有机磷农残集成微流控光度检测非线性误差形成机理及补偿方法

Portability is the development trend of organophosphorus pesticide residue detection technology. While, the integrated microfluidic photometric detection with the advantages of miniaturization and extremely low consumption becomes an important way to realize portable pesticide residue detection. However, compare with the macro-scale detection, both the bad anti-jamming ability and large nonlinear error of micro-scale detection have seriously affected the detection limit performance of pesticide residue detection, and became the barrier for the portable development of pesticide residue detection . This project is aimed at breaking the limitation that the macroscopic photometric error method cannot used in micro-scale error compensation directly. The course of this project is to start with the chain reaction dynamic process of mixture, enzyme inhibition and coloring reaction, and light absorption detection, exploring the generation mechanism and compensation method of non-linear error. The specific process is that by using the combination of multi-physics coupling simulation, ray tracing simulation and physical and chemical reaction observation of each step, to disassemble the error generation mechanism caused in each dynamic step of the reaction chain horizontally , and solve the problem of independent error classification modeling under the action of micro-scale effect. Moreover, on the basic of error modulating simulation and experiments, vertically explore the error coupling mechanism in each step of the reaction chain, and solve the error coupling model between physicochemical systems at micro-scale. Weighing the error compensation performance of software and hardware, refining the error compensation method synthetically become the theoretical basic of developing a microfluidic photometry pesticide residue detection system with high accuracy and low detection limit.

便携化是有机磷农残检测技术发展的趋势。而集成微流控光度检测以其极低耗材、微型化等优势是实现便携化农残检测的重要手段。但是，相比宏观尺度，微尺度下农残检测的抗干扰能力差、非线性误差大，严重影响农残检测的检出限性能，已成为农残检测装备面向便携化发展的瓶颈。本项目旨在解决宏观光度误差理论不直接适用于微尺度误差补偿的问题，从微尺度下的混合、酶抑制显色反应及光吸收检测的链式反应动力学过程出发，探索非线性误差形成机理及补偿方法。采用多物理场耦合仿真、光线追踪仿真及各环节理化反应观测相结合的研究手段，横向拆解反应链各环节动力学过程中误差形成机理，解决微尺度效应作用下各环节独立误差分类建模的问题；以误差调制仿真及实验为桥梁，纵向挖掘反应链各环节间误差耦合作用机制，解决微尺度下不同理化体系间耦合误差的建模问题；权衡硬、软件误差补偿性能，提出误差补偿方法，为高精度有机磷农残集成微流控检测系统研制奠定理论基础。

相比宏观尺度，微尺度下农残检测的抗干扰能力差、非线性误差大，严重影响农残检测的检出限性能，已成为农残检测装备面向便携化发展的瓶颈。本项目首先利用有限元分析结合实验测量对纸基与玻璃基微流控芯片的流速、微结构等误差来源进行分析，归纳微混合误差引入机制和形成规律，研究微混合过程中的折叠、拉伸及分合作用对酶抑制反应的影响，分别设计了内肋型、循环分合型和新型复合型三大类局部微混合几何结构，结果显示，基于矩形内肋复合循环圆形分合型（矩形-圆形）微混合结构的微混合效率最佳，比矩形内肋型微混合效率增加17.12%，比圆形循环分合型微混合效率增加39.48%。在整体微结构方面，设计了两种微流控整体芯片结构，分别为“伞型”和“鱼鳞型”微流控芯片结构，结果综合显示，“鱼鳞型”结构的检测性能优于“伞型”微流控结构，最终建立微混合与生化反应误差数学模型，为纸基及玻璃基微流控检测芯片在农药残留快速检测等领域的应用提供了制作工艺上的理论指导，并为复合式微混合器的设计奠定了理论基础；其次，利用多物理场耦合仿真结合实验测量，研究温度、酶及类酶材料密度分布等工艺参数对化学反应以及集成微流控芯片光度检测的影响，研究结果得出检测最佳pH值为7.5、适宜温度为36ºC、最佳进样速度为0.8mm/s、最佳光照强度为10024.83（cd）、纸基与玻璃基微流控芯片最佳光源波长分别为640nm、412nm，最佳检测时间为13min，并归纳出化学反应及微流控芯片光度检测误差来源和耦合规律，为便携式微流控检测技术的推广开发奠定了理论基础；最后，根据各类误差来源及其耦合规律，提出应用于高精度农残检测的非线性误差补偿算法，搭建集成微流控农药残留光电检测实验系统。项目以敌百虫、呋喃丹以及久效磷3种有机磷和氨基甲酸酯类农药为例来研究所建立的误差补偿模型对最终农药残留检测结果的影响，3种检测值与农药加标浓度值的相对误差分别为3.99%、4.58%、4.03%，检出限为0.0084mg/kg、0.0511mg/kg、0.0158mg/kg，远低于国家规定的0.2mg/kg、0.5mg/kg、0.05mg/kg农药最大残留量（MRL）。项目所建立的非线性误差补偿模型为高精度有机磷农残集成微流控检测系统研制奠定了理论基础。