帶有化學(xué)或生物傳感器的高聚物微流動注射安培檢測芯片的研制及應(yīng)用.pdf

1、近年來，以分析儀器集成化、微型化、自動化為目標(biāo)的微流控分析芯片得到了迅猛發(fā)展。高聚物微流控芯片以其性能優(yōu)良、易于批量制備、成本低、適合“一次性”使用等優(yōu)勢，在微流控分析領(lǐng)域得到了廣泛的重視，已經(jīng)成為未來微流控芯片的發(fā)展趨勢。檢測器是微流控分析系統(tǒng)中的核心組成部分，將高靈敏度、高選擇性、小型化的檢測器集成于芯片之上是微流控分析領(lǐng)域的一個研究熱點。安培檢測器靈敏度高、選擇性好、設(shè)備簡單、傳感電極易集成在芯片上，在高聚物芯片上構(gòu)建集成化安培型

2、化學(xué)和生物傳感器，是制備“一次性”芯片的最佳選擇之一?？焖?、高精密度、低消耗的流動注射分析法已經(jīng)為分析工作者廣泛接受。近年來，以微流控芯片為基礎(chǔ)的微流動注射分析系統(tǒng)也得到了廣大研究者的重視。但是，在微流控芯片上集成適合微型流動注射分析的低成本、高靈敏度、高選擇性的安培型化學(xué)和生物傳感器還面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，如何對集成化微薄膜電極進行化學(xué)或生化修飾前的無損表面處理；如何在集成于微通道內(nèi)的微膜電極表面固定生物活性物質(zhì)；如何消除微流控芯

3、片上多組份生物傳感器陣列電極間的交叉干擾等等，都是研制微流動注射安培傳感芯片過程中的一些亟待解決的問題。
　　 本文旨在研制集成有化學(xué)或生物傳感器的高聚物微流動注射安培檢測芯片，并將它們應(yīng)用于生物相關(guān)組分的測定。首先針對高聚物芯片上采用化學(xué)鍍技術(shù)制備的集成化金薄膜微電極，建立了一種簡單、無損的表面預(yù)處理方法；然后，采用適當(dāng)?shù)耐ǖ涝O(shè)計和修飾工藝，在封合后的高聚物芯片上將金基薄膜工作電極修飾成具有巰基丙酸自組裝單分子層的化學(xué)修飾電極

4、，結(jié)合穩(wěn)定、高通量的試樣引入和重力驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)了微流控芯片上的高靈敏流動注射安培法測定多巴胺；在此基礎(chǔ)上，進一步在封合后的高聚物芯片上將三個金基薄膜電極分別修飾成葡萄糖酶電極、Ag/AgCl參比電極、Pt對電極，組成集成化安培型生物傳感三電極體系，應(yīng)用于流動注射安培法測定葡萄糖；最后，研制了一種具有雙通道、集成化雙酶工作電極陣列的復(fù)合高聚物芯片，利用通道的空間間隔消除交叉干擾，實現(xiàn)了葡萄糖和乳酸的同時測定。
　　 全文共分四章

5、：
　　 第一章，評述了近年來涉及微流控芯片的微流動注射分析系統(tǒng)、安培檢測器、電化學(xué)酶傳感器的研究進展。
　　 第二章，主要目標(biāo)是建立一種自動化、快速、高靈敏度、高選擇性檢測多巴胺(DA)的微流動注射安培檢測系統(tǒng)。首先針對以化學(xué)鍍技術(shù)制備在聚碳酸酯(PC)微流控芯片之上的集成化金薄膜微電極，考察了自組裝修飾前對金薄膜微電極進行表面預(yù)處理的方法和條件，研究了空氣等離子體處理和電化學(xué)處理對金膜微電極的清潔效果。研究發(fā)現(xiàn)，通過

6、空氣等離子體預(yù)處理后的金膜微電極能夠得到一個非常潔凈的表面，在其上進行巰基化合物單分子層自組裝，可以修飾上致密的自組裝單分子層，覆蓋率較不做任何處理或僅經(jīng)電化學(xué)處理后的電極表面顯著提高。在此基礎(chǔ)上，在封合后的PC芯片上，利用巰基丙酸(MPA)對金膜微電極進行自組裝修飾，制成了具有集成化化學(xué)修飾工作電極的PC微流控芯片，結(jié)合缺口管自動進樣系統(tǒng)和重力驅(qū)動技術(shù)，構(gòu)建集成有化學(xué)修飾電極的芯片流動注射安培檢測系統(tǒng)，并應(yīng)用該系統(tǒng)對多巴胺類化合物進行

7、選擇性檢測。對該系統(tǒng)的檢測電位、流速、進樣量進行了優(yōu)化。在優(yōu)化的條件下，分析速度達每小時180樣，檢測限達74 nmol L-1，試樣消耗在nL級。100μmol L-1的多巴胺溶液連續(xù)19次進樣，峰高的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.9％。自組裝電極抗干擾能力較強，能抵御10倍于多巴胺濃度的抗壞血酸的干擾。所建立的方法已應(yīng)用于新鮮尿樣中加標(biāo)多巴胺及藥物制劑中多巴胺的測定。
　　 第三章，主要目標(biāo)是制備集成有酶傳感電極、Ag/AgC

