基于液流控集成芯片的总磷在线分析仪的研制

朱志芳 樊小燕 王 钢 苏益华 秦 枫 洪陵成

（1.南京纳摩尔仪器有限公司，南京 211103；2.江苏省环境保护水质在线监测工程技术中心，南京 211103）

1 前言

微流控芯片又称为微全分析系统或芯片实验室，其概念由Manz等[1]提出，其目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度的把分析仪器的功能，包括采样、稀释、加试剂、混合、消解反应、检测等集成到微小芯片上，用微电子处理微光电信号，实现高度集成化、自动化的多通道快速分析，是当今前沿分析技术之一[2-5]。因此，微流控芯片技术天然与便携化、现场分析相适应，在环保监测、医药卫生分析测试领域具有广阔的应用前景。

然而，微流控芯片具有的两个特点使得微流控芯片技术难以应用到常量的水质分析仪器：一是微流控芯片的通道为微通道，进样体积通常在纳升或皮升级，不允许颗粒物进入，但常规水质检测时往往需要允许≤1mm的颗粒物通过通道进入反应腔体；二是微流控芯片的材质通常为聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯、聚苯乙烯等[5]有机物聚合材料，一般难以在高温、高压、强酸、强碱的条件下具有稳定的结构和性能。

为解决现有微流控芯片技术的不足，特研制了一种基于全陶瓷的液流控芯片，使其具有水力学光滑管壁的液流型通道，可允许≤1mm的颗粒物通过通道进入反应腔体；另一方面可以实现在175℃的强酸条件下进行高温高压密闭消解，使其能应用在总磷在线分析仪上，具有体积小、重量轻、试剂消耗量少、二次污染少的特点，在一定程度上推进了水质在线分析仪的进步。

2 方法与实验

2.1 仪器与试剂

紫外-可见分光光度计(上海元析仪器有限公司)；电子天平(北京赛多利斯天平有限公司)；无油空气压缩机（上海捷豹压缩机制造有限公司）；电磁阀(深圳垦拓流体控制有限公司)；触摸屏(上海繁易信息科技有限公司)；液流控集成芯片、精密注射泵(均为江苏德林环保技术有限公司)。

本实验所用试剂均为分析纯，实验用水为自制蒸馏水。

2.2 方法原理

总磷检测基于国标法-钼酸铵分光光度法（GB/T11893-89），即在中性条件下用过硫酸钾使消解试样，将磷物质全部氧化成正磷酸盐，在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵在锑盐存在下生成磷钼杂多酸后，被抗坏血酸还原，生成蓝色的络合物，在波长700nm处有最大吸收峰，进行吸光度检测，根据不同吸光度对应不同浓度求出磷酸盐的含量。

2.3 仪器分析系统设计

2.3.1 液流控集成芯片的设计

不同职称的乡村教师在学生、课程、教学、教师角色四个维度的信念以及教师教育信念的整体层面不存在显著差异(p>0.05)。在教育目的信念上(p=0.002，p<0.05)，不同职称的教师之间存在显著差异，中教一级教师得分最低，中学正高级教师得分最高。这是因为中学一级教师大多是有10～20年教龄的熟手教师，深受应试教育思想的影响，特别注重对学生进行知识的传授，强调成绩，教育信念较为陈旧。而中学正高级教师，他们有着较为丰富的教学实践经历，善于总结自己在教学中的经验教训。

总磷在线分析仪是基于液流控集成芯片技术研发的在线检测设备，液流控集成芯片是由一系列微管道、微反应腔体、光电检测单元组成的陶瓷集成块，并将该集成块安装在一个多通道选择阀的集成芯片。集成芯片的设计原则是能完成总磷分析各步骤所要求的所有单元操作，集成芯片上包含中心控制管道，不同用途的试剂通道以及微型反应腔体等，其具体结构如已授权的专利[6](专利号 ：ZL202210935629.X)所述,外观结构示意图如图1所示。

