CN114700123B - 水环境中多种重金属离子检测的膜基微流控耦合芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了水环境中多种重金属离子检测的膜基微流控耦合芯片，包括上片芯片和下片芯片，上片芯片上分布包括有进液口、微通道、一号储液仓、出液口，一号储液仓通过微通道左右两侧分别与进液口和出液口连接，一号储液仓下部通过胶与一号垫片连接；下片芯片上分布有二号储液仓，二号储液仓上下两面通过胶分别与二号垫片和三号垫片连接，一号垫片与二号垫片之间通过夹合的方式连接有阳离子交换膜，三号垫片下方通过夹具与丝网印刷电极连接。本发明减少了电化学检测重金属过程中易受水中杂质干扰的发生，增加了在各种环境下的原位实时检测能力，提高了检测结果的全面性和准确度，检测成本低、设备轻便、操作安全。

Description

水环境中多种重金属离子检测的膜基微流控耦合芯片
技术领域
本发明涉及环境检测及微流控设置技术领域，具体涉及水环境中多 种重金属离子检测的膜基微流控耦合芯片。
背景技术
工业化的快速发展产生了一定数量的重金属废物。过量食用铅、镉、 铜等重金属对人体有害。例如，铅具有剧毒性，可导致胎儿神经功能紊 乱，镉的积累可能导致肾功能不全，铜的过量和长期消耗可能影响代谢 过程。因此，在污染物到达消费者之前，寻找一种快速、灵敏和简单的 分析方法来检测水中的这些有害污染物至关重要。检测衡量重金属有几种常规方法，包括原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS)和电感耦合等离子体光发射光谱法(ICP-OES)。这些方法可 靠性高、灵敏度高，但成本高、处理时间长。因此，寻找一种高灵敏度、便携性、实时性和低成本的替代方法极为重要。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种在检测同时进行 预处理排除干扰的水环境中多种重金属离子检测的膜基微流控耦合芯 片。
根据本申请实施例提供的技术方案，水环境中多种重金属离子检测 的膜基微流控耦合芯片，包括上片芯片、下片芯片、进液口、微通道、 一号储液仓、一号垫片、出液口、阳离子交换膜、二号垫片、二号储液 仓、三号垫片和丝网印刷电极；
上片芯片上分布包括有进液口、微通道、一号储液仓、出液口，进 液口通过微通道与一号储液仓连接，一号储液仓通过微通道与出液口连 接，一号储液仓下部通过胶与一号垫片连接，下片芯片上分布有二号储 液仓，二号储液仓上部通过胶与二号垫片连接，一号垫片与二号垫片之 间夹合有阳离子交换膜，阳离子交换膜夹合在上下芯片之间，阳离子交换膜是对阳离子有选择作用的膜，通常是磺酸型的。一号储液仓下表面 向上凹陷，所述二号储液仓上表面向下凹陷，一号储液仓和二号储液仓 两者相对组成圆柱形储液仓。二号储液仓下部通过胶与三号垫片连接， 三号垫片下方通过夹具与丝网印刷电极连接，丝网印刷电极是用厚膜技 术将导电活性物质印制在绝缘基体上所制得的电极。一号垫片、二号垫片和三号垫片的垫片采用一种橡胶贴片形式，起到防渗漏的效果。
上片芯片，阳离子交换膜，下层芯片，丝网印刷电极以夹合的方式 组装成为检测平台，根据尺寸所制作的夹具进行夹合。其中上下片芯片 与离子交换膜之间，丝网印刷电极与下片芯片之间有0.1mm厚的垫片， 起到密封防渗的作用。
在研究设计的膜基微流控耦合芯片中利用电场力驱动膜分离，金属 离子在电场力的作用下发生定向迁移，并利用选择渗透性膜即阳离子交 换膜实现膜分离过程。水力学驱动力可以加速离子的透膜速率，而电场 则可以使金属离子在分离膜上游受到与水力学驱动力反向相反的电场 力，提高膜分离效率。当污染物受到的电场力可以有效抵消所受的水力学驱动力时，即施加电压达到临界电压值，分离膜不仅可以有效截留水 体中的胶体颗粒，也能够截留有机分子和无机盐。另外由于不同金属离 子的原子半径以及水化离子的形态不同，各金属离子的水合半径有所差 异即：在相同浓度下，带相同电荷数时，重金属离子的水合离子半径越 小，离子扩散速度就越快，过膜能力就越强，当重金属离子的水合离子半径基本相同时，阳离子交换膜对原子序数小的重金属离子的去除能力就越强。
在伏安法检测中，金属离子的沉积电位是由其半波电位所决定的(一 般为半波电位的负0.2-0.5)，通过实验也发现不同的金属离子在DPSV 检测过程中最佳的沉积电位有所不同。三种离子的水合半径顺序为Pb＜ Cd＜Zn，预电解电位顺序为Pb＜Cd＜Zn。因此，在检测过程中阳离子交 换膜不仅可以降低自然水体中有机物的干扰，通过调控测试参数，可以 控制过膜离子的种类，也可以降低干扰。
通过在检测时将参数定为待测离子的最佳条件，在一定程度上可以 降低其他离子的干扰。对可能与Cd、Pb和Zn共存的其他金属离子(包 括Fe，Cu，Ca，Mg，Mn)的响应来测量的。总结了评估的结果，通过添 加其他干扰，在Cd、Pb和Zn中观察到的峰值电流值的响应变化，可获得可忽略的响应变化。
综上所述，本申请的有益效果：本发明有效降低了电化学检测重金 属实际测试过程中易受到水中杂质干扰问题的发生率，极大的增加了其 在各种环境下的原位实时检测能力，提高了检测的便捷度。另外通过实 验条件的改变，增加多种离子的检测可能性。在检测过程中，可以实现了水环境的多点原位检测，提高了检测结果的全面性和准确度。检测成本低、设备轻便、操作安全。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述， 本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明装配方案示意图；
图2为本发明剖面示意图；
图3为本发明的展开结构示意图；
图4为本发明的整体示意图。
图中标号：上片芯片-1；下片芯片-2；进液口-3；微通道-4；一号 储液仓-5；一号垫片-6；出液口-7；阳离子交换膜-8；二号垫片-9；二号储液仓-10；丝网印刷电极-11；三号垫片-12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的 是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的 限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相 关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。
水环境中多种重金属离子检测的膜基微流控耦合芯片，包括上片芯 片1和下片芯片2；
上片芯片1上分布包括有进液口3、微通道4、一号储液仓5、出液 口7，一号储液仓5通过微通道4左右两侧分别与进液口3和出液口7 连接，一号储液仓5下部通过胶与一号垫片6连接，
下片芯片2上分布有二号储液仓10，二号储液仓10上部通过胶分 别与二号垫片9连接，一号垫片6与二号垫片9之间通过夹合的方式连 接有阳离子交换膜8，阳离子交换膜夹合在上片芯片1和下片芯片2之 间。二号储液仓10的下部通过胶连接有三号垫片12，三号垫片12下方 通过夹具与丝网印刷电极11连接。
一号垫片6、二号垫片9和三号垫片12的垫片采用一种橡胶贴片形 式，起到防渗漏的效果。
一号储液仓5、阳离子交换膜8、二号储液仓10和丝网印刷电极11 组成检测区域，该区域可实现检测溶液中金属离子浓度的变化，该方案 仅提供储液仓和膜直径为1cm的圆形面积，但不限于这个尺寸，可根据 实际情况定制。
微通道尺寸、电极表面积与反应时间的相互影响最终决定装置的设 计细节，目前所使用的丝网印刷电极的工作电极尺寸为3mm，电极的扩 散层厚度可由下式计算：
δ-1＝(πDt)-1/2+r-1
δ为电极表面扩散层厚度，D为分析物扩散系数，t为实验时间间隔，r 为微电极半径.
样品体积与标准电化学生物传感器响应之间的关系式为：
Vs＝A×d
式中，Vs为通道测试所需最小体积，A为检测区(工作电极)的表面 积，d为通道深度。通过计算确定测试提供的样品体积是否足以进行浓度 测量，400μm微通道尺寸所需体积为0.02μL，计算体积为0.028μL， 这足以在电极表面完成反应，有利于电极界面反应的发生。
本方案中一号储液仓5和二号储液仓10可以定制尺寸，与丝网印刷 电极相匹配即可，本发明中直径为1cm，高度为0.3mm。微通道4长度和 截面尺寸根据实际应用可以定制，此处为了减小其对检测过程水力学的 影响，并且依据所使用的丝网印刷的电极，通过上述进行计算，采用长 度为2cm，高度为100μm，宽度为400μm的规格，可根据实际情况进行 调节。
本方案的具体实施过程：将丝网印刷电极11连接到电化学工作站， 然后再将信号进一步反馈至电脑上，通过配套软件可实现浓度变化的直 接呈现。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理等方案的 说明。同时，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特 定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下， 由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例 如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进 行互相替换而形成的技术方案。

