微流动注射法检测痕量铬及对大学生科技创新能力的培养

任春艳, 于曙光, 马圆圆, 吴言凌， 师进生

(青岛农业大学 化学与药学院, 山东 青岛 266109)

1 实验项目和实验原理

近年来,为提高大学生科技创新能力和科技创新意识的大学生科技创新项目在各大高校中得到大力推广。学生通过走进实验室,参与教师的科研项目,不仅开阔了眼界,接触到了许多前沿科技,而且可以把课本上学到的理论和实验现象、实验结论相结合,从而达到使理论指导实验,实验反过来验证理论的目的[1-2]。我校应用化学专业大二学生刚刚学习了仪器分析课程中的流动注射,在仪器分析实验课程中学习了金属离子检测,我们试图通过该实验把二者有效地结合,提高分析方法的灵敏度,减少试剂使用量,尽量实现金属离子的现场实时测定。

微流控芯片是把一整套化学分析实验室浓缩放到一个几平方厘米的小芯片上,加入压力使液体流动,从而实现对待测物质进行化学实验分析的目的[3]。由于微流控芯片技术具有试剂消耗少、测试速度快、仪器质量轻等优点,近年来在化学、环境科学、生命科学、食品科学等学科中得到了广泛应用[4-6]。而建立在微流控芯片基础上的微流动分析技术,克服了传统流动分析技术试剂用量大、产生废液多、实验管路又长又粗等缺点,实验的精密度和灵敏度也有所提高。化学发光分析法常与流动注射结合使用[7-9],鲁米诺-H2O2体系是最常用的发光体系之一,催化剂(如金属阳离子)会特别迅速地加快其反应速率[10-11],从而在几十秒内就可以使发光强度达到最大。基于以上原理,本文提出一种建立在微流控芯片基础上的微流动注射技术,采用铬离子催化鲁米诺- H2O2体系发光,通过测定发光强度检测水体中的痕量铬离子。

混合对一个化学反应是最基本的,也是最重要的,尤其对微流控芯片这样一个只有几平方厘米的体系而言。其用于反应的通道很窄,只有几百微米,所用的试剂量也极少,只有几十微升,因而反应液之间的混合至关重要。本文设计并制作了一种双扇形微流控芯片,第一个扇形结构有效增加了通道长度,提高了混合效果,第二个扇形结构使发光区域面积增大,可有效增大反应灵敏度,从而实现对水体中铬的实时测定。

2 实验过程

2.1 玻璃芯片的设计及制作

学生在接到科研任务后,首先查阅了大量相关文献,再经过与教师的讨论,决定采用传统光刻和湿法刻蚀技术合成微流控芯片。经过绘图—曝光—显影—除铬—刻蚀—切割—除铬—键合等一系列步骤,在本院实验室中成功制作了玻璃微流控芯片,其通道结构如图1所示。为验证该芯片的混合效果,利用恒流泵分别将氢氧化钠溶液和酚酞的乙醇溶液引入芯片,通过体视显微镜观察并记录微通道中粉红色液流的宽度,根据式(1)可计算出微混合器的混合程度[12]。在流经第一个扇形结构混合单元后,粉红色液流就充满了整个通道,计算可得该微混合器的混合效果达到100%,表明氢氧化钠和酚酞已全部混合均匀。由此可以证明芯片制作成功,可用于下一步的测试实验。

(1)

实验时使鲁米诺和H2O2分别由A、B两入口进入通道,混合后进入第一个扇形结构区域,随后在S口注入Cr3+溶液,与鲁米诺和H2O2完全混合后,流入第二个扇形结构区,此时铬离子催化鲁米诺-H2O2体系发光,光电倍增管接收光信号。废液经W口流出。我们设计的微流控芯片中,扇形区域为回形结构,有效拉长混合长度,其总长为19.5cm,可以充分保证鲁米诺和H2O2混合完全。因为扇形结构区域面积较大,能增大发光强度,从而可提高检测结果的灵敏度和精密度。

