模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片

摘要

本发明涉及石油污染治理技术领域，具体为模拟地下水系统模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，第一进液口通过第一稳流区与水流区的一端连接，所述出液口通过第三稳流区与水流区的另一端连接；所述的污染区连接在水流区的一侧，所述的第二进液口通过第二稳流区与污染区连接。本发明采用特殊流道设计，实现了对石油等油相污染的地下水系统纵切面模型的构建，该芯片可以将有机溶剂液滴离散地、规则地束缚在芯片的特定凹槽里，从而同时获得多个稳定的两相液面。本发明利用微流控技术研究地下水系统中有机溶剂污染物和细菌的分布，将土壤“透明化”，实现了对污染区域以及污染修复过程实时、准确的观测。

权利要求

1.模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，其特征在于，包括第一进液口(1)、第二进液口(9)、出液口(5)、水流区(3)、污染区(6)，所述的第一进液口(1)通过第一稳流区(2)与水流区(3)的一端连接，所述出液口(5)通过第三稳流区(4)与水流区(3)的另一端连接；所述的污染区(6)连接在水流区(3)的一侧，所述的第二进液口(9)通过第二稳流区(8)与污染区(6)连接；

所述的污染区(6)为双层结构，包括上层平面和下层平面；所述的下层平面的上表面刻有毛细管微通道，毛细管微通道为均匀分布的菱形网格，相邻菱形网格之间相互连通；上层平面和下层平面之间呈规律性排列有污染点(7)；所述的污染点(7)外侧壁为圆柱面，内部为凹槽结构，凹槽底部有开口与污染区(6)下层平面的毛细管微通道相通，且污染点(7)高度大于毛细管微通道的高度。

2.根据权利要求1所述的模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，其特征在于，所述的第一稳流区(2)、第三稳流区(4)和第二稳流区(8)，分别包括外壳，外壳内分布有多个圆柱体，所述的圆柱体之间留有空隙，空隙为液体通道。

3.根据权利要求2所述的模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，其特征在于，所述的第一稳流区(2)和第三稳流区(4)内液体通道由3～5个直径为0.6～0.8mm的圆柱体间隔而成，相邻圆柱体之间最小间隔80～90μm，液体通道为圆柱体之间的间隙，液体通道深度为20～30μm。

4.根据权利要求2所述的模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，其特征在于，所述的第二稳流区(8)内液体通道由1～3个直径为0.7～0.8mm的小圆柱体及15～18个直径为1.6～2.0mm的大圆柱体间隔而成，小圆柱体位于第二进液口(9)连接处；相邻圆柱体边缘最小间隔0.25～0.30mm，液体通道为圆柱体之间的间隙，液体通道深度为20～30μm。

说明书

模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片

技术领域

[0001] 本发明涉及石油污染治理技术领域，具体为模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，是一种模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，该芯片可以模拟有机溶剂液体污染地下水系统并束缚于其中的过程，通过注入不同的处理液，可以进一步模拟处理液修复有机溶剂污染的过程。

背景技术

[0002] 近年来原油泄漏事故频发，大量有毒污染物随原油进入土壤或沿海沙滩，并迅速扩散至地下水层。如原油中大量存在的芳烃类污染物，具有较高的生物毒性，对人体健康的危害极大，但水溶度低、化学活性弱，难以从含水层中清除。因此，如何有效清除地下水系统中的石油污染，是环境修复领域的一大难点。

[0003] 传统清理方法主要借助污染物的物理、化学反应，但由于芳烃类物质在水中溶解度低、化学惰性强，清除效果差，耗能严重。以1989年阿拉斯加港湾原油泄漏事故为例，美国政府和Exxon公司在事后四年期间投入了大量的人力、物力，但时至2008年，地下仍残留约55.6万吨原油残留，污染源离地表的最近距离不超过10公分。生物修复利用细菌等生物资源将污染物降解成无害物质，具有节能、环保等优点。其中，原位生物修复将微生物直接注入受污染的含水层，对污染物进行降解，经济实用，在国际上被广泛应用到污染地下水的修复工程中。由于先前的实验大多是利用沙粒填充形成沙柱，仅依靠排出液来判断修复效果，结果可信度不高。且填充物的堆叠使得实验体系“黑盒化”，无法直接观测内部的实际情况；
填充的不规律性还会降低实验的可重复性，为量化结果带来很大的困难。