Claims (3)

1.水环境中多种重金属离子检测的膜基微流控耦合芯片，包括上片芯片(1)和下片芯片(2)，其特征是：所述上片芯片(1)上分布包括有进液口(3)、微通道(4)、一号储液仓(5)、出液口(7)，所述一号储液仓(5)通过微通道(4)左右两侧分别与进液口(3)和出液口(7)连接，所述一号储液仓(5)下部通过胶与一号垫片(6)连接，所述下片芯片(2)上分布有二号储液仓(10)，所述二号储液仓(10)上下两面通过胶分别与二号垫片(9)和三号垫片(12)连接，所述一号垫片(6)与二号垫片(9)之间通过夹合的方式连接有阳离子交换膜(8)，其特征是：
所述三号垫片(12)下方通过夹具与丝网印刷电极(11)连接，所述一号储液仓(5)、阳离子交换膜(8)、二号储液仓(10)和丝网印刷电极(11)组成检测区域；
所述丝网印刷电极(11)的工作电极尺寸为3mm，电极的扩散层厚度可由下式计算:
δ-1＝(πDt)-1/2+r-1
δ为电极表面扩散层厚度,D为分析物扩散系数,t为实验时间间隔,r为微电极半径；
样品体积与标准电化学生物传感器响应之间的关系式为:
Vs＝A×d
式中,Vs为通道测试所需最小体积,A为检测区的表面积,d为通道深度。
2.根据权利要求1所述重金属离子检测的膜基微流控耦合芯片，其特征是：所述一号垫片(6)、二号垫片(9)和三号垫片(12)的材质均为橡胶材质。
3.根据权利要求1所述重金属离子检测的膜基微流控耦合芯片，其特征是：所述一号储液仓(5)下表面向上凹陷，所述二号储液仓(10)上表面向下凹陷，所述一号储液仓(5)和二号储液仓(10)两者相对组成圆柱形储液仓。
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