片，有微结构和微通道)，D.第4层(双层粘性薄膜，粘合用)，E.第5层(上层芯片，封合用)F.一组样品分析检测单元的结构示意图：1)萃取池，2)过滤池，3)检测池，4)矩形毛细管通道，5)石英毛细管通道，6)气微通道和孔。
具体实施方案
实施例1
用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的五层芯片的微结构和微通道图形。通过数控CNC微加工系统在各层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片上制备微结构和微通道，分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用乙醇擦拭芯片表面残留的指纹、油渍等污渍。将30mg待测土壤样品放置于萃取池中，将五层芯片小心对齐、粘合、加压封合，制成检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片。将离心式微流控芯片通过吸盘固定于离心机旋转平台上，从样品注入孔加入100μL C2Cl4，以150转/分的转速混合，萃取10min后，提高转速至500转/分，将样品池中萃取溶液全部移至过滤池；随后提高离心转速至800转/分，将澄清萃取液全部转移至检测池，在334nm处进行吸光度检测，最后获得样品中多环芳烃的含量。
实施例2
用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片的五层芯片的微结构和微通道图形。通过数控CNC微加工系统在各层聚碳酸酯(PC)芯片上制备微结构和微通道，最后分别用自来水、蒸馏水清洗各层芯片，并用乙醇擦拭芯片表面残留的指纹、油渍等污渍。将30mg待测土壤样品放置于萃取池中，将五层芯片小心对齐、粘合、加压封合，制成检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片。将离心式微流控芯片通过吸盘固定于离心机旋转平台上，从样品注入孔加入100μLC2Cl4，以300转/分的转速混合，萃取5min后，提高离心机转速至700转/分，将样品池中萃取溶液全部移至过滤池；随后提高离心机转速至1000转/分，将澄清萃取液全部转移至检测池，在334nm处进行吸光度检测，最后获得样品中多环芳烃的含量。
Claims (9)
1.一种检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，该芯片是圆片状带微结构和微通道的离心式微流控芯片，由多层刻有微米级别的微结构和微通道的芯片、双层粘性薄膜封合而成，以离心力作为样品微流体的驱动力，完成待测样品与萃取剂的混合、萃取、分离和过滤过程，以红外光谱仪为检测装置，定量或定性地检测出芯片上样品中多环芳烃脂的含量。微结构和微通道通过微加工技术制备，包括萃取池、过滤池、检测池、微阀、微通道、微槽和微孔。离心机的旋转平台专为圆片状样品设计的，中心以吸盘、卡槽或螺丝-螺母固定圆片状离心式微流控芯片。
2.按权利要求1所述的检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，其制作步骤如下：
1)用计算机辅助设计软件设计和绘制离心式微流控芯片中各层芯片的微结构和微通道图形；
2)通过微加工技术在各层微流控芯片基材表面加工制备所需的微结构和微通道，包括萃取池、过滤池、检测池、微阀、微通道、微槽和微孔；
3)将待测样品放入萃取池；
4)利用双层粘性薄膜，将各层离心式微流控芯片进行对齐、粘合、加压封合，组成离心式微流控芯片；
5)芯片封合后，在萃取池内加入萃取剂；
6)启动离心机，待测样品和萃取剂在离心力作用下混合、萃取和分离；
7)改变离心速度，萃取液通过微阀转移进入过滤池，在此池中进行固液分离；
8)再次改变离心速度，经过滤后的澄清萃取液通过微阀转移进入检测池；
9)样品处理好后，在红外光谱仪上检测萃取溶液，获得多环芳烃的含量。
3.按权利要求1或2所述的检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种多环芳烃检测芯片的核心功能器件是圆片状具有微结构和微通道的离心式微流控芯片，微结构和微通道的尺寸是微米级别的，通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、模塑法、热压法、化学腐蚀、软刻蚀技术的微加工方法在芯片基材表面制备。圆片状离心式微流控芯片可以批量生产、多次利用、灵活设计与组装。
4.按权利要求1或2所述的检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种多环芳烃检测芯片无需任何外置连接的泵，样品微流体是在离心力驱动下与萃取试剂进行混合、萃取和分离。
5.按权利要求1或2所述的检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种多环芳烃检测芯片无需进样前处理，可以在芯片上直接完成样品预处理和检测，并同时检测出样品中多环芳烃的含量。
6.按权利要求1或2所述的检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种多环芳烃检测芯片可以在一块芯片上制作多组微结构和微通道，构成多组样品分析检测单元，提高单位时间的平行检测能力。
7.按权利要求1或2所述的检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，控制样品微流体流动的微阀由石英毛细管预埋入微通道中构成，通过控制石英毛细管的内径来调控微流体的流动状态。
8.按权利要求1或2所述的检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种多环芳烃检测芯片是通过逐级改变离心机的转速，使萃取液从萃取池通过矩形毛细管转移至过滤池，随后从过滤池通过石英毛细管转移至检测池，石英毛细管的内径越小，样品微流体通过该石英毛细管所需的离心力就越大，所需的离心转速就越高。
9.按权利要求1或2所述的检测土壤中多环芳烃的离心式微流控芯片及其制备方法，其特征在于，这种多环芳烃检测芯片设计巧妙、设备简单、便于携带、直接采样、无需样品处理、样品和试剂用量小、平行检测能力高、易与检测器连接、样品的前处理和检测过程在同一芯片上完成、样品无需转移、样品交叉污染几率小，很好地满足微全分析系统发展的需要，在便捷、快速、准确地检测多环芳烃的相关领域具有广泛的应用前景。
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