阅读说明：本技术 一种基于等离子共振用于测定海水中溶解氧量的光流控检测芯片 (Light stream accuse detection chip for surveying dissolved oxygen volume in sea water based on plasma resonance ) 是由 杨奕 陈龙飞 朱娇梦 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于等离子共振用于测定海水中溶解氧量的光流控检测芯片,包括芯片本体和光纤部；所述芯片本体为两端开口、内部设置有微流沟道的腔室,其中一端设置有入口I和II,另一端设置有出口I和II；入口I、II通过微流沟道连通到腔体内部进而连通到出口；微流沟道中构造有还原-氧化带；芯片本体两端设置有光纤部。本发明提供的芯片能够实现快速,无污染,可重复检测,并保证结果的准确性和精确性；在微米尺度操控水凝胶,响应时间短,集成设计,结构简单,体积小,便携性高。本发明提供的技术方案极具应用前景和价值。(The invention discloses a plasma resonance-based optical flow control detection chip for measuring the dissolved oxygen amount in seawater, which comprises a chip body and an optical fiber part, wherein the chip body is provided with a plurality of optical fiber holes; the chip body is a cavity with two open ends and a micro-flow channel arranged inside, wherein one end of the cavity is provided with inlets I and II, and the other end of the cavity is provided with outlets I and II; the inlet I, II is communicated to the interior of the cavity through a microfluidic channel and then communicated to the outlet; a reduction-oxidation zone is constructed in the microfluidic channel; the two ends of the chip body are provided with optical fiber parts. The chip provided by the invention can realize rapid, pollution-free and repeatable detection, and ensures the accuracy and precision of the result; the hydrogel is controlled in a micron scale, the response time is short, the integrated design is realized, the structure is simple, the size is small, and the portability is high. The technical scheme provided by the invention has great application prospect and value.)

一种基于等离子共振用于测定海水中溶解氧量的光流控检测 芯片

技术领域

本发明属于光流控检测芯片领域，具体涉及一种基于等离子共振用于测定海水中溶解氧 量的光流控检测芯片。

背景技术

海洋溶解氧是海洋水质检测的重要参数之一。海洋溶解氧浓度约为3～9mg/L。目前主 流的电极法只能检测膜周围液体的溶解氧浓度，在高盐度与存在微生物环境下不能稳定工作。 荧光猝灭法对光源要求高，不能满足便携式测量的要求。两者都无法避免膜污染，且特殊制 成的透氧薄膜易磨损。传统的分光光度法需要对溶液进行预反应来检测生成物的吸光度值， 这导致了时间消耗、准确度降低、化学污染等问题。我们设计了一种基于水凝胶扩散调控的 局域表面等离子共振的快速溶解氧检测的集成芯片，在室温(20℃)下对海洋溶解氧进行监测， 具有可重复性、二阶响应时间、高精度、无污染等特点。

水凝胶是一种生物材料，具有良好的光学性质及对小分子具有良好的渗透性。基于微流 体沟道，水凝胶可以制备到微米级，响应时间缩短。同时水凝胶具有优异的包覆性能，能包 覆染料、金纳米颗粒等，相比传统的氧交换膜，具有更好的渗透性能。金纳米粒子可以被多 种生物大分子和化学染料调控，其吸收峰受染料状态的影响。

基于水凝胶包覆的金纳米颗粒作为还原-氧化带封装的光流控检测芯片，并用于检测溶解 氧的技术方案未见报导。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种以包覆有改性金纳米颗粒的水凝胶作为还原- 氧化带的用于检测海洋溶解氧的光流控检测芯片，该芯片结构简单、体积小、便携性好，能 够基于样品流在水凝胶中的扩散过程实时快速地监测溶解氧浓度。

