一种微流控传感芯片的制作方法

1.本实用新型涉及纸基微流控技术领域，特别是涉及一种用于检测水质重金属离子浓度的微流控芯片。


背景技术：

2.由于工业发展引起的水质重金属污染问题日益严峻，因此实现对水质重金属离子浓度的痕量检测十分必要。
3.微流控芯片基于电化学检测技术可以用于水质重金属离子浓度的痕量检测。而现有的电化学检测方法通过将待测物的化学信号转换为电信号输出，实现对目标物的灵敏检测，可通过化学修饰电极表面或通过控制工作电极电位有选择性地吸附目标待测物，达到对待测物高灵敏、高选择性地检测。但是当前电化学方法检测重金属的灵敏度和准确性还有待提高。
4.基于此，本领域亟需一种可以准确检测水质重金属离子浓度的微流控传感芯片。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种微流控传感芯片，以快速且准确地实现对水质重金属离子浓度的痕量检测。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
7.一种微流控传感芯片，包括：
8.离子印迹膜，用于吸附样品中的重金属离子；
9.所述离子印迹膜四周紧贴设置旋转部件；
10.所述旋转部件四周设置多个第一亲水通道和多个第一疏水通道；
11.任意一个所述第一疏水通道上设置有第一孔眼；
12.所述旋转部件旋转至第一位置时，所述样品从第一亲水通道流入至所述离子印迹膜；
13.所述旋转部件旋转至第二位置时，冲洗下来的重金属离子液体从所述离子印迹膜流入至所述第一孔眼；
14.所述第一孔眼的正下方设置电极；
15.所述电极用于检测所述冲洗下来的重金属离子液体中的重金属离子。
16.可选的，还包括：
17.第一基板和第二基板；
18.所述第一基板与所述第二基板堆叠连接；
19.所述离子印迹膜黏贴在所述第一基板上；
20.所述第一亲水通道和所述第一疏水通道在所述第一基板上；
21.所述第一孔眼与所述第一基板上的第二孔眼对齐；
22.所述旋转部件，位于所述第一基板上，通过旋转轴可旋转连接于所述第一基板；
23.所述电极黏贴在所述第二基板上；
24.所述电极位于所述第二孔眼的正下方。
25.可选的，所述旋转部件包含旋转孔、第二亲水通道和第二疏水通道；
26.所述旋转孔用于安装旋转轴；
27.所述旋转部件旋转至所述第二亲水通道与所述第一亲水通道连通时，所述样品从所述第一亲水通道流入至所述离子印迹膜；
28.所述旋转部件旋转至所述第二亲水通道与所述第一孔眼连通时，所述冲洗下来的重金属离子液体从所述离子印迹膜流入至所述第一孔眼。
29.可选的，所述旋转部件、所述第一基板和所述第二基板的材料为滤纸。
30.可选的，所述第一亲水通道和所述第二亲水通道分别为所述第一基板和所述第二基板未打印蜡的区域；所述第一疏水通道和所述第二疏水通道分别为所述第一基板和所述第二基板打印蜡的区域。
31.可选的，在任意一个所述第一亲水通道上黏贴过滤膜，并将贴有所述过滤膜的第一亲水通道作为样品滴加区。
32.可选的，所述旋转部件的个数为两个，所述旋转部件的形状为半圆环；两个所述旋转部件组成的圆环的内圆大小等于所述离子印迹膜的大小。
33.可选的，所述第二基板上还设置有第一废液池和第二废液池；
34.所述第一废液池，位于除样品滴加区的其他所述第一亲水通道的下方；
35.所述第二废液池位于所述电极的下方。
36.可选的，所述离子印迹膜、过滤膜和旋转部件的总体大小不大于所述第一基板。
37.可选的，所述电极为纸基电极。
38.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
39.本实用新型添加了两个可旋转部件，并结合离子印迹膜特异性吸附的特点，使得电化学检测的灵敏性和准确性大大提高；
40.本实用新型将第一基板、第二基板、电极、旋转部件、过滤膜等的材料设置为纸质材料设计了一种纸基芯片，利用纸具有极强的亲水特性以及纸特殊的多孔结构使得纸具有独特的毛细作用，在对水样检测时可以不需借助泵或其他的外部驱动力就可以使液体流动，操作简单，方便携带，成本低廉，可以做到户外实时监测；同时，使用过的纸基芯片容易被处理，绿色环保，降低对环境的污染。
41.本实用新型的方案设计简单，仅需两张滤纸，一台喷蜡打印机和一个离子印迹膜，实验操作同样简单，不需要专业人士拿回实验室分析处理。
附图说明
42.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本实用新型实施例1提供的一种微流控传感芯片第一基板的结构图；
44.图2为本实用新型实施例1提供的一种微流控传感芯片第二基板的结构图；
45.图3为本实用新型实施例2提供的一种纸基微流控传感芯片的结构图；
