一種Pb²⁺微流控檢測芯片及水樣中Pb²⁺的可視化檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的Pb2+微流控檢測芯片及包括基板、凝膠片、固定柱、指示柱和透明蓋板，基板上設有第一微通道～第四微通道、中間橋通道、進樣通道、出樣通道和指示液通道，中間橋通道中設有若干指示柱，指示柱在中間橋通道中形成指示柱陣列，凝膠片設置在固定柱上，進樣通道的出口分別與第一和第四微通道的進口連通，第一和第四微通道的出口分別與中間橋通道的出樣口和進樣口連通，中間橋通道的出樣口和進樣口分別與第二和第三微通道的進口連通，第二和第三微通道的出口與出樣通道的入口連通，指示液通道的出口與中間橋通道的指示液進口連通，透明蓋板與基板鍵合為一體。本發(fā)明還提供了水樣中Pb2+的可視化檢測方法，該方法能降低對水樣中Pb2+的檢測成本。
【專利說明】
一種Pb2+微流控檢測芯片及水樣中Pb2+的可視化檢測方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于基于智能凝膠的Pb2+檢測領域，特別涉及一種Pb2+微流控檢測芯片及水樣中Pb2+的可視化檢測方法。
【背景技術】
[0002]鉛離子是一種會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成重大危害的有毒重金屬離子，即使是微量的鉛離子也會對人體的神經系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、造血系統(tǒng)產生巨大的危害，特別會對兒童的智力及生長發(fā)育造成不可逆的嚴重危害。GB25466—2010中規(guī)定，飲用水中鉛離子的含量不得高于4.83父10—811101/1，工業(yè)廢水中鉛離子的濃度不得高于2.42\10—611101/1，由此可知，準確地檢測出飲用水、工業(yè)廢水等樣品中的超低濃度的鉛離子，對于人體健康和環(huán)境保護都具有非常重要的意義。
[0003]目前，常見的鉛離子檢測方法有原子光譜法、電化學法以及比色法。其中，原子光譜法是利用原子吸收光譜儀、原子熒光光譜儀、電感耦合等離子體質譜儀等實現(xiàn)對超低濃度鉛離子的檢測，但該方法需要使用精密昂貴的檢測設備，存在著檢測成本高昂的不足。電化學法也需要使用復雜的儀器設備，而且檢測步驟繁瑣、需要專業(yè)人員操作，因而難以推廣應用。彭池方等基于比色法，利用2-巰基乙醇-硫代硫酸鈉-納米金復合膜能測出水中濃度為5 X 10—8mol/L的鉛離子(彭池方，謝正軍，汪雅云，等.納米金復合薄膜的制備及鉛離子肉眼檢測方法的構建[J].分析測試學報，2014,33(10): 1194-1198.)，但比色法憑肉眼判斷，無法做到準確的定量檢測，而要實現(xiàn)定量檢測，往往需要借助精密的分光光度計等設備。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種Pb2+微流控檢測芯片及水樣中Pb2+的可視化檢測方法，以降低對水樣中Pb2+的檢測成本。
[0005]本發(fā)明提供的Pb2+微流控檢測芯片，包括基板、凝膠片、固定柱、指示柱和透明蓋板；
[0006]所述基板上設有第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道、中間橋通道、進樣通道、出樣通道和指示液通道;第一微通道和第四微通道呈軸對稱布置，第二微通道和第三微通道呈軸對稱布置，所述第一微通道、第二微通道和第三微通道均設有狹縫段，所述中間橋通道中設有若干指示柱，指示柱在中間橋通道中形成至少一個指示柱陣列，各指示柱陣列中相鄰指示柱之間的間距均相等；
[0007]所述固定柱為圓柱，固定柱設置在第四微通道中，固定柱的軸線垂直于第四微通道的底面且與第四微通道的中心線相交，所述凝膠片為圓環(huán)片，凝膠片設置在固定柱上，凝膠片的材料為聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)，當溫度低于聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的體積相轉變溫度時，凝膠片的厚度和外徑分別與第四微通道的深度和寬度相同，截斷第四微通道的過流通道，當溫度高于聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)微凝膠的體積相轉變溫度時，凝膠片收縮，在第四微通道中形成過流通道，該過流通道的橫截面面積大于第一微通道狹縫段的橫截面面積，當含Pb2+的水樣流經第四微通道，凝膠片選擇性地絡合Pb2+并發(fā)生體積溶脹，使第四微通道的過流通道減?。?br>[0008]所述進樣通道的出口分別與第一微通道和第四微通道的進口連通，所述第一微通道和第四微通道的出口分別與中間橋通道的出樣口和進樣口連通，所述中間橋通道的出樣口和進樣口分別與第二微通道和第三微通道的進口連通，所述第二微通道和第三微通道的出口與出樣通道的入口連通，所述指示液通道的出口與中間橋通道的指示液進口連通；
[0009]所述透明蓋板與基板鍵合為一體形成Pb2+微流控檢測芯片，透明蓋板應完全覆蓋住基板上的所有通道，透明蓋板與基板上的進樣通道、出樣通道和指示液通道的入口相對應處設有通孔，透明蓋板與基板鍵合后在所述通孔處形成Pb2+微流控檢測芯片的進樣口、出樣口和指不液進口。