[0004] 微流控技术是一种精确操控微量流体的新兴技术。由于它比传统实验手段分析时间短、灵敏度高、误差小，微流控已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片的诸多优点使它也适用于石油污染的研究：(1)微流控芯片的透明材质消除了传统方法的“黑盒效应”，实现了对体系内部的实时观测；(2)微米级的管道刻蚀技术，可以精确地复制复杂的地下水环境的结构；(3)其衍生技术使得有机溶剂污染物在水相中的引入成为可能；(4)微量流体调控技术可以将芯片内的水速精准地控制在极低的地下水流速范围内，以便量化不同地下水环境对污染物和微生物分布的影响。

发明内容

[0005] 为弥补现有技术的不足，本发明旨在提出一种可以模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片。研究人员通过微流控技术可以模拟有机溶剂液体污染地下水系统并束缚于其中的过程，进而建立稳定、准确、实时检测有机溶剂污染物的实验方法，通过注入不同的处理液，研究人员可以模拟研究不同因素对修复过程的影响。

[0006] 具体的技术方案为：

[0007] 模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，包括第一进液口、第二进液口、出液口、水流区、污染区，所述的第一进液口通过第一稳流区与水流区的一端连接，所述出液口通过第三稳流区与水流区的另一端连接；所述的污染区连接在水流区的一侧，所述的第二进液口通过第二稳流区与污染区连接。

[0008] 所述的污染区为双层结构，包括上层平面和下层平面；所述的下层平面的上表面刻有毛细管微通道，毛细管微通道为均匀分布的菱形网格，相邻菱形网格之间相互连通；上层平面和下层平面之间呈规律性排列有污染点；所述的污染点外侧壁为圆柱面，内部为凹槽结构，凹槽底部有开口与污染区下层平面的毛细管微通道相通，且污染点高度大于毛细管微通道的高度。

[0009] 第一进液口、第二进液口、出液口为矩形通道，宽度为1～2mm，深度为20～30μm，长度为7～12mm。

[0010] 第一稳流区、第三稳流区和第二稳流区，分别包括外壳，外壳内分布有多个圆柱体，所述的圆柱体之间留有空隙，空隙为液体通道。

[0011] 第一稳流区和第三稳流区内液体通道由3～5个直径为0.6～0.8mm的圆柱体间隔而成，相邻圆柱体之间最小间隔80～90μm，液体实际流经的通道为圆柱体之间的间隙，液体通道深度为20～30μm。

[0012] 所述的第二稳流区内液体通道由1～3个直径为0.7～0.8mm的小圆柱及15～18个直径为1.6～2.0mm的大圆柱体间隔而成，小圆柱体位于第二进液口连接处，相邻圆柱体边缘最小间隔0.25～0.30mm，液体实际流经的通道为圆柱体之间的间隙，液体通道深度为20～30μm。

[0013] 水流区为矩形通道，宽度为2～4mm，深度为20～30μm，长度为16～20mm。

[0014] 所述污染区上层平面和下层平面通过热粘合技术粘合在一起，下层平面的毛细管微通道宽度为18～20μm，深度为20～30μm，相邻两条毛细管微通道间隔距离为140～150μm。

[0015] 污染点有10～18个，污染点直径为0.8～1.2mm，凹槽呈规律性排列，相邻凹槽边缘最小间隔2.5～3.0mm，凹槽深度为100～120μm。

[0016] 本发明所述模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片材质为硼硅酸盐玻璃材质。

[0017] 模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片内部的各个通道制作方法为湿刻法制作。

[0018] 本发明所述微流控芯片在管路刻蚀完成以后需进行一定的表面处理，所述表面处理方法为在浓硫酸：30％双氧水＝3:1的混合液中浸泡30分钟，再于反渗透水中清洗1小时，从而获得良好的表面性能，促使液体样本在毛细管作用力下流动，快速填充微通道。

[0019] 本发明所述微流控芯片，各区域通过微通道进行衔接，形成一个完成的模拟系统，可以实现对地下水系统中有机溶剂污染过程及处理液修复过程的模拟。

[0020] 本发明提供的模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，采用特殊流道设计，实现了对石油等油相污染的地下水系统纵切面模型的构建，该芯片可以将有机溶剂液滴离散地、规则地束缚在芯片的特定凹槽里，从而同时获得多个稳定的两相液面。结合对水流速度的控制，可以建立稳定、准确、实时检测有机溶剂污染物的实验方法，为不同处理剂在实际石油污染问题中的应用规律提供研究基础。本发明利用微流控技术研究地下水系统中有机溶剂污染物和细菌的分布，将土壤“透明化”，实现了对污染区域以及污染修复过程实时、准确的观测。