46.图4为本实用新型实施例2提供的一种纸基微流控传感芯片的立体图；
47.图5为本实用新型实施例2提供的一种纸基微流控传感芯片对水质重金属离子检测的步骤示意图；
48.符号说明：1a
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离子印迹膜，2a
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旋转部件，3a、4a
‑
第一亲水通道， 5a、6a
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第一疏水通道，7a
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第一孔眼，8a
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旋转孔，9a
‑
第二疏水通道， 10a
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第二亲水通道，11a
‑
第一基板，12a
‑
第二基板，13a
‑
电极，14a
‑ꢀ
第二废液池，15a
‑
第一废液池，1、23
‑
第二亲水通道，2、5
‑
旋转部件上的旋转孔，3
‑
圆形离子印迹膜，4
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过滤膜，6
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功能区，7、16
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第一亲水通道，8
‑
第一基板，9
‑
第二基板，10
‑
第二废液池，11
‑
第一废液池，12
‑
电极，13
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第一孔眼，14
‑
第二孔眼，15、26、27
‑
第一疏水通道，17、22
‑
旋转部件，18、19
‑
第一基板上的旋转孔，20、21
‑
第二基板上的旋转孔，24、25
‑
第二疏水通道。
具体实施方式
49.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
50.本实用新型的目的是提供一种微流控传感芯片，以快速且准确地实现对水质重金属离子浓度的痕量检测。
51.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
52.实施例1：
53.针对当前电化学方法检测重金属的灵敏度和准确性不足的缺陷，选择有效的修饰剂和修饰方法是解决该问题的关键。而离子印迹技术的高选择性和高灵敏性恰好能够弥补目前电化学检测的不足。离子印迹聚合物是一类具有特异识别性能的吸附材料。离子印迹聚合物可以主要针对特定的模板离子，使其与功能单体通过一定的作用力相互结合，并在交联剂的作用下交联聚合成具有稳定结构的离子印迹聚合物，再用物理或化学的方法，使模板离子洗脱，从而形成一个与印迹离子孔径、大小及形状高度匹配的印迹孔穴，具有对某一种重金属特异性吸附的能力。
54.对此本实用新型联合离子印迹膜和电化学检测方法设计了一种微流控传感芯片，以用于对重金属离子快速痕量检测，其结构如图1 和图2所示，包括：
55.第一基板11a和第二基板12a；
56.第一基板11a与第二基板12a堆叠连接；
57.第一基板11a上设置有一形状为正方形的离子印迹膜1a、旋转部件2a、第一亲水通道3a、4a、第一疏水通道5a、6a和第二孔眼(图中未示出)；
58.离子印迹膜1a黏贴在第一基板11a上，用于吸附样品中的重金属离子；
59.离子印迹膜1a四周紧贴设置旋转部件2a；
60.旋转部件2a四周设置多个第一亲水通道3a、4a和多个第一疏水通道5a、6a；
61.选取第一亲水通道3a上黏贴过滤膜(未示出)，并将贴有过滤膜的第一亲水通道3a
作为样品滴加区；
62.任意一个第一疏水通道6a上设置有第一孔眼7a；
63.第一孔眼7a与第一基板上的第二孔眼对齐；
64.旋转部件2a位于第一基板11a上，通过旋转轴可旋转连接于第一基板11a，包括旋转孔8a、第二亲水通道10a和第二疏水通道9a；
65.旋转孔8a用于安装旋转轴；
66.旋转部件2a旋转至第二亲水通道10a与第一亲水通道3a连通时，样品从第一亲水通道3a流入至离子印迹膜1a；
67.旋转部件2a旋转至第二亲水通道10a与第一孔眼7a连通时，冲洗下来的重金属离子液体从离子印迹膜1a流入至第一孔眼7a；
68.第二基板12a上设置有电极13a、第一废液池15a和第二废液池 14a；