[0010]上述Pb2+微流控檢測芯片中，所述第一微通道、第二微通道、第三微通道和第四微通道的寬度為150?500μηι、深度為30?200μηι。
[0011]上述Pb2+微流控檢測芯片中，所述第一微通道、第二微通道及第三微通道上狹縫段的寬度為第一微通道、第二微通道及第三微通道寬度的0.1?0.25倍，第一微通道、第二微通道及第三微通道上狹縫段的深度分別與第一微通道、第二微通道及第三微通道的深度相等。
[0012]上述Pb2+微流控檢測芯片中，基板上的第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的設計原則為:第二微通道和第三微通道的形狀應保證液體流過第二微通道和第三微通道時，第二微通道和第三微通道中的流動阻力相等，而要實現(xiàn)第二微通道和第三微通道中的流動阻力相等并符合各通道之間的連接關系，就要求第二微通道和第三微通道呈軸對稱布置;第一微通道和第四微通道的形狀應滿足以下要求:當凝膠片收縮時，凝膠片與第四微通道壁面之間形成的過流通道的橫截面面積大于第一微通道的狹縫段的橫截面面積，此時通入去離子水應滿足第一微通道中的流動阻力大于第四微通道中的流動阻力，要滿足該條件并符合各通道之間的連接關系，優(yōu)選的方式是使第一微通道與第四微通道的長度、寬度和深度相等，二者呈軸對稱方式布置(除了第一微通道的狹縫段處與第四微通道的凝膠片處的形狀不同外，第一微通道和第四微通道的形狀是呈軸對稱的)。只要滿足上述設計原則，第一微通道與第二微通道的長度、寬度、深度可以相等，也可以不相等，優(yōu)選的方式是使第一微通道與第二微通道也呈軸對稱布置。
[0013]上述Pb2+微流控檢測芯片中，所述中間橋通道的寬度為500?3000μπι、深度為30?200μπι，所述指示柱為直徑是30?200μπι的圓柱，所述指示柱陣列中相鄰指示柱之間的間距為30?10ym0
[0014]上述Pb2+微流控檢測芯片中，所述固定柱為圓柱，固定柱的直徑為第四微通道寬度的0.2?0.5倍。
[0015]上述Pb2+微流控檢測芯片中，所述基板、固定柱和指示柱的材料均為聚二甲基硅氧烷，所述蓋板的材料可為玻璃或者聚二甲基硅氧烷等透明材料。采用現(xiàn)有的軟刻蝕工藝在基板上設置第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道、中間橋通道、進樣通道、出樣通道、指示液通道、固定柱以及指示柱，具體可參照Qin,D.et al.Soft lithography formicro-and nanoscale patterning.Nature Protocols，2010，5,491-502.中的方法進行設置。
[0016]上述Pb2+微流控檢測芯片中，在第四微通道中設置凝膠片的方法為:
[0017]①以N-異丙基丙烯酰胺、苯并18冠6為單體，以偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽為引發(fā)劑，以N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，將所述單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑和去離子水混合均勻形成凝膠前驅液，凝膠前驅液中，N-異丙基丙烯酰胺的濃度為0.5?1.5mol/L，苯并18冠6與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為(I?5):20，引發(fā)劑與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1: (5?15)，交聯(lián)劑與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1: (20?100);
[0018]②將第四微通道中注滿凝膠前驅液，然后將帶圓形透光孔的遮光板置于第四微通道上方使透光孔的軸線與固定柱的軸線重合，所述透光孔的直徑與與第四微通道的寬度相等，在I?15°C用紫外光穿過遮光板的透光孔照射第四微通道，引發(fā)透光孔處的第四微通道內的凝膠前驅液發(fā)生交聯(lián)反應形成凝膠片，然后用去離子水洗去第四微通道內的凝膠前驅液，即完成第四微通道中凝膠片的設置。
[0019]在第四微通道中設置凝膠片時，所述遮光板由能避免紫外線穿過的材料制作，遮光板優(yōu)選為黑色膠片。
[0020]本發(fā)明還提供了一種水樣中Pb2+的可視化檢測方法，該方法使用恒流輸送裝置、熱臺以及上述Pb2+微流控檢測芯片，將所述檢測芯片置于熱臺上，將檢測芯片的進樣口和指示液進口分別通過管件與恒流輸送裝置連接，步驟如下:
[0021]①以去離子水為空白試樣，使用恒流輸送裝置將空白試樣以恒定的體積流量從進樣口輸入檢測芯片中，空白試樣經檢測芯片后從出樣口排出，使用恒流輸送裝置將指示液以恒定的體積流量從指示液進口輸入檢測芯片中，待檢測芯片的中間橋通道中指示液的界面位置穩(wěn)定后，采用放大鏡觀察中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱的數目，所述指示液由水溶性染料和去離子水配制而成；
