论文总字数：22646字

摘 要

海水营养盐过量是导致水体富营养化、引发赤潮的主要原因。现阶段的检测方法如分光光度法、离子色谱法都无法满足在线、即时的海水营养盐检测工作。而结合微流体技术和光学检测技术的光流体技术是一种新型的微型、现场即时检测技术。本文通过仿真模拟对基于海水营养盐的微流控在线检测芯片的结构进行了设计和优化。

本文主要研究内容和结论如下：

（1）对水样预处理模块进行了设计，并探究了不同传热结构、不同流速、不同流程对传热效果的影响，结果表明，蜂窝形传热结构在流速为0.1 m/s 时的传热效果最佳，且在流程为22 mm 时，基本达到消解反应温度。

（2）对显色反应混合模块进行了设计，并探究了不同混合器结构、不同入口数量、不同流速和流速比、不同流程以及不同的沟道尺寸大小对混合的影响，结果表明，折形混合器结构在三相流入口，基准流速为0.1 m/s 、流速比为0.2，沟道宽度为0.4 mm 时，混合效果最佳，且在流程大于40 mm 时，溶液基本混合完全。

（3）对光学检测模块进行了设计，本文根据现阶段基于海水营养盐的微流控在线检测器件的文献报道，设计出了一个目前比较成熟的对海水营养盐进行检测的光学检测流动池。

关键词：海水营养盐检测；微流控芯片；COMSOL模拟仿真

Abstract

Excessive nutrients in seawater are the primary cause of water eutrophication and triggering red tides. At present, the detection methods such as spectrophotometry and ion chromatography cannot satisfy the online and instant seawater nutrient detection work. The optical fluid technology combining microfluidic technology and optical detection technology is a new type of miniature, on-site real-time detection technology. In this paper, the structure of microfluidic on-line detection chip based on seawater nutrients is designed and optimized through simulation.

The main research contents and conclusions of this article are as follows:

(1) The water sample pretreatment module was designed, and the effects of different heat transfer structures, different flow rates, and different processes on the heat transfer effect were investigated. The results show that the heat transfer effect of the honeycomb heat transfer structure at a flow rate of 0.1 m/s The best, and when the process is 22 mm, the digestion reaction temperature is basically reached.

(2) The color reaction mixing module was designed, and the effects of different mixer structures, different inlet numbers, different flow rates and flow rate ratios, different processes, and different channel sizes on the mixing were investigated. The results show that the folded mixer structure At the three-phase flow inlet, the reference flow rate is 0.1 m/s, the flow rate ratio is 0.2, and the channel width is 0.4 mm, the mixing effect is the best, and when the flow is greater than 40 mm, the solution is almost completely mixed.

(3) The optical detection module is designed. Based on the literature reports of microfluidic online detection devices based on seawater nutrients at this stage, a more mature optical detection flow cell for seawater nutrients detection is designed.

Key Words: Seawater nutrient detection; Microfluidic Chip; COMSOL simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 I

第1章 绪论 1

1.1 海水营养盐检测现状 1

1.2 光流控芯片检测技术的起源及进展 2

1.2.1光流体检测技术的起源 2

1.2.2 光流体检测芯片的研究设计进展 2

1.3 本论文主要研究内容及创新点 3

1.3.1 本论文主要研究内容 3

1.3.2 本论文主要创新点 3

第2章 海水营养盐的检测原理 4

2.1 海水营养盐的消解原理 4

2.1.1 过硫酸钾消解法 4

2.1.2 光化学消解法 4

2.1.3 Fenton氧化消解法 5

2.1.4 臭氧氧化消解法 6

2.2 海水营养盐的检测原理 6

2.2.1 总磷的检测原理 7

2.2.2 总氮的检测原理 8

2.3 海水营养盐的显色原理 8

2.3.1 总磷的显色原理 9

2.3.2 总氮的显色原理 9

第3章 微流控芯片检测器件的设计与优化 10

3.1 水样预处理模块的结构设计及优化 10

3.1.1 传热模块结构选型 10

3.1.2 参数设置与优化 11

3.1.3 仿真模拟计算 11

3.1.4 结果及讨论 13

3.2 显色反应混合模块的结构设计及优化 15

3.2.1 混合器模块的结构选型 15

3.2.2 参数设置与优化 16

3.2.3 仿真模拟计算 17

3.2.4 结果及讨论 19

3.3 光学检测模块的设计与搭建 22

3.3.1 检测原理 22

3.3.2 光学流动池检测单元结构设计 23

第4章 结论 24

致 谢 25

参考文献 26

第1章 绪论

1.1 海水营养盐检测现状

海水营养盐是水生生物的营养物质，但是过量的营养盐却会使得藻类及其他浮游生物迅速繁殖，让水体中溶解氧量下降，导致水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡，这一现象我们称之为水体富营养化。因此，对水中营养盐的含量进行检测具有十分重要的意义。