本发明基于等离子共振原理，即当光照射到金纳米粒子时，如果金纳米粒子的振动频率 与入射光子频率相匹配，则金纳米粒子对光子能量有很强的吸收作用；同时，金纳米粒子对 周围介质高度敏感，而周围介质的状态会影响其吸收峰。基于该原理，20nm金纳米颗粒被亚 甲基蓝改性，不同状态的亚甲基蓝对金纳米颗粒的波峰有着不同的影响(图3)；将改性后的金 纳米颗粒加入到水凝胶前驱液中，再通过紫外曝光，以制备得到包覆有亚甲基蓝修饰的金纳 米颗粒的水凝胶块(图2)。当氧和硼氢化钠分别从不同入口流入到还原-氧化带，会在水凝胶 中产生不同状态的改性金纳米颗粒，分别增强或抑制了金纳米粒子的吸收峰，利用金颗粒表 面改性物质的不同状态对金颗粒的吸收峰的不同影响，再结合扩散定律，以达到检测海水中 溶解氧浓度的目的。

本发明提供的技术方案如下：

一种用于测定海水中溶解氧量的光流控检测芯片，

包括芯片本体和光纤部；

所述芯片本体为两端开口、内部设置有微流沟道的腔室，其中一端设置有入口I和II， 另一端设置有出口I和II；入口I、II通过微流沟道连通到腔体内部进而连通到出口；微流沟 道中构造有还原-氧化带的水凝胶；

芯片本体两端设置有光纤部。

入口I用于通入不同浓度的样品流；入口II用于通入硼氢化钠，优选的浓度为10^{- 4}mol/L。 优选的，入口I、II的流速均为30μL/min。两股流体在还原-氧化带中扩散，最终在水凝胶中 形成“还原态-氧化态”的稳定界面，并且会全部经过水凝胶后流入出口I、II。

具体的，所述芯片本体包括含有微流沟道的聚二甲基硅氧烷片片和载玻片，聚二甲基硅 氧烷片片由紫外光刻制作，载玻片键合于硅片上构成腔室；微流沟道中通过紫外线构造有长 方形水凝胶块。

具体的，所述入口用于接入还原剂和样品流。

具体的，所述还原剂为硼氢化钠。

具体的，所述出口用于废液收集。

具体的，所述还原-氧化带为包覆有改性金纳米颗粒的水凝胶。

具体的，所述改性纳米金颗粒的水凝胶的制备方法如下：

(1)将金纳米颗粒的混合溶液和亚甲基蓝溶液密封在超声池5分钟，然后自组装24h， 再通过离心、过滤即得改性纳米金颗粒；

(2)制备引发剂标准溶液，将GelMA加入引发剂标准溶液中制得GelMA溶液；60℃水浴避光溶解30分钟，期间保持震荡得到前驱液；随后，在前驱液中加入改性金纳米颗粒，超声5分钟，在光学掩模下使用近紫外线提供聚合所需的能量。

具体的，所述步骤(1)中所述金纳米颗粒的混合溶液与亚甲基蓝溶液的体积比为1:6； 亚甲基蓝的浓度为10^-6mol/L；所述步骤(2)中引发剂标准溶液浓度为0.25％(w/v)；GelMA 溶液浓度为15％(w/v)。

具体的，所述光纤部包括四个内置光纤的筒体，芯片本体两端各设置两个筒体，相对端 面的筒体两两一组在一直线上。由于不同溶解氧样品流会在水凝胶中形成不同的扩散界面， 通过改变光纤设置的位置可以检测不同扩散区域，可以实现溶解氧检测范围的改变。

本发明的另一目的在于提供上述芯片用于测定海水中溶氧量的方法，包括以下步骤:

