专利名称：一种基于微流控芯片的传感器及制备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种基于微流控芯片技术的传感器系统，该系统充分利用了微流控芯片易于将各功能单元集成的特点，将微流体驱动、电化学反应、表面修饰、电化学信号处理、 检测和分析集成于小型芯片上，通过导电高分子膜层或膜层表面修饰的活性酶将小分子进行氧化/还原获得的电化学信号来检测其种类及浓度，进行被分析物质的分析与检测。
背景技术：
随着社会经济的迅速发展和环境资源的过度开发，环境污染问题越来越引起人们的极大关注，如有毒有害气体、固体和重金属(离子)污染已经危害到了人们的生活而日益受到社会的重视。对有毒有害气体、固体和重金属(离子)污染的检测，目前主要有以下几大类方法。原子荧光光度法通过测量待测元素的原子蒸汽在辐射能激发下所产生荧光的发射强度来测定待测元素，其检出限低于原子吸收法，谱线简单且干扰少，但线性范围较宽， 应用元素有限，仅用于砷、锑、秘、硒、磅、锗、锡、铅、锌、锡、汞的分析。电感藕合等离子体质谱分析技术将电感藕合等离子体与质谱联用，利用电感藕合等离子体使样品汽化，将待测物分离出来，从而进入质谱进行测定，但价格昂贵，易受污染。电感藕合等离体原子发射光谱是通过高频感应电流产生的高温将反应气加热、电离，利用元素发出的特征谱线进行测定谱线强度与待测物含量成正比，但检测灵敏度略差。高效液相色谱法通过待测物与有机试剂形成稳定的有色络合物，然后用高效液相色谱分离，紫外可见检测器检测，可实现多元素同时测定，但络合试剂的选择有限，给其广泛应用带来了局限性。免疫分析法是一种具有高度特异性和灵敏度的分析方法，但金属离子单克隆抗体的制备非常困难，而较容易制备的多克隆抗体又难以满足对金属离子的特异性要求。光离子化检测器，利用具有特别能量的离子源(紫外灯)将待测物击碎成可被检测器检测到的正负离子(离子化)，应用范围略窄，价格昂贵。半导体式传感器把电极嵌入到金属氧化物的烧结体中，由气体吸附引起半导体电阻变化，其导电能力随气体浓度变化，从而从传感器的响应电路测知气体浓度，特点是寿命长，不易中毒、在高浓度下也不易损坏，可用于有毒有害或可燃气体的检测，但很难对特定气体敏感。催化燃烧式检测仪是常见的以惠斯通电桥作为检测单元的检测仪，其特点是只能检测可燃气体。因此，对有毒有害气体、固体和重金属(离子)污染的在线和快速检测迫在眉睫， 人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的便捷式检测仪器。近年来， 微流控芯片作为一种新型的分析平台具有微型化、自动化、集成化、便捷和快速等优点，已经在很多领域获得了广泛的应用，例如细胞生物学、分析化学、材料学、组织工程和微电子等领域。然而，利用基于微流控芯片的电化学传感器系统，通过电化学的氧化/还原特性来获取被检测分子的种类与浓度，目前在应用领域尚未有实质性的突破。
发明内容
本发明的目的是设计和制备一种基于微流控芯片的传感器系统，其特征在于该系统可以便捷、快速、高灵敏度、准确地分析检测小分子。在微流控芯片上加工反应微通道、流体微通道、电极微通道和隔膜区域。将电化学的三电极布置在芯片的电极微通道中，在反应微通道上进行表面镀金修饰后，进行电化学反应，原位合成三维的导电高分子膜层，继而对三维的导电高分子膜层进行活性酶的表面修饰固定化。利用活性酶对小分子的氧化/还原特性，进行小分子的电化学检测，通过分析电化学信号得到被分析物质的种类及浓度信息。为实现上述目的，本发明采用以下的操作步骤1.用计算机辅助设计软件(CAD)设计和绘制微流控芯片的微通道图形。2.通过微加工技术在微流控芯片的基材表面制备CAD设计的芯片图形。3.将芯片基材切割后得到上下两片微流控芯片(5 X 5cm)，用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗后，自然晾干。4.将芯片的反应微通道进行表面镀金修饰。5.将电化学的工作电极插入下芯片的电极微通道中，与反应微通道相连。6.