图1 液流控集成芯片示意图

该液流控集成芯片将进样、混合、消解反应、检测等功能集成到上述图1液流控芯片上，中心控制管道可以分别与7位多通道选择阀的出口及内部的反应腔体连通，中心孔通过储存管与精密注射泵连通，7位多通道选择阀的出口通过连接管与试剂、水样、废液、空气口连通，构成一个分析系统。

2.3.2 仪器分析流路的设计

本总磷在线分析仪的流程图如图2所示。

图2 分析流路图

按照图2的分析流路，以注射泵为定量单元，以液流控集成芯片为流路切换、加热消解单元，以发光二极管为光源，以硅光电池为检测器。通过动力系统精密注射泵定量抽取水样及各试剂至反应室R，并且在反应室进行高温高压密闭消解，反应冷却后，再通过注射泵定量抽取相关试剂至反应室R进行显色反应，显色后，比色检测模块检测反应物的吸光度。检测完毕，通过注射泵排出反应室内的试剂，并对反应室进行清洗，然后通过内置的标准曲线，得出总磷的浓度值。

2.3.3 控制电路的设计

总磷在线分析仪系统控制电路包括控制系统设计以及电路主图设计、单片机电路设计、通讯电路、信号采集电路、电源电路、开关控制电路、加热开关控制和温度读取电路等。信号采集电路采用双光束检测原理，消除温度对光源的影响，使检测的光源信号更稳定。

本总磷在线分析仪结构为长×宽×高=232mm×200mm×150mm，重量小于2.5kg，其内部结构图如图3所示，外观结构图如图4所示。

图3 总磷在线分析仪内部结构图

图4 总磷在线分析仪外观图

总磷在线分析仪主要由控制中心、自动化学分析模块、加热消解模块、比色检测模块、数据显示/存储/传输模块等组成。控制中心包含精密注射泵与液流控集成芯片的控制驱动电路、比色检测信号处理电路、温度控制电路、I/O 接口（（4～20）mA，RS-232/485，开关量）等，分析仪通过控制中心控制化学试剂的加入、样品加热消解、显色信号采集、计算、显示、存储、传输等。加热消解与比色检测都是嵌入在化学分析流路的分析过程中的。分析仪结构组成框图如图5所示。

图5 总磷在线分析仪系统组成框图

3 结果与讨论

3.1 液流控集成芯片的密封耐压研究

按照国标法测定总磷的要求，需要在高压锅内进行高温高压消解，为了研究其耐压性能，用四氟管将气泵上的空气引出并与集成芯片上的中心孔连接，将集成芯片切换至高温高压消解状态的密闭位置，将其放置在水中，并且盛装的水没过该芯片，开启空气压缩机直至达到0.8Mpa，观察该芯片各出口是否有气泡产生。经试验验证，该芯片各出口均无气泡产生，即证明该芯片耐压不小于0.8MPa，完全满足总磷在线分析仪对水样消解的要求。

3.2 试样的反应与混合腔体研究

试样混合与反应腔体横截面一般为为三角形，梯形、正方形、半圆形、半椭圆形或者它们的组合。根据流体力学里的Concus-Finn理论，当流体在壁面上的接触角与楔角的一半之和不超过π/2时，流体会自发的沿楔角流动。

为了阻止这种沿楔角的自发流动，一条途径可以对反应腔体表面进行化学改进，然而在反应腔体往往涉及到高温高压、强酸强碱条件的消解，会破坏改性后的反应腔体，从而并不适用于水质总磷、化学需氧量的检测分析。另外一条途径是改变反应腔体的局部几何形状，以增大楔角的角度，或者打断楔角的存在。比较常用的手段是在楔角上做出凹陷的缺口或者突出的犄角，它们一方面暂时打断了楔角的延伸，另一方面又形成了新的楔角，只是这些新的楔角都大于π，也就保证了自发流动不能再继续。本研究遵循上述流体力学原理，对反应与混合腔体的几何结构进行了调整改进，解决了流体沿微管道自发流动的难题，在该反应腔内，可以实现空气混合各反应液体，使各反应试剂能充分混合，反应完全。