[0021] 本发明与现有技术相比，所获得的有益效果为：

[0022] (1)打破“黑盒效应”，可以直观、实时的观测有机溶剂液体污染地下水系统的过程；

[0023] (2)将有机溶剂污染物束缚在污染点，模拟实现有机溶剂污染物在地下水系统中的稳定存在状态；

[0024] (3)可以量化检测不同修复方法及因素对地下水系统修复的效果。

附图说明

[0025] 图1为本发明提供的微流控芯片平面结构示意图，其中1为第一进液口、2为第一稳流区、3为水流区、4为第三稳流区、5为出液口、6为污染区，7为污染点、8为第二稳流区9为第二进液口；

[0026] 图2为本发明污染点结构放大示意图；

[0027] 图3为实施例1的微流控芯片照片；

[0028] 图4为实施例2趋化细菌在甲苯污染点附近的富集现象，其中a为示意图，b为真实分布图，c为多张真实分布图的叠加。

具体实施方式

[0029] 本发明公开了一种模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明内。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

[0030] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合优选具体实施方式对本发明进行详细的阐述。

[0031] 模拟地下水系统中有机溶剂污染的微流控芯片，包括第一进液口1、第二进液口9、出液口5、水流区3、污染区6，所述的第一进液口1通过第一稳流区2与水流区3的一端连接，所述出液口5通过第三稳流区4与水流区3的另一端连接；所述的污染区6连接在水流区3的一侧，所述的第二进液口9通过第二稳流区8与污染区6连接。

[0032] 所述的污染区6为双层结构，包括上层平面和下层平面；所述的下层平面的上表面刻有毛细管微通道，毛细管微通道为均匀分布的菱形网格，相邻菱形网格之间相互连通；上层平面和下层平面之间呈规律性排列有污染点7；所述的污染点7外侧壁为圆柱面，内部为凹槽结构，凹槽底部有开口与污染区6下层平面的毛细管微通道相通，且污染点7高度大于毛细管微通道的高度。

[0033] 第一进液口1、第二进液口9、出液口5为矩形通道，宽度为1～2mm，深度为20～30μm，长度为7～12mm。

[0034] 第一稳流区2、第三稳流区4和第二稳流区8，分别包括外壳，外壳内分布有多个圆柱体，所述的圆柱体之间留有空隙，空隙为液体通道。圆柱体的轴心垂直于流体。

[0035] 第一稳流区2和第三稳流区4内液体通道由3～5个直径为0.6～0.8mm的圆柱体间隔而成，相邻圆柱体之间最小间隔80～90μm，液体实际流经的通道为圆柱体之间的间隙，液体通道深度为20～30μm。

[0036] 所述的第二稳流区8内液体通道由1～3个直径为0.7～0.8mm的小圆柱及15～18个直径为1.6～2.0mm的大圆柱体间隔而成，小圆柱体位于第二进液口连接处，相邻圆柱体边缘最小间隔0.25～0.30mm，液体实际流经的通道为圆柱体之间的间隙，液体通道深度为20～30μm。

[0037] 水流区3为矩形通道，宽度为2～4mm，深度为20～30μm，长度为16～20mm。

[0038] 所述污染区上层平面和下层平面通过热粘合技术粘合在一起，下层平面的毛细管微通道宽度为18～20μm，深度为20～30μm，相邻两条毛细管微通道间隔距离为140～150μm。

[0039] 污染点7有10～18个，污染点7直径为0.8～1.2mm，凹槽呈规律性排列，相邻凹槽边缘最小间隔2.5～3.0mm，凹槽深度为100～120μm。

[0040] 实施例1：甲苯污染地下水系统纵切面模型的构建

[0041] 1通过CorelDRAW设计多孔微流控芯片的管路图，采用湿刻法制作硼硅酸盐玻璃材质的芯片，并于浓硫酸：30％双氧水＝3:1的混合液中处理30分钟，再于反渗透水中清洗1个小时；在芯片进出口处利用离子化结合法固定PDMS接口，连接针管；

