基于液流控集成芯片的總磷在線分析儀的研制

朱志芳 樊小燕 王 鋼 蘇益華 秦 楓 洪陵成

（1.南京納摩爾儀器有限公司，南京 211103；2.江蘇省環(huán)境保護水質(zhì)在線監(jiān)測工程技術(shù)中心，南京 211103）

1 前言

微流控芯片又稱為微全分析系統(tǒng)或芯片實驗室，其概念由Manz等[1]提出，其目的是通過化學分析設備的微型化與集成化，最大限度的把分析儀器的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、混合、消解反應、檢測等集成到微小芯片上，用微電子處理微光電信號，實現(xiàn)高度集成化、自動化的多通道快速分析，是當今前沿分析技術(shù)之一[2-5]。因此，微流控芯片技術(shù)天然與便攜化、現(xiàn)場分析相適應，在環(huán)保監(jiān)測、醫(yī)藥衛(wèi)生分析測試領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

然而，微流控芯片具有的兩個特點使得微流控芯片技術(shù)難以應用到常量的水質(zhì)分析儀器：一是微流控芯片的通道為微通道，進樣體積通常在納升或皮升級，不允許顆粒物進入，但常規(guī)水質(zhì)檢測時往往需要允許≤1mm的顆粒物通過通道進入反應腔體；二是微流控芯片的材質(zhì)通常為聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯、聚苯乙烯等[5]有機物聚合材料，一般難以在高溫、高壓、強酸、強堿的條件下具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能。

為解決現(xiàn)有微流控芯片技術(shù)的不足，特研制了一種基于全陶瓷的液流控芯片，使其具有水力學光滑管壁的液流型通道，可允許≤1mm的顆粒物通過通道進入反應腔體；另一方面可以實現(xiàn)在175℃的強酸條件下進行高溫高壓密閉消解，使其能應用在總磷在線分析儀上，具有體積小、重量輕、試劑消耗量少、二次污染少的特點，在一定程度上推進了水質(zhì)在線分析儀的進步。

2 方法與實驗

2.1 儀器與試劑

紫外-可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)；電子天平(北京賽多利斯天平有限公司)；無油空氣壓縮機（上海捷豹壓縮機制造有限公司）；電磁閥(深圳墾拓流體控制有限公司)；觸摸屏(上海繁易信息科技有限公司)；液流控集成芯片、精密注射泵(均為江蘇德林環(huán)保技術(shù)有限公司)。

本實驗所用試劑均為分析純，實驗用水為自制蒸餾水。

2.2 方法原理

總磷檢測基于國標法-鉬酸銨分光光度法（GB/T11893-89），即在中性條件下用過硫酸鉀使消解試樣，將磷物質(zhì)全部氧化成正磷酸鹽，在酸性介質(zhì)中，正磷酸鹽與鉬酸銨在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，被抗壞血酸還原，生成藍色的絡合物，在波長700nm處有最大吸收峰，進行吸光度檢測，根據(jù)不同吸光度對應不同濃度求出磷酸鹽的含量。

2.3 儀器分析系統(tǒng)設計

2.3.1 液流控集成芯片的設計

不同職稱的鄉(xiāng)村教師在學生、課程、教學、教師角色四個維度的信念以及教師教育信念的整體層面不存在顯著差異(p>0.05)。在教育目的信念上(p=0.002，p<0.05)，不同職稱的教師之間存在顯著差異，中教一級教師得分最低，中學正高級教師得分最高。這是因為中學一級教師大多是有10～20年教齡的熟手教師，深受應試教育思想的影響，特別注重對學生進行知識的傳授，強調(diào)成績，教育信念較為陳舊。而中學正高級教師，他們有著較為豐富的教學實踐經(jīng)歷，善于總結(jié)自己在教學中的經(jīng)驗教訓。

總磷在線分析儀是基于液流控集成芯片技術(shù)研發(fā)的在線檢測設備，液流控集成芯片是由一系列微管道、微反應腔體、光電檢測單元組成的陶瓷集成塊，并將該集成塊安裝在一個多通道選擇閥的集成芯片。集成芯片的設計原則是能完成總磷分析各步驟所要求的所有單元操作，集成芯片上包含中心控制管道，不同用途的試劑通道以及微型反應腔體等，其具體結(jié)構(gòu)如已授權(quán)的專利[6](專利號 ：ZL202210935629.X)所述,外觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 液流控集成芯片示意圖