图1 扇形构造的微流控芯片(尺寸单位:mm)

2.2 实验方法

2.2.1 溶液的配制

(1) 鲁米诺母液的配制。分析天平准确称取0.177 2g鲁米诺固体,溶于2mL的1mol/L的NaOH溶液中,溶解后转移到100mL的容量瓶中,定容刻度,摇匀。该母液应避光冷藏保存。

(2) 过氧化氢母液配制。准确吸取102μL30 %的H2O2溶液于100mL容量瓶中,再加入超纯水定容至刻度。避光保存。

(3)Cr3+母液的配制。用分析天平称取0.2665gCrCl3·6H2O,加入少量硝酸,溶解定容至100mL。由于玻璃瓶对Cr3+有吸附性,所以配好的Cr3+母液需放在塑料瓶中。

2.2.2 实验方法

实验所用的鲁米诺溶液和过氧化氢溶液应现用现配,鲁米诺溶液可由其储备液稀释到实验所需浓度。首先,向芯片的A、B两入口通过恒流泵,以一定流速分别通入鲁米诺溶液和过氧化氢溶液,在S入口以相应流速通入超纯水；等到电脑显示器上的数值趋于平稳时,通过六通阀注射Cr3+样品,超纯水携带Cr3+离子溶液进入到芯片检测区；进入检测区的Cr3+催化已混合好的鲁米诺和H2O2发生化学发光,光信号由光电倍增管收集,传递到N2000色谱工作站(赛智科技(杭州)有限公司)进行数据处理。

3 实验结果与讨论

3.1 条件实验

3.1.1 反应物含量对化学发光强度的影响

有诸多因素会影响化学发光强度数值,尤其是反应底物的浓度,所以需要对鲁米诺和H2O2的含量进行优化选择。利用双因素实验,同时调节鲁米诺和H2O2的质量浓度,使之分别在1.0×10-4～8.0×10-4mol/L和4.0×10-3～2.0×10-2mol/L之间,加入1.0×10-10mol/L铬离子溶液,检测其化学发光强度,其结果如表1所示。

由表1可以知道,随着鲁米诺和H2O2质量浓度的增大,化学发光强度逐渐增强,当二者浓度分别为5.0×10-4mol/L和1.0×10-2mol/L时,发光强度达到最大。此后随鲁米诺和H2O2浓度继续增大,化学发光强度反而有所下降。这可能是由于鲁米诺含量过高时,会有少许鲁米诺溶液被吸附在芯片的通路上,从而降低实际参与反应的鲁米诺含量；H2O2含量过高时,在碱性环境下,H2O2会部分被解离生成氧气离开反应体系,从而减少了参加反应的H2O2的含量。因此,确定使用鲁米诺和H2O2浓度分别为5.0×10-4mol/L和1.0×10-2mol/L。

表1 鲁米诺和H2O2的浓度对发光强度的影响 mV

3.1.2 流速和通道宽度对化学发光强度的影响

鲁米诺和H2O2在有金属离子参与催化时,反应速度很快,一般在50 s内发生反应发光,而且此时发光强度最强,随后又会减弱。由于此反应的时间很短,因此反应试剂流速的选择也是相当重要的。同时,相同流速的液体流经不同宽度芯片时,也会使单位面积芯片中反应物浓度不同。也就是说,反应物流速和芯片宽度会共同影响发光强度。因此,固定鲁米诺和H2O2浓度分别为5.0×10-4mol/L和1.0×10-2mol/L,通入1.0×10-10mol/L铬离子溶液,调节鲁米诺和H2O2的流速分别为20、40、60、80、100 μL/min,相应调节超纯水流速,同时采用不同宽度的微流控芯片,其通道宽度分别为100、200、300和400 μm,检测其化学发光强度,其结果如表2所示。