[0042] 2通过第一进液口1手动注入70％乙醇溶液以排出芯片内气泡，此时在第二进液口9及出液口5均应检测到70％乙醇溶液的排出；

[0043] 3通过出液口5手动注入去离子水取代乙醇，使管路内达到水饱和状态，此时在第一进液口1及第二进液口9均应检测到去离子水的排出；

[0044] 4在10毫升甲苯中加入1微克Oil-Red-O进行染色标示，并通过微量注射泵在第二进液口9注入芯片内部，使之充满芯片内部管路；

[0045] 5通过微量注射泵在第一进液口1注入去离子水，线速度分别选择为0.1、1、10、100米/天，观察不同流速对甲苯清除的影响，并利用微流控芯片的结构特点和甲苯在微观水相中的高表面张力，确定合适的流速，从而使甲苯液滴固定在芯片内的污染点位置，其最终结果如图3所示，图中深色圆点为甲苯污染物，灰色为水相通路；

[0046] 实施例2：多孔介质中残留油相污染源对细菌趋化的滞留效果研究

[0047] 通过实施例1构建出可以固定多个污染源的多孔网络，以模仿真实石油污染的地下水系统中石油污染物的存在形态。进而通过注入含有趋化细菌的动力缓冲液，对细菌的趋化过程进行研究，揭示细菌对石油污染物的趋化机理。

[0048] (1)细菌培养

[0049] 实验中采用对甲苯有趋化反应的恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida F1)。恶臭假单胞菌的基本培养液为modified Hutner’s Mineral Base(mHMB)，于200mL的玻璃密封瓶中加入100mL的mHMB，600μg的Luria-Bertani(LB)培养基粉，高温高压灭菌，加入30μL的甲苯，注射5psi的氧气五分钟，随后注入300μL的解冻菌液。于8摄氏度摇床中隔夜培养，摇速为150rpm，当细菌浓度达到生长曲线指数期中点时(OD值等于0.8)，取出菌液，通过过滤法收集细菌，再放入稀释倍数为10％的细菌动力缓冲液(细菌动力缓冲液，即Random Motility Buffer，的构成为每升去离子水中11.2g K2HPO4,4.8g KH2PO4,and 0.029g EDTA)重新悬浮，使菌液浓度的OD值等于1.0；

[0050] (2)细菌的荧光标记

[0051] 每1mL的P.putida F1菌液用10μL浓度为5μg/mL的FM 4-64进行10分钟的细胞膜标记，所有经染色标记后的细菌，均需用10％的细菌动力缓冲液冲洗两次后方可进一步使用；

[0052] (3)重复实施例1中所有步骤，制备出固定多个甲苯污染源的微流控芯片，然后关闭第二进液口9；

[0053] (4)通过微量注射泵在第一进液口1注入含有P.putida F1的细菌动力缓冲液，使之充满芯片内部，此时在出液口应检测到含有P.putida F1的细菌动力缓冲液的排出，然后停止注入，静置10分钟；

[0054] (5)通过微量注射泵在第一进液口1注入不含有P.putida F1的细菌动力缓冲液，线速度分别选择为0.25、5米/天，观察趋化细菌在不同流速作用下的富集现象；

[0055] (6)显微镜观测

[0056] 利用宽视场显微镜，通过20倍/光圈0.05的接物镜和二向色滤光片相组合，在弧光灯恒定光源的作用下，观测FM 4-64(激发光515nm，发射光640nm)在实验体系中的荧光分布。

[0057] (7)图像分析

[0058] 每个细菌发射出的荧光强度基本一致，因此可以通过分析显微镜照片的荧光灰度分布表示细菌的浓度分布。利用图像分析软件ImageJ解析细菌荧光在图片中的分布，并利用如下公式对细菌荧光进行校正：

[0059]

[0060] 其中I代表生物荧光和背景噪点的光强度，上标n代表校正值，下标j代表细菌荧光实际测量值，下标0代表背景噪点值，下标F代表细菌荧光全值。光强度的校正是为了修正显微镜系统中弧光灯光源强度的微小波动。

[0061] 实验结果表明：

[0062] 在0.25米/天的水流速度下，P.putida F1菌株在甲苯污染源附近产生富集现象，如图4所示，其中a为示意图，b为真实分布图，c为多张真实分布图的叠加；当水流速度升至5米/天时，富集现象不明显。此外，当水流速度为0.25米/天时，多孔介质中的油相污染源，对趋化细菌产生了显著的滞留效果，即在污染区6的趋化细菌不易被水流带走，说明趋化细菌对生物修复效率有潜在的提高作用。

[0063] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。