69.第一孔眼7a和第二孔眼的正下方设置电极13a，电极13a黏贴在第二基板12a上，用于检测冲洗下来的重金属离子液体中的重金属离子。
70.第一废液池15a，位于第一亲水通道4a的下方；
71.第二废液池14a位于电极13a的下方。
72.作为一种可选的实施方式，当第一基板11a、第二基板12a和旋转部件2a为玻璃、硅等不能透水的材料时，第一亲水通道3a、4a和第二亲水通道10a可以为第一基板11a和旋转部件2a中设置通道或者孔，以保证液体的流通，而第一疏水通道5a、6a和第二疏水通道 9a无需额外设置，将第一基板11a和旋转部件2a中没有通道或者孔的区域设置为第一疏水通道5a、6a和第二疏水通道9a即可。
73.作为一种可选的实施方式，旋转轴可以选用任何材料，例如铆钉等，只需保证旋转部件2a可以通过旋转轴旋转即可，同时旋转轴用于固定旋转部件2a和第一基板11a。
74.需要注意的是，本实施例并不对第一基板11a、第二基板12a、旋转部件2a、第一疏水通道5a、6a、第二疏水通道9a、第一亲水通道3a、4a、第二亲水通道10a和离子印迹膜1a的形状做任何限定，只需保证其如上述描述的位置关系以及相对大小关系即可，图1和图2只是本实用新型可以实施的一种结构而已。
75.另外还需要注意的是，本实施例也不对旋转部件2a、第一疏水通道5a、6a、第二疏水通道9a、第一亲水通道3a、4a和第二亲水通道10a的个数做任何限定，在微流控芯片的结构设计时，只需保证旋转部件2a旋转时，第二亲水通道10a与第一亲水通道3a连通，样品可以从第一亲水通道3a流入至离子印迹膜1a；旋转部件2a旋转时，第二亲水通道10a与第一孔眼7a连通，冲洗下来的重金属离子液体可以从离子印迹膜1a流入至第一孔眼7a。
76.本实用新型通过添加了可旋转部件，并结合离子印迹膜特异性吸附的特点，使得电化学检测的灵敏性和准确性大大提高。
77.实施例2：
78.传统的微流控芯片通过微电子机械系统技术在几厘米大的玻璃、硅、有机聚合物等基底材料上制作沟道、微储液池、微混合器等多种结构，借助微泵微阀等功能模块使样品沿着微流通道运送至反应区和检测区，实现样品的制备反应、检测等操作。然而该方法制备工艺和检测过程较为复杂。和传统的玻璃、石英等微流控基底材料相比，纸基亲水性好、绿色环保，更易实现微型化、便携化，制作成本低、生物兼容性好，无需外力驱动，仅依靠其自
身的毛细作用即可实现样品的储存、混合和流动，同时纸基还解决了以往微流控芯片需要使用复杂外部仪器实现加工和定量分析的局限性。但是目前纸基的研究大多处于实验室研发阶段还没有普及市场。
79.对此，本实用新型还提供了一种纸基微流控传感芯片，参阅图3 和图4，包括：
80.第一基板8和第二基板9，其材料为纸，优选为滤纸，由于纸具有极强的亲水性，且纸特殊的多孔结构使纸具有独特的毛细作用，因此选取纸作为材料，可以不需借助泵或其他的外部驱动力使液体流动。
81.第一基板8与第二基板9堆叠连接；
82.第一基板8上黏贴有一直径为1cm的圆形离子印迹膜3，圆形离子印迹膜3用于吸附样品中的重金属离子；
83.圆形离子印迹膜3四周紧贴设置两个旋转部件17、22，旋转部件17、22的形状为半圆环，材料选用纸，优选为滤纸，两个旋转部件17、22组成的圆环的内圆大小等于圆形离子印迹膜3的大小，每个旋转部件22(或17)通过一个旋转轴与第一基板8旋转连接；
84.每个旋转部件22(或17)上设置有旋转孔2(或5)、第二亲水通道1(或23)和第二疏水通道24(或25)，由于旋转部件17、22 选用的材料为具有亲水性的纸，因此通过在旋转部件17、22上选取一部分区域(即旋转部件17、22材料本身)作为第二亲水通道1、 23，第二亲水通道1、23为待测样品提供流动的通道，通过在旋转部件17、22上的其他区域打印蜡形成第二疏水通道24、25，液体不能在第二疏水通道24、25流动；
85.旋转部件17、22四周设置两个第一亲水通道7、16和三个第一疏水通道15、26、27，第一亲水通道7、16和第一疏水通道15、26、 27的形状均为三角形，由于第一基板8选用的材料为亲水性的纸，因而在第一基板8上未打蜡的区域即为第一亲水通道7、16，打印蜡的区域则为第一疏水通道15、26、27，第一亲水通道7、16为待测样品提供流动的通道，液体不能在第一疏水通道15、26、27流动；
86.选取第一亲水通道16上黏贴有一形状为三角形过滤膜4，过滤膜4采用孔径为0.22μm的滤纸，并将贴有过滤膜的第一亲水通道16 作为样品滴加区；
87.在第一疏水通道26上设置有第一孔眼13；
88.旋转部件22旋转至第二亲水通道1与第一亲水通道16连通时，样品从第一亲水通道16流入至圆形离子印迹膜3；