[0022]②將步驟①中的空白試樣替換為一系列Pb2+濃度已知的標樣，重復步驟①的操作，得到一系列標樣對應的被指示液覆蓋的指示柱的數目，計算輸入各標樣時相對于輸入空白試樣時被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值，以標樣中Pb2+濃度為縱坐標、以被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值為橫坐標繪制工作曲線，確定Pb2+濃度與被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值的換算關系式；
[0023]③步驟①中的空白試樣替換為待測試樣，重復步驟①的操作，得到輸入待測試樣時被指示液覆蓋的指示柱的數目，計算輸入待測試樣時相對于輸入空白試樣時被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值，根據步驟②確定的Pb2+濃度與被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值的換算關系式計算待測樣品中Pb2+濃度；
[0024]步驟②、③中，完成對每一個標樣或待測試樣的檢測后，向檢測芯片中輸入去離子水清洗凝膠片，清洗過程中，將熱臺的溫度升至55?60°C并保溫3?5min，然后降至20?25°C并保溫3?5min，重復前述升溫清洗和降溫清洗的操作直到去除凝膠片中的金屬離子后再輸入下一標樣或試樣進行檢測；
[0025]步驟①?③中，在輸入空白試樣、標樣以及待測試樣進行檢測的過程中，控制熱臺的溫度為33?35 °C并保持溫度恒定。
[0026]上述水樣中Pb2+的可視化檢測方法中，向檢測芯片中輸入空白試樣、標樣或待測試樣時，控制輸入流量為200?8000yL/h，向檢測芯片中輸入指示液時，控制輸入流量為50?2000yL/ho
[0027]本發(fā)明所述水樣中Pb2+的可視化檢測方法的原理如下:
[0028]本發(fā)明所述檢測芯片中，凝膠片被固定在第四微通道的固定柱上，當溫度高于聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)微凝膠的體積相轉變溫度時，凝膠片收縮，此時凝膠片與第四微通道壁面之間形成的過流通道的面積大于第一微通道的狹縫段的過流面積，向所述檢測芯片中通入去離子水，將此時第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的流動阻力分別記作R^R^R^Rx，由于第二微通道和第三微通道呈軸對稱布置，即這兩個微通道的流動阻力相等(R2 = R3),因而此時四個微通道的流動阻力之間的關系為R1ROR2Rx,此時中間橋通道中的液體會由中間橋通道的進樣口流向出樣口，如圖4(a)所示；當含低濃度Pb2+的水樣流經凝膠片時，聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的18-冠-6基團會選擇性地絡合鉛離子并形成帶電的絡合物，帶電絡合物基團之間的靜電排斥作用會導致高分子鏈伸展，進而引起凝膠片發(fā)生體積溶脹，同時，聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的18-冠-6基團絡合鉛離子后會導致凝膠片的滲透壓增大，引起凝膠片發(fā)生吸水溶脹，凝膠片溶脹后，第四微通道的過流通道減小，如圖4(b)所示，此時第四微通道的流動阻力R’x>Rx，使得中間橋通道中由進樣口向出樣口流動的液體的流速減??；當水樣中Pb2+的濃度進一步增大時，第四微通道的流動阻力R” X繼續(xù)增加，導致R1R3U2R" X，此時中間橋通道中液體流向發(fā)生轉變，由出樣口流向進樣口，如圖4(c)所示。由于凝膠片體積溶脹的程度與Pb2+的濃度相關，而檢測芯片中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱的數目與凝膠片的溶脹程度相關，而凝膠片溶脹程度的改變會使第一微通道和第四微通道中的流動阻力的相對大小發(fā)生變化，因此本發(fā)明所述方法通過測定檢測芯片的中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值即實現(xiàn)了對水樣中Pb2+的定量測定。
[0029]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0030]1.本發(fā)明提供的Pb2+微流控檢測芯片是一種新型的鉛離子檢測芯片，該檢測芯片基于智能凝膠與惠斯通電橋原理實現(xiàn)對鉛離子的檢測，其中的凝膠片能特異性地識別Pb2+并發(fā)生體積溶脹，并造成第四微通道的過流通道減小，引起第四微通道的流動阻力增大，進而導致中間橋通道中液體的流速甚至是流向的改變，因此，將本發(fā)明的檢測芯片與使用恒流輸送裝置與熱臺配合，通過觀測該檢測芯片中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值，即可實現(xiàn)對水樣中鉛離子的可視化定量檢測。
[0031]2.本發(fā)明還提供了一種檢測水樣中Pb2+的新方法，該方法的檢出限低至10—1Vol/L，能實現(xiàn)I O—1(3?I O—4H1 I /L濃度級別的鉛離子的檢測，檢出限低、檢測范圍寬。
[0032]3.本發(fā)明所述方法將本發(fā)明的檢測芯片與恒流輸送裝置和熱臺配合使用實現(xiàn)了對水樣中鉛離子的檢測，這些裝置均為常見設備，價格低廉，與現(xiàn)有技術相比，無需使用各類昂貴復雜的輔助檢測設備，也無需專業(yè)技術人員操作儀器，本發(fā)明所述方法具有分析成本低廉、操作簡單、適用范圍廣泛和易于推廣應用的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明所述Pb2+微流控檢測芯片的結構示意圖；