3.3 分析仪的功能设定

在日常使用时，分析仪需要执行标定、测量、试剂输送、废液排空以及清洗等动作。其中，标定、测量和清洗可分为自动和手动两个模式，用户可根据需要设定自动标定、测量以及清洗的时间，也可以根据需要单独选择手动需要执行的动作。此外，本分析仪可集成到微型水站，使微型水质自动监测站更小、更轻，在偏远山区、偏远水域发挥其优势。

3.4 分析仪性能

3.4.1 检出限

本仪器在测定检出限时，根据《合格评定化学分析方法确认和验证指南》（GB／T 27417-2017），加入至少最低可接受浓度的样品空白独立测试10次，计算出检测结果的标准偏差（s），以3s的定量表示方法验证仪器的最低检出限。

因此根据该标准，配制总磷浓度为0.02mg/L的标液，对其重复测量15次，记录仪器的测定值,测定结果见表1所示，计算仪器的检出限[7],测定结果表明，检出限为0.004mg/L，根据惯例，以10倍的检出限为测定下限计算，则定量下限为0.04mg/L。

表1 检出限测定结果

3.4.2 标准曲线

分别配制浓度为0、0.4mg/L、0.8mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L、2.0mg/L的总磷标准溶液，利用研制的总磷分析仪进行测定，以浓度值为横坐标、吸光度值为纵坐标绘制标准曲线，结果如图6所示。

图6 标准曲线

由图6可知，水样中总磷浓度在0～2mg/L的范围内时，测得的标准曲线具有良好的线性，其线性相关系数R2=0.9999，线性回归方程为：y=4214x+0.0067，其中，x为总磷浓度值，y为吸光度值。

3.4.3 示值误差

取总磷浓度0.4mg/L、1.6mg/L的标准溶液为样品，每个标准样品连续测定6次，计算每个标准溶液6次测定值的平均值与已知标准溶液浓度的相对误差，取两个标准溶液相对误差值较大值作为示值误差的判定值，测定结果如表2所示，0.4mg/L与1.6mg/L的标样的示值误差分别为0.75%、0.13%，即本分析仪的示值误差为0.75%。

表2 总磷分析仪直线性测定结果

3.4.4 精密度

在0～2mg/L的量程范围内，取总磷浓度为1.6mg/L的标准溶液，在分析仪上连续测定6次，结果如表3所示，本总磷在线分析仪的精密度为0.15%。

表3 总磷分析仪精密度测试结果

3.4.5 量程漂移

量漂测试过程中，采用浓度为80%的最大量程值的标准样品作为量程校正液，即浓度为1.6mg/L的总磷标准样品为量程校正液，于零点漂移前后分别测定3次，计算变化幅度相对于最大量程值的百分率，测定结果如表4所示，本分析仪的量程漂移为0.05% F.S。

表4 总磷分析仪的量程漂移测试结果

3.4.6 准确度的测定

采用有证的环境标准样品（GSBZ50033-95 203948，0.535±0.022mg/L与GSBZ50033-95 203949，1.3±0.05mg/L）进行测试，测试结果如表5所示。测试结果表明，仪器准确度良好。

表5 总磷分析仪的准确度测试结果

4 结论

成功研制的基于液流控集成芯片技术的总磷在线分析仪，突破了现有微流控芯片技术的瓶颈，攻克了试样反应与混合、耐酸碱与耐高温高压以及与之适应液流控系统的光电检测技术难关。研制的总磷分析仪在0～2mg/L的量程范围内，标准曲线的R2值为0.9999;检出限为0.04 mg/L；示值误差在0.75%以内；精密度为0.15%；量程漂移为0.05% F.S，其性能满足需求，可以扩展检测其他类别的污染物，如重金属、营养盐、有机污染物等，使其在生态环境检测分析领域具有较高的应用价值和市场效应。