(1)先采用微流泵I 1和II 2将还原剂溶液泵入入口I 11中，流速为30μl/min，持续 5min，将还原-氧化带调整为还原态，同时对沟道进行清洁；

(2)在光纤部一端的光纤端部接入激光源，相对的光纤端部接入光谱仪；

(3)通入标准梯度溶液测量其光强并拟合计算公式；

(4)采用微流泵I 1将样品流通入口II 12中，采用30μL/min流速注入样品和还原剂；

(5)通入样品溶液，测量其光强，利用公式计算溶解氧浓度。

本发明的有益效果：

本发明有效地实现了对样海洋环境中溶解氧浓度(3～10mg/L)的探测，平均灵敏度为 0.0416L·mg^-1·cm^-1，反应时间短至50s。实现了便携式，无污染，回复时间短的溶解氧检测芯 片。发明简单，过程简易有利于降低成本和大规模应用。

附图说明

图1为光流控检测芯片的结构图；

图2为金纳米颗粒的修饰及水凝胶包裹改性金纳米颗粒电镜图；

图3为不同状态的改性金纳米颗粒的吸收峰峰强变化图；

图4为不同流速下对水凝胶的冲击作用图；

图5为海水中溶解氧检测结果图：其中，(a)不同光纤位置有不同的溶解氧检测范围；(b) 吸光度曲线；(c)流速与回复时间；

附图标记：1-微流泵I，2-微流泵II，3-光纤I，4-光纤II，5-光纤III，6-光纤IV，7-水凝 胶，8-样品流沟道，9-还原剂流沟道，10-废液收集部，11-入口I，12-入口II，13-出口I，14- 出口II，15-氧化态改性金纳米颗粒，16-还原态改性金纳米颗粒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

实施例1

如图1所示，光流控检测芯片包括：包括芯片本体和光纤部；所述芯片本体包括含有微 流沟道的聚二甲基硅氧烷片片和载玻片，聚二甲基硅氧烷片片由紫外光刻制作，载玻片键合 于硅片上构成腔室。芯片本体为两端开口、内部设置有微流沟道的腔室，其中一端设置有入 口I 11和II 12，另一端设置有出口I 13和II 14；入口I 11、II 12通过微流沟道连通到腔体内 部进而连通到出口；微流沟道中构造有还原-氧化带。入口I 11用于通入不同浓度的样品流； 入口II 12用于通入还原剂硼氢化钠，优选的浓度为10^-4mol/L。优选的，入口I、II的流速均 为30μL/min；入口II 12前需要加装高分子过滤器，如醋酸纤维素膜和尼龙膜等制成的过滤器， 可去除海水中的微生物，泥沙及沉淀等物质。两股流体在还原-氧化带中扩散，最终在还原- 氧化带中形成“还原态-氧化态”的稳定界面，并且会全部经过还原-氧化带后流入出口I 13、 II 14，再利用废液收集部10收集。优选的，样品流沟道8和还原剂流沟道9的参数为100μm ×1000μm×80μm，芯片本体的参数为400μm×1000μm×80μm。样品流从沟道8中流过， 溶解氧从还原-氧化带中扩散，使还原态改性金纳米颗粒16转变为氧化态改性金颗粒15。随 着氧浓度增加，将使氧化-还原界面往前推进。

芯片本体两端设置有光纤部。光纤部包括四个内置光纤的筒体，光纤I 3、II 4在一直线 上，光纤III 5、IV 6在平行的另一直线上。由于不同溶解氧样品流会在水凝胶中形成不同的 扩散界面，通过改变光纤设置的位置可以检测不同扩散区域，可以实现溶解氧检测范围的改 变。

还原-氧化带为包覆有改性金纳米颗粒的水凝胶，其制备方法如下：

(1)将500微升金纳米颗粒的混合溶液和亚甲基蓝溶液(10^-6mol/L,3mL)密封在超声池5 分钟，然后自组装24h，再通过离心(10000RPM/5min)、过滤即得改性纳米金颗粒(如图2 所示)；

(2)制备0.25％(w/v)引发剂标准溶液，将GelMA加入引发剂标准溶液中制得15％(w/v) 浓度的GelMA溶液；60℃水浴避光溶解30分钟，期间保持震荡得到前驱液；随后，在前驱 液中加入改性金纳米颗粒，超声5分钟，在光学掩模下使用近紫外线提供聚合所需的能量。