8、l參比電極和Pt對電極三電極系統(tǒng)的一體化PC微流動注射生物傳感芯片。由于一體化PC芯片的封合通常需要在較高的溫度和壓強下進行，而酶電極無法經(jīng)受如此嚴(yán)酷的封合條件。因此本文重點考查了在芯片封合后，如何分別把集成在芯片上的三個金基電極修飾成葡萄糖氧化酶工作電極、Ag/AgCl參比電極和Pt對電極，并確保修飾過程中每個電極的專用修飾溶液不污染其他兩個電極。實驗發(fā)現(xiàn)，首先對金工作電極進行MPA自組裝修飾，接著對另外兩個金電極基底分別電鍍Ag/A

9、gCl薄膜和Pt薄膜作為參比電極和對電極，并在電鍍過程中向通道內(nèi)注入流動的緩沖液以保護MPA修飾的工作電極不被電鍍液污染，最后再把酶固定到MPA修飾的金工作電極上，以這樣的順序分別修飾三個金基微膜電極，能夠保證三個電極在修飾過程中不被交叉污染。將所制備的集成有三電極體系葡萄糖酶傳感器的PC微流控芯片與重力驅(qū)動和自動進樣裝置相結(jié)合，構(gòu)成微流動注射安培檢測分析系統(tǒng)，用來檢測葡萄糖的含量。分析性能較常規(guī)流動注射安培檢測大為改善，系統(tǒng)檢測限為4

10、.1μmol L-1，試樣消耗量為130 nL，分析通量達每小時116樣品，100μmol L-1的葡萄糖溶液的日內(nèi)和日間重現(xiàn)性分別達到了0.7％和1.8％，芯片與芯片之間的重現(xiàn)性也小于10％。該流動注射安培檢測系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于葡萄糖-NaCl注射液中葡萄糖含量的測定。
　　 第四章，目標(biāo)為研制可同時測定葡萄糖和乳酸的雙通道微流動注射高聚物芯片，為發(fā)展微流控多通道電化學(xué)生物傳感芯片提供技術(shù)平臺。以帶有主/支通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PDMS基

11、片和帶有微電極陣列的PC蓋片組成復(fù)合微流控芯片，將葡萄糖酶電極和乳酸酶電極分別設(shè)置在兩條支通道內(nèi)，利用支通道的空間隔離作用消除相同酶促產(chǎn)物之間的交叉干擾。實驗中發(fā)現(xiàn)，在疏水性高聚物芯片中，流體由主通道向兩支通道分流的流量不均勻，甚至出現(xiàn)某一支通道斷流的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了安培檢測器的正常工作。本章對通道構(gòu)型、芯片表面性質(zhì)等影響支通道流量均一性的因素進行了考察。研究表明，芯片的通道構(gòu)型、通道表面的親疏水性、通道網(wǎng)絡(luò)的對稱性等因素對兩分支通道的

12、分流比有一定影響。采用主/支通道截面比為2:1的Y型通道構(gòu)型、對PDMS通道基片用等離子體預(yù)處理，能在一定程度上提高分流的均勻性。但由于手工加工的兩支通道出口，其幾何尺度和打孔質(zhì)量均有一定的不確定性，上述措施尚不能使分流完全均勻。在分支通道出口連接背壓調(diào)節(jié)管，通過調(diào)節(jié)該管的液位使兩支通道內(nèi)流體所受到的背壓基本平衡，能有效地解決兩支通道分流不均勻的問題，實現(xiàn)了分支通道內(nèi)流體的可操控。在上述研究基礎(chǔ)上，制備了集成有葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶傳

13、感電極陣列的PDMS/PC復(fù)合芯片，用于葡萄糖和乳酸的同時檢測。通過實驗對檢測電位、流速等條件進行了優(yōu)化。在優(yōu)化的條件下，葡萄糖和乳酸的檢測限分別為78μmolL-1和127μmol L-1，11次葡萄糖和乳酸連續(xù)進樣重現(xiàn)性分別達0.9％和0.8％。本系統(tǒng)抗干擾能力較強，除葡萄糖和乳酸不會發(fā)生交叉干擾以外，0.1 mmol L-1的抗壞血酸和0.5 mmol L-1的尿酸均不產(chǎn)生干擾。該雙通道流動注射安培檢測芯片應(yīng)用于人血清實際樣品中葡

14、萄糖和乳酸的測定，測定結(jié)果和參考值并無明顯誤差。
　　 本論文的主要創(chuàng)新點：
　　 1.建立了一種以空氣等離子體無損清洗集成于高聚物芯片上的化學(xué)鍍金薄膜微電極的方法，實現(xiàn)了在封合后的芯片中，通過巰基化合物的動態(tài)自組裝制備化學(xué)修飾電極。所研制的帶有化學(xué)修飾電極的聚碳酸酯芯片，與缺口管自動進樣裝置和重力驅(qū)動相結(jié)合，實現(xiàn)了高通量的微流動注射安培法選擇性檢測多巴胺。
　　 2.建立了一種PC微流控芯片封合之后，在通道內(nèi)分

15、別把三個金膜微電極修飾成葡萄糖氧化酶修飾工作電極、Ag/AgCl參比電極、Pt對電極的方法。通過設(shè)計合理的修飾順序，結(jié)合采用保護性液流，確保了各電極在整個修飾過程中不被其他修飾液所污染。利用本方法制備的帶有集成化三電極系統(tǒng)的一體化PC微流動注射安培檢測芯片具有很好的分析性能。
　　 3.研制了可同時測定葡萄糖和乳酸含量的雙通道微流動注射安培檢測芯片，利用分支通道的幾何構(gòu)型來消除由于同種酶促產(chǎn)物相互擴散引起的交叉干擾，并且通過在分