[0034]圖2是圖1中的Pb2+微流控檢測芯片的第四微流體通道中凝膠片處的局部放大圖；
[0035]圖3是圖1中的Pb2+微流控檢測芯片的第一、第二、第三微流體通道的狹縫段處的局部放大圖；
[0036]圖4是采用本發(fā)明所述檢測芯片檢測Pb2+的原理示意圖；
[0037]圖5是在第四微通道中設置凝膠片的示意圖；
[0038]圖6是第四微通道中凝膠片的形成過程的顯微鏡圖片，其中圖A?D依次為通入凝膠前驅液之前、通入凝膠前驅液后、紫外光照射形成凝膠片和洗去凝膠前驅液后的顯微鏡圖片；
[0039]圖7是實施例4通入不同Pb2+濃度的樣品溶液后，中間橋通道中指示液的界面位置的顯微鏡圖片，其中圖A?F依次為通入去離子水、10—1Q、10—8、10—7、10—6、10—5mol/L的Pb2+樣品溶液時的顯微鏡圖片；
[0040]圖8是實施例4繪制的工作曲線；
[0041 ]圖 9 是本發(fā)明所述方法檢測 Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+時的中間橋通道中指示液的界面位置的顯微鏡圖片；
[0042]圖10 是本發(fā)明所述方法檢測 Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+時的中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值柱狀圖；
[0043]圖中，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—中間橋通道、1-5-1 —出樣口、1-5-2—進樣口、1-6—進樣通道、1-7 —出樣通道、1_8一指不液通道、1-9一狹縫段、2一凝I父片、3一固定柱、4一指不柱、5一透明蓋板、6一遮光板。
【具體實施方式】
[0044]以下通過實施例對本發(fā)明所述Pb2+微流控檢測芯片以及水樣中Pb2+的可視化檢測方法作進一步說明。
[0045]實施例1
[0046]本實施例中，Pb2+微流控檢測芯片的結構如圖1?3所示，包括基板1、凝膠片2、固定柱3、指示柱4和透明蓋板5。
[0047]所述基板I上設有第一微通道1-1、第二微通道1-2、第三微通道1-3、第四微通道1-
4、中間橋通道1-5、進樣通道1-6、出樣通道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呈軸對稱布置，第二微通道1-2和第三微通道1-3呈軸對稱布置，第一微通道1-1與第二微通道1-2也呈軸對稱布置，所述第一微通道1-1、第二微通道1-2和第三微通道1-3均設有狹縫段1-9;第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的寬度均為300μπι、深度均為70μπι，第一微通道、第二微通道和第三微通道上設置的狹縫段1-9的寬度均為50μπι、深度均為70μηι、長度均為300μηι;所述中間橋通道1-5的寬度為11OOym、深度為70μηι，中間橋通道1-5中設有若干形狀為圓柱、直徑為ΙΟΟμπι的指示柱4，指示柱4在中間橋通道1-5中靠近出樣口和進樣口的位置形成兩個指示柱陣列，每個指示柱陣列中均包括三排(每排五根)指示柱，兩個指示柱陣列中的相鄰指示柱之間的間距均為I OOym。
[0048]所述固定柱3為直徑為ΙΟΟμπι的圓柱，固定柱設置在第四微通道1-4中且固定柱的軸線垂直于第四微通道的底面且與第四微通道的中心線相交，所述凝膠片2為圓環(huán)片，凝膠片設置在固定柱3上，凝膠片2的材料為聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)，當溫度低于聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的體積相轉變溫度時，凝膠片2的厚度和外徑分別與第四微通道(1-4)的深度和寬度相同，截斷第四微通道的過流通道，當溫度高于聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)微凝膠的體積相轉變溫度時，凝膠片2收縮，在第四微通道1-4中形成過流通道，該過流通道的橫截面面積大于第一微通道狹縫段1-9的橫截面面積，當含Pb2+的水樣流經第四微通道1-4，凝膠片選擇性地絡合Pb2+并發(fā)生體積溶脹，使第四微通道1-4的過流通道減小。
[0049]所述進樣通道1-6的出口分別與第一微通道1-1和第四微通道1-4的進口連通，所述第一微通道1-1和第四微通道1-4的出口分別與中間橋通道1-5的出樣口 1-5-1和進樣口1-5-2連通，所述中間橋通道1-5的出樣口 1-5-1和進樣口 1-5-2分別與第二微通道1-2和第三微通道1-3的進口連通，所述第二微通道1-2和第三微通道1-3的出口與出樣通道1-7的入口連通，所述指示液通道1-8的出口與中間橋通道1-5的指示液進口連通。
[0050]所述透明蓋板5、基板1、固定柱3和指示柱4的材料均為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，透明蓋板5和基板I通過等離子鍵合機處理后鍵合為一體形成Pb2+微流控檢測芯片，透明蓋板應完全覆蓋住基板上的所有通道，透明蓋板與基板上的進樣通道1-6、出樣通道1-7和指示液通道1-8的入口相對應處設有通孔，透明蓋板與基板鍵合后在所述通孔處形成Pb2+微流控檢測芯片的進樣口、出樣口和指示液進口。