表2 液体流速和通道宽度对发光强度的影响 mV

通道宽度/μm发光强度液体流速/μL·min-1204060801001002189126120105200662223983803613008534852651850640073301483472453

由表2可知,随着鲁米诺和H2O2流速的加快以及通道宽度的增大,化学发光强度迅速增大。可能是由于流速和宽度增加时,将更多的鲁米诺和H2O2注入芯片,浓度增大,因而发光强度增大。但当流速大于60 μL/min,通道宽度大于300 μm后,化学发光强度开始下降。这可能是由于流速的增加,会让反应物质在微流控芯片测试区的滞留时间变短,而宽度增加则会使反应物浓度减小,使检测灵敏度降低。综合考虑以上各种因素的影响,选择鲁米诺和H2O2的流速为60 μL/min,相应超纯水流速为120 μL/min,微流控芯片的通道宽度为300 μm。

3.2 铬离子的标准曲线及检出限

在上述实验条件下,通入不同浓度铬离子标准溶液,测定其发光强度。每个试样平行测定3次,取平均值,以发光强度对铬离子浓度作图得标准曲线,如图2所示。由图2可见,线性方程为:I= 1.48 × 1010c+138.3(R2= 0.996,I: 发光强度(mV),c: Cr3+浓度(mol/L)),线性范围1.0×10-11～ 1.0×10-8mol/L,跨越3个数量级。同时对空白试样连续进样7次,计算标准偏差S,随后用3倍的标准偏差(3S)除以线性方程的斜率,计算得到该方法的检出限是7.91×10-12mol/L,说明该方法的灵敏度很高。

图2 Cr3+的标准曲线

3.3 精密度实验

上述铬离子的标准曲线和检出限说明,该方法测定铬离子准确度和灵敏度均很高,而重复性实验可以验证其精密度。由此对质量浓度为1.0×10-8mol/L 的铬离子溶液连续进样7次,测定其发光强度,并通过标准曲线换算浓度,计算标准偏差和相对标准偏差,其结果如表3所示。该方法的标准偏差为3.89×10-10,相对标准偏差为3.81%,精密度良好。

4 结语

本文利用大二应用化学专业学生的大学生科技创新项目,在普通实验室中,学生自己设计并制作了扇形结构的玻璃微流控芯片。在保证100%混合效果的基础上,利用碱性条件下Cr3+催化鲁米诺-H2O2发光体系,采用微流动注射分析法,对水体中的铬离子进行了测定。所得结果如下:

表3 精密度实验

(1) 探讨了鲁米诺浓度、H2O2浓度及流速和微流控芯片通道宽度等实验条件,对发光强度的影响,得到最佳实验条件为:鲁米诺浓度为5.0×10-4mol/L,过氧化氢浓度为1.0×10-2mol/L,二者流速为60 μL/min,微流控芯片的通道宽度为300 μm。

(2) 在上述最佳条件下,确定Cr3+的标准曲线I= 1.48 × 1010c+138.3(R2=0.996,I: 发光强度(mV),c: Cr3+浓度(mol/L)),线性范围是1.0×10-11～ 1.0×10-8mol/L,线性范围较大,相关性良好。

(3) 精密度实验表明,标准偏差和相对标准偏差分别是3.89×10-10和3.81%,检出限是7.91×10-12mol/L,精密度良好,检出限很低。

综上所述,该实验方法有测定速度快、溶液用量少、仪器简单、便于携带等优点,同时实验准确度、灵敏度和精密度均很高,而检出限很低,因此是一种十分有前途的测定方法。如能有效去除水体中其余金属离子的干扰,则有望实现痕量铬离子的现场测定,同时也为其他金属离子的检测提供借鉴。

通过该创新性实验项目,使大学生参与到教师的科研项目中来,学生学到了很多书本上没有的知识,知识面得到有效拓宽,对全面提高学生的专业素养和科研能力起到了很好的作用。