目前，在我国传统的营养盐检测方法是：进行现场采样，然后带回实验室进行分析^[1]。但是这种检测方法存在许多弊端，譬如在采集、保存和运输的过程中会造成样品的损耗以及污染，且为人工采集与检测，这就造成了大量的人力和物力被浪费。并且，这种检测方法不能进行实时、长时间的检测，导致检测人员不能在第一时间了解水质情况。因此，急需研制一种现场的、即时的海水营养盐检测仪器。

现在，在国外已经有现场检测的分析仪出售，它们可以对水中磷酸盐、 硝酸盐和亚硝酸盐等多种海水营养盐进行检测。在英国，一家名叫生态意识的公司研制出来了一种可沉入水底250米深，能连续工作60天的自动分析仪。其可以被安装在绷紧式缆绳上、也可安装在浮标之上，以检测水中的营养盐含量。据称，已有30多个国家向该公司购买了100多台这一产品。之后，在这一产品的基础上，该公司又研制出了一种可以同时测量磷酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐的新一代自动分析仪。在美国，一家名叫替代化学系统的公司研制出了一种可在水下200米处工作的自动分析仪，这一分析仪由两部分组成，分别是吸收模块和传输模块。带有四个通道，可以测量磷酸盐、硝酸盐、 亚硝酸盐等多种不同物质的含量。而在意大利的希思迪公司运用其特有的专利技术研究出了一种可对磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮进行检测的便携式分析仪。这种分析仪以光度法为原理设计，需4至6周更换一次试剂，储存数据最高可达400个^[2]。

而国内，对海水营养盐的现场检测的研究开始较晚。在 “九五” 期间，成都科技大学采用自动参比流动比色法，研制了测量硝酸盐、 亚硝酸盐、氨氮、 磷酸盐的自动分析仪 ，其具有现场实时的检测功能。在 863计划的支持下，国家海洋技术中心采用顺序注射吸光光度法，研制出了由单片机控制，适合浮标平台使用的磷酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐自动检测仪^[3]。这种检测仪可自动进行样品采集、计算以及添加各种试剂和对吸光度的检测。除此之外，该仪器还可以存贮和处理得到的数据，并且能够传输处理的结果。但是，这种监测仪器的功耗较大，且体积很大，集成度较低，当我们进行现场实时监测时，其携带十分的不便，造成了许多不必要的麻烦，无法满足长时间的定时、定点监测。

1.2 光流控芯片检测技术的起源及进展

1.2.1光流体检测技术的起源

光流控技术是在微机电技术和微流控技术的基础之上，结合光学而产生的一个新的交叉学科和研究内容。其结合微流控技术和传统光学技术，将许多功能单元包括微流体通道、光学器件等集成在一块芯片之上，是一种高度集成化、微型化、且可调节的光学系统。

美国加州理工学院的学者在2003年的时候第一次提出了光流体这一概念，将微流体技术与光子器件相结合以形成光流控系统，找到了一种新的应用方向^[4]。

Psaltis等科学家于2006年的时候在Nature杂志上发表了一篇光流体综述的文章，对光流体一词给出了清晰的描述：光流体是光学与流控技术的结合，并明确指出了在流体介质中构建光学器件的各种优势^[5]。

Hawkins于2010年在光流体技术手册中对光流体一词进一步定义：将光学器件与流控器件集成在微型化的系统中于一体^[6]。

在对光流体的研究中，光流体器件包含3大类：（1）由纯液体构成的系统；（2）由纯胶体或含有固体颗粒的系统；（3）由固体和液体混合而构成的系统。这3类系统是目前光流体技术中最基本的器件。

1.2.2 光流体检测芯片的研究设计进展

目前来说，光流体技术尚处在起步阶段，许多技术仍须研究与发展，以光子学为评判标准，可将光流体的研究分为3个方向：其一，可通过流体的特殊性质设计出具有协调性的光学系统，如固体包层—液体芯流体光波导、液体芯—流体包层流体光波导^[7]、染料激光光源^[8]、变形透镜^[9]，光束整形^[10]、光交换开关^[11]和光滤波器^[12]等；其二，是在第一个的基础之上进行生物化学检测，这个在国外叫做芯片实验室系统，其可以利用极少量的样品，十分精确的测量出结果，具有成本低、速度快等优点，如拉曼分析、荧光检测等，这是目前比较火热的一个研究方向；其三，是利用光学技术来实现对芯片上的粒子在微纳尺度上的控制，譬如对活细胞的光镊操作、金属纳米颗粒的操作等^[13]。这也是一个十分热门的研究方向。

也有学者在研究中进行了新的突破，在光学结构中直接输入液体，在微观上让光和流体作用，进而通过光学器件进行操作。以此来实现功能更加丰富系统，满足各个领域日益增长的需求。

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