[0051]參照 Qin ,D.et a 1.Soft lithography for micro-and nanoscalepatterning.Nature Protocols,2010,5,491-502.中的方法在基板上設置第一微通道 1-1、第二微通道1-2、第三微通道1-3第四微通道1-4、中間橋通道1-5、進樣通道1-6、出樣通道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中設置凝膠片的示意圖見圖5，步驟如下；
[0053]①以N-異丙基丙烯酰胺、苯并-18-冠6為單體，以偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽為引發(fā)劑，以N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，將所述單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑和去離子水加入容器中，混合均勻形成凝膠前驅液，凝膠前驅液中，N-異丙基丙烯酰胺的濃度為1.0mol/L，苯并18冠6與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為3:20，引發(fā)劑與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1: 5，交聯(lián)劑與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1:50;
[0054]②在黑色膠片上設置一直徑為300μπι的圓形透光縫形成遮光板，從不帶凝膠片的微流控芯片的進樣口該芯片中通入凝膠前驅液，使第四微通道1-4中充滿凝膠前驅液，然后將所述遮光板6置于第四微通道1-4上方，使固定柱3的中軸線與所述遮光板6的透光孔垂直且穿過透光孔的圓心，透光孔的直徑與第四微通道1-4的寬度相等，在5°C用紫外光從透光板的上方穿過遮光板的透光孔照射第四微通道1-4，引發(fā)透光孔處的第四微通道1-4內的凝膠前驅液發(fā)生交聯(lián)反應形成凝膠片2，然后用去離子水洗去第四微通道1-4內的凝膠前驅液，即完成第四微通道1-4中凝膠片2的設置。圖6是凝膠片的形成過程的顯微鏡圖片。
[0055]②在黑色膠片上設置一直徑為300μπι的圓形透光縫形成遮光板，從不帶凝膠片的微流控芯片的進樣口該芯片中通入凝膠前驅液，使第四微通道1-4中充滿凝膠前驅液，然后將透光孔的遮光板6置于第四微通道1-4上方使透光孔的軸線與固定柱3的軸線重合，在5°C用紫外光穿過遮光板的透光孔照射第四微通道1-4，引發(fā)透光孔處的第四微通道1-4內的凝膠前驅液發(fā)生交聯(lián)反應形成凝膠片2，然后用去離子水洗去第四微通道1-4內的凝膠前驅液，即完成第四微通道1-4中凝膠片2的設置。圖6是凝膠片的形成過程的顯微鏡圖片。
[0056]實施例2
[0057]本實施例中，Pb2+微流控檢測芯片的結構、基板上各微通道和固定柱以及指示柱的制備方法、在第四微通道中設置凝膠片的方法基本相同，不同之處為:第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的寬度均為500μπι、深度均為200μπι，第一微通道、第二微通道和第三微通道上設置的狹縫段1-9的寬度均為50μηι、深度均為200μηι、長度均為300μηι，第四微通道中固定柱的直徑為250μπι，中間橋通道1-5的寬度為3000μπι、深度為200μπι，指示柱4的直徑為200μπι，指示柱4在中間橋通道1-5中靠近出樣口和進樣口的位置形成兩個指示柱陣列，每個指示柱陣列中均包括三排(每排十根)指示柱，兩個指示柱陣列中相鄰指示柱之間的間距均為ΙΟΟμπι。所述凝膠前驅溶液中，N-異丙基丙烯酰胺的濃度為0.5mol/L，苯并18冠6與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1:20，引發(fā)劑偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1:10，交聯(lián)劑N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1:100，在第四微通道中設置凝膠時，在15°C用紫外光穿過遮光板的透光孔照射第四微通道。
[0058]實施例3
[0059]本實施例中，Pb2+微流控檢測芯片的結構、基板上各微通道和固定柱以及指示柱的制備方法、在第四微通道中設置凝膠片的方法基本相同，不同之處為:第一微通道、第二微通道、第三微通道、第四微通道的寬度均為150μπι、深度均為30μπι，第一微通道、第二微通道及第三微通道上的狹縫段的寬度均為38μηι、深度均為30μηι、長度均為300μηι，第四微通道中固定柱的直徑為30μηι，中間橋通道1-5的寬度為500μηι、深度為30μηι，指示柱4的直徑為30μηι，指示柱4在中間橋通道1-5中形成一個指示柱陣列，該指示柱陣列中包括十二排(每排七根)指示柱，指示柱陣列中相鄰指示柱之間的間距均為30μπι。所述凝膠前驅溶液中，N-異丙基丙烯酰胺的濃度為1.5mol/L，苯并18冠6與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為5:20，引發(fā)劑偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1:15，交聯(lián)劑N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1:20，在第四微通道中設置凝膠時，在1°C用紫外光穿過遮光板的透光孔照射第四微通道。