該液流控集成芯片將進樣、混合、消解反應、檢測等功能集成到上述圖1液流控芯片上，中心控制管道可以分別與7位多通道選擇閥的出口及內(nèi)部的反應腔體連通，中心孔通過儲存管與精密注射泵連通，7位多通道選擇閥的出口通過連接管與試劑、水樣、廢液、空氣口連通，構(gòu)成一個分析系統(tǒng)。

2.3.2 儀器分析流路的設計

本總磷在線分析儀的流程圖如圖2所示。

圖2 分析流路圖

按照圖2的分析流路，以注射泵為定量單元，以液流控集成芯片為流路切換、加熱消解單元，以發(fā)光二極管為光源，以硅光電池為檢測器。通過動力系統(tǒng)精密注射泵定量抽取水樣及各試劑至反應室R，并且在反應室進行高溫高壓密閉消解，反應冷卻后，再通過注射泵定量抽取相關(guān)試劑至反應室R進行顯色反應，顯色后，比色檢測模塊檢測反應物的吸光度。檢測完畢，通過注射泵排出反應室內(nèi)的試劑，并對反應室進行清洗，然后通過內(nèi)置的標準曲線，得出總磷的濃度值。

2.3.3 控制電路的設計

總磷在線分析儀系統(tǒng)控制電路包括控制系統(tǒng)設計以及電路主圖設計、單片機電路設計、通訊電路、信號采集電路、電源電路、開關(guān)控制電路、加熱開關(guān)控制和溫度讀取電路等。信號采集電路采用雙光束檢測原理，消除溫度對光源的影響，使檢測的光源信號更穩(wěn)定。

本總磷在線分析儀結(jié)構(gòu)為長×寬×高=232mm×200mm×150mm，重量小于2.5kg，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，外觀結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 總磷在線分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 總磷在線分析儀外觀圖

總磷在線分析儀主要由控制中心、自動化學分析模塊、加熱消解模塊、比色檢測模塊、數(shù)據(jù)顯示/存儲/傳輸模塊等組成。控制中心包含精密注射泵與液流控集成芯片的控制驅(qū)動電路、比色檢測信號處理電路、溫度控制電路、I/O 接口（（4～20）mA，RS-232/485，開關(guān)量）等，分析儀通過控制中心控制化學試劑的加入、樣品加熱消解、顯色信號采集、計算、顯示、存儲、傳輸?shù)?。加熱消解與比色檢測都是嵌入在化學分析流路的分析過程中的。分析儀結(jié)構(gòu)組成框圖如圖5所示。

圖5 總磷在線分析儀系統(tǒng)組成框圖

3 結(jié)果與討論

3.1 液流控集成芯片的密封耐壓研究

按照國標法測定總磷的要求，需要在高壓鍋內(nèi)進行高溫高壓消解，為了研究其耐壓性能，用四氟管將氣泵上的空氣引出并與集成芯片上的中心孔連接，將集成芯片切換至高溫高壓消解狀態(tài)的密閉位置，將其放置在水中，并且盛裝的水沒過該芯片，開啟空氣壓縮機直至達到0.8Mpa，觀察該芯片各出口是否有氣泡產(chǎn)生。經(jīng)試驗驗證，該芯片各出口均無氣泡產(chǎn)生，即證明該芯片耐壓不小于0.8MPa，完全滿足總磷在線分析儀對水樣消解的要求。

3.2 試樣的反應與混合腔體研究

試樣混合與反應腔體橫截面一般為為三角形，梯形、正方形、半圓形、半橢圓形或者它們的組合。根據(jù)流體力學里的Concus-Finn理論，當流體在壁面上的接觸角與楔角的一半之和不超過π/2時，流體會自發(fā)的沿楔角流動。

為了阻止這種沿楔角的自發(fā)流動，一條途徑可以對反應腔體表面進行化學改進，然而在反應腔體往往涉及到高溫高壓、強酸強堿條件的消解，會破壞改性后的反應腔體，從而并不適用于水質(zhì)總磷、化學需氧量的檢測分析。另外一條途徑是改變反應腔體的局部幾何形狀，以增大楔角的角度，或者打斷楔角的存在。比較常用的手段是在楔角上做出凹陷的缺口或者突出的犄角，它們一方面暫時打斷了楔角的延伸，另一方面又形成了新的楔角，只是這些新的楔角都大于π，也就保證了自發(fā)流動不能再繼續(xù)。本研究遵循上述流體力學原理，對反應與混合腔體的幾何結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整改進，解決了流體沿微管道自發(fā)流動的難題，在該反應腔內(nèi)，可以實現(xiàn)空氣混合各反應液體，使各反應試劑能充分混合，反應完全。