本发明的光流控芯片，是通过标准的紫外光刻技术制作的。首先，按照所设计的芯片结 构将模版图样画出来；然后在刻画在掩膜版上，通过紫外光刻技术，对应于由SU8-2050光刻 胶涂抹均匀的硅片，经过紫外曝光后，再由显影液冲洗硅片便可得到PDMS的模具；再将未 凝固的PDMS浇筑在模版上，经烤箱75℃烘烤一个小时后，再取下PDMS。如此，在将所获 得的PDMS沟道层与涂有一层PDMS的载玻片用等离子清洗机键合，便得到溶解氧检测的光 流控芯片。

光纤位置调节：设计了可调节光纤位置的集成芯片。本实施例中，我们采用光纤对准器 来对准光纤3和4、5和6。光纤对准器由带有凹槽的铁板和磁压块组成。首先，将光纤放入 筒体内；然后，在显微镜下小心移动底座使两根光纤3和4、5和6对准，对准后，加入少量紫外固化胶，经过紫外光照射3-5min后，光纤即可固定。

应用实施例1

利用实施例1所制备的光流控检测芯片测量标准液的含氧量

具体操作步骤如下：

1.先采用微流泵I 1和II 2将硼氢化钠溶液泵入入口I 11中，流速为30μl/min，持续5min， 将改性金纳米颗粒全部转变为还原态改性金纳米颗粒15，同时对沟道进行清洁。

2.在光纤的端部接入激光源，相对的光纤端部接入光谱仪。

3.在清洗结束后，采用微流泵I 1将样品流通入口II 12中，分别采用1μL/min、10μL/min、 20μL/min、30μL/min、40μL/min、50μL/min流速，记录光强变化(图4)。

4.光纤位置：第一组3和4置于靠近还原剂沟道80μm处和第二组5和6置于水凝胶靠近还原剂沟道100μm。注入不同溶解氧浓度的样品，测量其强度变化(图5a)。

5.记录光强变化(3mg/L～10mg/L)，拟合吸光度曲线(图5b)，公式如下：

其中：d光纤与还原剂通道之间的距离，d1是亚甲蓝氧化-还原带位置，D为光纤的检测 范围。A为纤维检测区域吸光度值，A_O为光纤检测区域氧化态AuNPs-MB吸光度值，A_r为光纤检测区域还原态AuNPs-MB吸光度值，C_O为溶解氧浓度(mg/L)。

测试样品溶液的吸光度值，利用公式即可计算出样品溶液的溶解氧浓度。

6.改变样本溶解氧浓度(10mg/L～3mg/L)，测芯片反应时间(图5c)。

如图4所示，流速增加(1μL/min～50μL/min)，光强度逐渐降低，这表明挤压影响的水凝 胶与流速的增加，导致金纳米粒子的浓度相对增加，导致光吸收强度的增加。当速度继续增 大时，光强呈现出不稳定趋势，这可能是由于水对水凝胶施加的压力过大，导致水凝胶区域 变形或出现裂缝。同时，光强的标准差从3.2031增加到24.512，说明光纤的检测信号不稳定， 不能满足稳定测量的要求。基于上述分析，30μL/min作为最优的样品流速。如图5a所示， 第一组溶解氧检测范围为3mg/L～10mg/L，第二组溶解氧检测范围为2.8mg/L～7mg/L。通过改 变光纤的探测位置可以控制溶解氧的检测范围。如图5c所示，当芯片入口流量增加到20μL/ 分钟，芯片恢复时间是稳定在大约50秒。说明该光流控芯片具有可重复性，且恢复时间小于 1min。

以上仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的测定海水中溶解氧含量 的光流控检测器并不仅仅限定于在以上中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。 本发明所属领域技术人员在该的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权 利要求所要求保护的范围内。