[0060]實施例4
[0061]本實施例中，配制Pb2+濃度為IX 10—Vol/L作為待測試樣，采用本發(fā)明所述方法檢測該待測試樣中的Pb2+濃度，該方法使用注射栗、熱臺以及實施例1中的Pb2+微流控檢測芯片，將所述檢測芯片置于熱臺上，將檢測芯片的進樣口和指示液進口分別通過管件與注射栗連接，步驟如下:
[0062]①以去離子水為空白試樣，使用注射栗將空白試樣以2000yL/min的恒定體積流量從進樣口輸入檢測芯片中，空白試樣經檢測芯片后從出樣口排出，使用注射栗將指示液以500yL/min的恒定體積流量從指示液進口輸入檢測芯片中，1min后，檢測芯片的中間橋通道中指示液的界面位置達到穩(wěn)定狀態(tài)，采用放大鏡觀察中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱的數目，記作No，所述指示液由亞甲基藍染和去離子水配制而成；該步驟中，控制熱臺的溫度保持在32 °C。
[0063]②用去離子水配制Pb2+濃度分別為IX 10—%1l/L、I X 10—Vol/L、I X 10—7mol/L、IX 10 6mol/L、lX10 5mol/L的標樣，分別記作1#?5#標樣。
[0064]依次用1#?5#標樣替換步驟①中的空白試樣，重復步驟①的操作，將測得的中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱的數目依次記作N1，N2，N3，N4，N5，通入空白試樣和1#?5#標樣時，當中間橋通道中指示液的界面位置穩(wěn)定后，指示液的界面位置圖如圖7所示，計算輸入各標樣時相對于輸入空白試樣時中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值ANi = I No-Ni ,1 = 1,2,3,4,5,以標樣中Pb2+濃度為縱坐標、以被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值為橫坐標繪制工作曲線，如圖8所示，得到Pb2+濃度與被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值的換算關系式為C = 8 X 10—18X(AN)9''式中，C為Pb2+濃度、單位為mol/L，Δ N為被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值、單位為個;該步驟在對1#?5#標樣進行檢測時，均控制熱臺的溫度保持在32 °C。
[0065]該步驟中，完成對每一個標樣的檢測后，向檢測芯片中通入去離子水清洗凝膠片，清洗過程中，將熱臺的溫度升至55°C并保溫3min，然后降至25°C并保溫3min，重復前述升溫和降溫的操作，直到按照步驟①的操作向檢測芯片中通入去離子水，中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱數量與No相同，說明此時凝膠片中的鉛離子已完全去除，再輸入下一標樣或試樣進行檢測。
[0066]③使用待測試樣代替步驟①中的空白試樣，重復步驟①的操作，測得通入待測試樣時中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱的數目，計算輸入待測試樣時相對于輸入空白試樣時被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值，根據步驟②確定的Pb2+濃度與被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值的換算關系式計算出待測樣品中Pb2+濃度，結果為1X10—8mol/L。
[0067]實施例5
[0068]本實施例中，考察本發(fā)明所述方法檢測多種離子時中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱數目變化值的情況。使用注射栗、熱臺以及實施例1中的Pb2+微流控檢測芯片，將所述檢測芯片置于熱臺上，將檢測芯片的進樣口和指示液進口分別通過管件與注射栗連接，具體步驟如下:
[0069]①以去離子水為空白試樣，使用注射栗將空白試樣以2000yL/min的恒定體積流量從進樣口輸入檢測芯片中，空白試樣經檢測芯片后從出樣口排出，使用注射栗將指示液以500yL/min的恒定體積流量從指示液進口輸入檢測芯片中，1min后，檢測芯片的中間橋通道中指示液的界面位置達到穩(wěn)定狀態(tài)，采用放大鏡觀察中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱的數目，記作No，所述指示液由亞甲基藍染和去離子水配制而成；該步驟中，控制熱臺的溫度保持在32 °C。
[0070]②分別配制濃度為IX 10—6mol/L的Li +、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cr3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+溶液，記作 I #?14# 試樣；