3.3 分析儀的功能設定

在日常使用時，分析儀需要執(zhí)行標定、測量、試劑輸送、廢液排空以及清洗等動作。其中，標定、測量和清洗可分為自動和手動兩個模式，用戶可根據(jù)需要設定自動標定、測量以及清洗的時間，也可以根據(jù)需要單獨選擇手動需要執(zhí)行的動作。此外，本分析儀可集成到微型水站，使微型水質(zhì)自動監(jiān)測站更小、更輕，在偏遠山區(qū)、偏遠水域發(fā)揮其優(yōu)勢。

3.4 分析儀性能

3.4.1 檢出限

本儀器在測定檢出限時，根據(jù)《合格評定化學分析方法確認和驗證指南》（GB／T 27417-2017），加入至少最低可接受濃度的樣品空白獨立測試10次，計算出檢測結(jié)果的標準偏差（s），以3s的定量表示方法驗證儀器的最低檢出限。

因此根據(jù)該標準，配制總磷濃度為0.02mg/L的標液，對其重復測量15次，記錄儀器的測定值,測定結(jié)果見表1所示，計算儀器的檢出限[7],測定結(jié)果表明，檢出限為0.004mg/L，根據(jù)慣例，以10倍的檢出限為測定下限計算，則定量下限為0.04mg/L。

表1 檢出限測定結(jié)果

3.4.2 標準曲線

分別配制濃度為0、0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L、2.0mg/L的總磷標準溶液，利用研制的總磷分析儀進行測定，以濃度值為橫坐標、吸光度值為縱坐標繪制標準曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 標準曲線

由圖6可知，水樣中總磷濃度在0～2mg/L的范圍內(nèi)時，測得的標準曲線具有良好的線性，其線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9999，線性回歸方程為：y=4214x+0.0067，其中，x為總磷濃度值，y為吸光度值。

3.4.3 示值誤差

取總磷濃度0.4mg/L、1.6mg/L的標準溶液為樣品，每個標準樣品連續(xù)測定6次，計算每個標準溶液6次測定值的平均值與已知標準溶液濃度的相對誤差，取兩個標準溶液相對誤差值較大值作為示值誤差的判定值，測定結(jié)果如表2所示，0.4mg/L與1.6mg/L的標樣的示值誤差分別為0.75%、0.13%，即本分析儀的示值誤差為0.75%。

表2 總磷分析儀直線性測定結(jié)果

3.4.4 精密度

在0～2mg/L的量程范圍內(nèi)，取總磷濃度為1.6mg/L的標準溶液，在分析儀上連續(xù)測定6次，結(jié)果如表3所示，本總磷在線分析儀的精密度為0.15%。

表3 總磷分析儀精密度測試結(jié)果

3.4.5 量程漂移

量漂測試過程中，采用濃度為80%的最大量程值的標準樣品作為量程校正液，即濃度為1.6mg/L的總磷標準樣品為量程校正液，于零點漂移前后分別測定3次，計算變化幅度相對于最大量程值的百分率，測定結(jié)果如表4所示，本分析儀的量程漂移為0.05% F.S。

表4 總磷分析儀的量程漂移測試結(jié)果

3.4.6 準確度的測定

采用有證的環(huán)境標準樣品（GSBZ50033-95 203948，0.535±0.022mg/L與GSBZ50033-95 203949，1.3±0.05mg/L）進行測試，測試結(jié)果如表5所示。測試結(jié)果表明，儀器準確度良好。

表5 總磷分析儀的準確度測試結(jié)果

4 結(jié)論

成功研制的基于液流控集成芯片技術(shù)的總磷在線分析儀，突破了現(xiàn)有微流控芯片技術(shù)的瓶頸，攻克了試樣反應與混合、耐酸堿與耐高溫高壓以及與之適應液流控系統(tǒng)的光電檢測技術(shù)難關(guān)。研制的總磷分析儀在0～2mg/L的量程范圍內(nèi)，標準曲線的R2值為0.9999;檢出限為0.04 mg/L；示值誤差在0.75%以內(nèi)；精密度為0.15%；量程漂移為0.05% F.S，其性能滿足需求，可以擴展檢測其他類別的污染物，如重金屬、營養(yǎng)鹽、有機污染物等，使其在生態(tài)環(huán)境檢測分析領(lǐng)域具有較高的應用價值和市場效應。