89.旋转部件17旋转至第二亲水通道23与第一孔眼13连通时，冲洗下来的重金属离子液体从圆形离子印迹膜3流入至第一孔眼13；
90.第一孔眼13与第一基板上的第二孔眼14对齐，由于第一疏水通道26即为第一基板8材料本身，因此实际上第一孔眼13和第二孔眼 14为同一个孔眼；
91.第二基板9上设置有电极12、第一废液池11和第二废液池10；
92.第一孔眼13的正下方设置电极12，电极12采用纸基电极，电极12黏贴在第二基板9上，用于检测冲洗下来的重金属离子液体中的重金属离子。
93.第一废液池11，位于第一亲水通道7的下方；
94.第二废液池10位于电极12的下方。
95.进一步的，第一基板8上的功能区6的位置即为第一亲水通道7、 16、第一疏水通道15、26、27、圆形离子印迹膜3和旋转部件17、 22的总体安装位置，第一基板8上还包括旋转
孔18、19，第二基板 9上还包括旋转孔20、21，旋转孔18、19和旋转孔20、21均是为了安装旋转轴。
96.作为一种可选的实施方式，电极12由三部分组成：工作电极，对电极和参比电极。在重金属离子检测领域常用的是电化学检测方法中的溶出伏安法。溶出伏安的原理是给工作电极一个恒定电位使待测溶液里面的重金属离子发生电解然后富集到工作电极的表面上；在富集过程结束后，再对工作电极进行一个反向的电位扫描，使富集在工作电极表面的重金属元素重新溶解到待测溶液中，在这个溶解的过程中，电化学工作站会将具体的电流变化与电压之间的关系曲线记录下来即伏安曲线图，根据这个图即可对待测物质进行定量分析。
97.需要注意的是，第一基板8上除了由圆形离子印迹膜3、第一疏水通道15、26、27，第一亲水通道7、16和旋转部件17、22构成的五角星区域，其他区域也为疏水区域，第二基板9上除了第二废液池 10、第一废液池11和电极12区域，其他区域也为疏水区域。
98.还需要注意的是，本实施例与实施例1各部件虽然在形状和数量上有所差异，但是其各个部件相对大小以及相对位置关系是相同的。也就是说本技术也可设计成如实施例1中的形状，也可设计成其他形状，只需保证各个部件相对大小以及相对位置关系如本实施例和实施例1即可。
99.本实施例与实施例1的最大差别是第一基板8、旋转部件17、22、第二基板9和电极12的材料，本实施例利用纸具有极强的亲水特性以及纸特殊的多孔结构使得纸具有独特的毛细作用，在对水样检测时可以不需借助泵或其他的外部驱动力就可以使液体流动，操作简单，方便携带，成本低廉，可以做到户外实时监测；同时，使用过的纸基芯片容易被处理，绿色环保，降低对环境的污染。
100.另外，本实用新型的方案设计简单，仅需两张滤纸，一台喷蜡打印机和一个离子印迹膜，实验操作同样简单，不需要专业人士拿回实验室分析处理。
101.为了使本领域技术人员更加清楚地了解对水质重金属离子浓度的痕量检测，下述以图3所示的纸基微流控传感芯片为例进行阐释。
102.对水质重金属离子浓度的痕量检测过程分为三步：
103.1.如图5a所示，在样品滴加区滴加样品，通过旋转上半部的旋转部件22，使第二亲水通道1与样品滴加区连通，经过过滤的样品流入至圆形离子印迹膜3，经过一段时间的反应后，样品中待测的重金属离子会和圆形离子印迹膜上的印迹孔穴结合。
104.2.如图5b所示，在圆形离子印迹膜3上滴加去离子水，以去除该膜中样品的其他杂质，并在滴加该去离子水的同时，将上半部的旋转部件22进行旋转，直至第二亲水通道1与圆形离子印迹膜3和样品滴加区不再接触即可，以防止滴加去离子水的时候，去离子水通过第二亲水通道1进入过滤膜4，杂质和去离子水倒流回样品滴加区，造成下一次实验的污染，从而使得该纸基结构能重复使用。同时通过旋转下半部的旋转部件17，直至第二亲水通道23与第一亲水通道7 连通，滴加的去离子水以及杂质从圆形离子印迹膜3流入至第一亲水通道7，由于第一亲水通道7与第一废水池11是处于上下重叠位置，因此吸附了杂质的去离子水可以透过第一亲水通道7进一步流入第一废水池11；
105.3.如图5c所示，继续旋转下半部的旋转部件17，直至第二亲水通道23与第一孔眼13充分连通，同时在上个步骤处理完成的圆形离子印迹膜3上滴加洗脱液，使得圆形离子印
迹膜上的离子通过第一孔眼13直接进入电极12，进行溶出伏安法对于离子的检测。为了实现本设计的最优化，可以对该设计重复使用，检测完成后，通过第一孔眼13向电极12滴加溶液，清洗电极12上残留的杂质，以便下一次使用，此时冲洗的杂质会渗透落至第二废液池10中。
106.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
107.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。