[0071]依次用1#?14#試樣替換步驟①中的空白試樣，重復步驟①的操作，記錄輸入各試樣時的中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱的數目，當中間橋通道中指示液的界面位置穩(wěn)定后，指示液的界面位置圖如圖9所示，該步驟在對1#?14#試樣進行檢測時，均控制熱臺的溫度保持在32 °C。
[0072]該步驟中，完成對每一個標樣的檢測后，向檢測芯片中通入去離子水清洗凝膠片，清洗過程中，將熱臺的溫度升至50°C并保溫5min，然后降至20°C并保溫5min，重復前述升溫和降溫的操作，直到按照步驟①的操作向檢測芯片中通入去離子水，中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱數量與No相同，說明此時凝膠片中的金屬離子已完全去除，再輸入下一試樣進行檢測。
[0073]計算輸入1#?14#試樣時相對于輸入空白試樣時中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱數目變化值，結果如圖10所示，由圖10可知，除Ba2+、Pb2+外，其他離子在該濃度下的被指示液覆蓋的指示柱數目變化值均為O，不會干擾Pb2+的測定，而測定Ba2+時被指示液覆蓋的指示柱數目變化值與Pb2+時被指示液覆蓋的指示柱數目變化值相差10倍以上，也不會干擾Pb2+的測定。
【主權項】
1.一種Pb2+微流控檢測芯片，其特征在于包括基板(I)、凝膠片(2)、固定柱(3)、指示柱(4)和透明蓋板(5); 所述基板(I)上設有第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)、第三微通道(1-3)、第四微通道(1-4)、中間橋通道(1-5)、進樣通道(1-6)、出樣通道(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)呈軸對稱布置，第二微通道(1-2)和第三微通道(1-3)呈軸對稱布置，所述第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)和第三微通道(1-3)均設有狹縫段(1-9)，所述中間橋通道(1-5)中設有若干指示柱(4)，指示柱(4)在中間橋通道(1-5)中形成至少一個指示柱陣列，各指示柱陣列中相鄰指示柱之間的間距均相等； 所述固定柱(3)為圓柱，固定柱設置在第四微通道(1-4)中，固定柱的軸線垂直于第四微通道的底面且與第四微通道的中心線相交，所述凝膠片(2)為圓環(huán)片，凝膠片設置在固定柱(3)上，凝膠片(2)的材料為聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)，當溫度低于聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)的體積相轉變溫度時，凝膠片(2)的厚度和外徑分別與第四微通道(1-4)的深度和寬度相同，截斷第四微通道的過流通道，當溫度高于聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-苯并18冠6)微凝膠的體積相轉變溫度時，凝膠片(2)收縮，在第四微通道(1-4)中形成過流通道，該過流通道的橫截面面積大于第一微通道狹縫段(1-9)的橫截面面積，當含Pb2+的水樣流經第四微通道(1-4)，凝膠片選擇性地絡合Pb2+并發(fā)生體積溶脹，使第四微通道(1-4)的過流通道減小； 所述進樣通道(1-6)的出口分別與第一微通道(1-1)和第四微通道(1-4)的進口連通，所述第一微通道(1-1)和第四微通道(1-4)的出口分別與中間橋通道(1-5)的出樣口(1-5-1)和進樣口(1-5-2)連通，所述中間橋通道(1-5)的出樣口(1-5-1)和進樣口(1-5-2)分別與第二微通道(1-2)和第三微通道(1-3)的進口連通，所述第二微通道(1-2)和第三微通道(1-3)的出口與出樣通道(1-7)的入口連通，所述指示液通道(1-8)的出口與中間橋通道(1-5)的指示液進口連通； 所述透明蓋板(5)與基板(I)鍵合為一體形成Pb2+微流控檢測芯片，透明蓋板應完全覆蓋住基板上的所有通道，透明蓋板與基板上的進樣通道(1-6)、出樣通道(1-7)和指示液通道(1-8)的入口相對應處設有通孔，透明蓋板與基板鍵合后在所述通孔處形成Pb2+微流控檢測芯片的進樣口、出樣口和指示液進口。2.根據權利要求1所述Pb2+微流控檢測芯片，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)的寬度為150?500μπι、深度為30?200μπι。3.根據權利要求1或2所述Pb2+微流控檢測芯片，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)上狹縫段(1-9)的寬度為第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)及第三微通道(1-3)寬度的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)上狹縫段(1-9)的深度分別與第一微通道(1-1)、第二微通道(1-2)及第三微通道(1-3)的深度相等。4.根據權利要求1或2所述Pb2+微流控檢測芯片，其特征在于所述中間橋通道(1-5)的寬度為500?3000μπι、深度為30?200μπι，所述指示柱(4)為直徑是30?200μπι的圓柱，所述指示柱陣列中相鄰指示柱之間的間距為30?ΙΟΟμπι。5.根據權利要求1或2所述Pb2+微流控檢測芯片，其特征在于所述固定柱(3)為圓柱，固定柱的直徑為第四微通道(1-4)寬度的0.2?0.5倍。6.根據權利要求1或2所述Pb2+微流控檢測芯片，其特征在于所述基板(1)、固定柱(3)和指不柱(4)的材料均為聚一■甲基娃氧燒。7.根據權利要求1或2所述Pb2+微流控檢測芯片，其特征在于在第四微通道(1-4)中設置凝膠片的方法為: ①以N-異丙基丙烯酰胺、苯并18冠6為單體，以偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽為引發(fā)劑，以N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，將所述單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑和去離子水混合均勻形成凝膠前驅液，凝膠前驅液中，N-異丙基丙烯酰胺的濃度為0.5?1.5mol/L，苯并18冠6與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為(I?5):20，引發(fā)劑與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1: (5?15)，交聯(lián)劑與N-異丙基丙烯酰胺的摩爾比為1: (20?100); ②將第四微通道(1-4)中注滿凝膠前驅液，然后將帶圓形透光孔的遮光板(6)置于第四微通道(1-4)上方使透光孔的軸線與固定柱(3)的軸線重合，所述透光孔的直徑與與第四微通道(1-4)的寬度相等，在I?15°C用紫外光穿過遮光板的透光孔照射第四微通道(1-4)，引發(fā)透光孔處的第四微通道(1-4)內的凝膠前驅液發(fā)生交聯(lián)反應形成凝膠片(2)，然后用去離子水洗去第四微通道(1-4)內的凝膠前驅液，即完成第四微通道(1-4)中凝膠片(2)的設置。8.根據權利要求7所述Pb2+微流控檢測芯片，其特征在于所述遮光板(6)由能避免紫外線穿過的材料制作。9.一種水樣中Pb2+的可視化檢測方法，其特征在于該方法使用恒流輸送裝置、熱臺以及權利要求1至8中任一權利要求所述Pb2+微流控檢測芯片，將所述檢測芯片置于熱臺上，將檢測芯片的進樣口和指示液進口分別通過管件與恒流輸送裝置連接，步驟如下: ①以去離子水為空白試樣，使用恒流輸送裝置將空白試樣以恒定的體積流量從進樣口輸入檢測芯片中，空白試樣經檢測芯片后從出樣口排出，使用恒流輸送裝置將指示液以恒定的體積流量從指示液進口輸入檢測芯片中，待檢測芯片的中間橋通道中指示液的界面位置穩(wěn)定后，采用放大鏡觀察中間橋通道中被指示液覆蓋的指示柱的數目，所述指示液由水溶性染料和去離子水配制而成； ②將步驟①中的空白試樣替換為一系列Pb2+濃度已知的標樣，重復步驟①的操作，得到一系列標樣對應的被指示液覆蓋的指示柱的數目，計算輸入各標樣時相對于輸入空白試樣時被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值，以標樣中Pb2+濃度為縱坐標、以被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值為橫坐標繪制工作曲線，確定Pb2+濃度與被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值的換算關系式； ③步驟①中的空白試樣替換為待測試樣，重復步驟①的操作，得到輸入待測試樣時被指示液覆蓋的指示柱的數目，計算輸入待測試樣時相對于輸入空白試樣時被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值，根據步驟②確定的Pb2+濃度與被指示液覆蓋的指示柱數目的變化值的換算關系式計算待測樣品中Pb2+濃度； 步驟②、③中，完成對每一個標樣或待測試樣的檢測后，向檢測芯片中輸入去離子水清洗凝膠片，清洗過程中，將熱臺的溫度升至55?60°C并保溫3?5min，然后降至20?25°C并保溫3?5min，重復前述升溫清洗和降溫清洗的操作直到去除凝膠片中的金屬離子后再輸入下一標樣或試樣進行檢測； 步驟①?③中，在輸入空白試樣、標樣以及待測試樣進行檢測的過程中，控制熱臺的溫度為33?35 °C并保持溫度恒定。10.根據權利要求9所述水樣中Pb2+的可視化檢測方法，其特征在于向檢測芯片中輸入空白試樣、標樣或待測試樣時，控制輸入流量為200?8000yL/h，向檢測芯片中輸入指示液時，控制輸入流量為50?2000yL/h。
【文檔編號】G01N33/18GK106093328SQ201610424594
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610424594.8, CN 106093328 A, CN 106093328A, CN 201610424594, CN-A-106093328, CN106093328 A, CN106093328A, CN201610424594, CN201610424594.8
【發(fā)明人】林碩, 褚良銀, 汪偉, 謝銳, 巨曉潔, 劉壯
【申請人】四川大學