将电化学的对电极和参比电极插入上芯片的电极微通道中。7.将亲水的聚四氟乙烯(PVDF)薄膜内嵌于上芯片的隔膜区域中，再进行上下两层芯片的封合，使薄膜垂直覆盖于下芯片的反应微通道表面，将电化学的工作电极与对电极和参比电极进行隔离。8.将微流体输送微泵、电化学工作站和芯片进行连接，组装成微流控芯片传感器系统。本发明中，微流控芯片基材可以是石英、玻璃、硅材料、高分子聚合物和金属材料。本发明中，微流控芯片上的微通道网络可以通过数控铣刻、激光刻蚀、LIGA技术、 模塑法、热压法、化学腐蚀，也可用软刻蚀技术等微加工方法在芯片基材表面制备。本发明中，反应微通道中三维的导电高分子膜层可以是聚吡咯、聚苯胺、聚对苯乙烯和聚噻吩。本发明中，隔膜区域上覆盖的薄膜是亲水的多孔薄膜材料或者经表面改性后亲水的多孔薄膜材料，例如PVDF薄膜、聚乙烯薄膜和聚四氟乙烯薄膜。本发明中，电化学的三电极集成于微流控芯片上，工作电极与反应微通道接触， 电化学反应发生在表面镀金的反应微通道中，并不直接发生在电极上。本发明中，反应微通道的表面可以镀金、钼、钯、钛、铜、镍、钼、钽。本发明中，对电极和参比电极通过隔膜与工作电极隔离，同时电解质溶液可以渗透亲水的多孔薄膜与对电极和参比电极相接触，形成三电极的电化学工作系统，电化学反应在反应微通道中进行。本发明中，通过微加工技术控制反应微通道的深度，从而可以改变电化学反应条件来调节三维导电高分子膜层的孔径和厚度。本发明中，三维的导电高分子膜层可以利用自身的氧化/还原能力对小分子进行氧化/还原，也可以进行活性酶的固定化修饰，利用酶的活性对小分子进行氧化/还原。本发明中，基于微流控芯片的传感器系统在芯片上采用反应微通道原位合成三维的导电高分子膜层，该膜层具有微/纳多级结构形成的多孔网络结构，使得导电高分子的氧化/还原能力和效率增强。本发明中，基于微流控芯片的传感器系统的反应微通道的尺寸是宽约200微米，深约50微米，长度根据需要可在5至20毫米，通道的微尺度决定了其需要的被检测样品用量少。本发明中，基于微流控芯片的传感器系统集成了微流体驱动单元，通过驱动微流体在微通道中的流动，可便捷地对三维的导电高分子膜层进行清洗，实现不同样品间的无妨碍分析与检测。本发明提出的基于微流控芯片的传感器系统，具有操作简单、适用范围广、精确度高、多功能单元在芯片上集成化、系统便捷式以及操作自动化等特点，在此基础上可以实现对小分子的检测。该系统为实现芯片上的生物/化学传感器提供了重要基础和技术突破。
图1为本发明的基于微流控芯片的传感器系统的芯片示意图。图中1是上芯片的平面图，2是粘性薄膜平面图，3是下芯片的平面图。1中，上芯片主体是一微槽，用于放置 PVDF隔离膜，内有两个微通道，用于放置对电极和参比电极。2为双层力致粘性膜，放置于上下芯片间，进行芯片的封合。3中，下芯片由孔和微通道组成，孔有样品储备孔(A)，废液孔(B)，清洗液孔(C)，液体出口孔(D)，其他为开放微通道。中间微通道是下芯片主体，用于放置工作电极的微通道和其垂直相连，镀金后进行导电高分子的原位聚合。图2为本发明的基于微流控芯片的传感器系统的工作流程。
具体实施方案实施例1 用计算机辅助设计(CAD)绘制微流控芯片的微通道图形，再用光刻-化学腐蚀法在上下两片玻璃(5X5cm)的表面刻蚀出所需的微通道网络。将玻璃用清洁剂、乙醇、去离子水、丙酮、乙醇清洗后，室温晾干。将对电极和参比电极放置于上芯片的电极微槽中，以及将工作电极放置于下芯片的微槽中。将亲水PVDF薄膜进行剪切，得到与上芯片的微槽尺寸大小的膜片，将PVDF薄膜垂直放置微槽内，覆盖于对电极和参比电极上。将下芯片用普通透明胶进行表面粘贴，而将中间与工作电极微槽垂直的微槽暴露出来，进行表面镀金。然后用双层力致粘性薄膜将上下两片玻璃芯片粘合，施加一定的压力进行封合。将导电高分子聚合溶液(0. 3mol/L苯胺/0. 4mol/L盐酸/0. 15mol/L聚乙烯磺酸钠)用注射泵导入微通道中，同时将三电极与电化学工作站相连，进行导电高分子的原位聚合。聚合完成后，在镀金的反应微通道表面形成了三维多孔的导电高分子膜层，从而制备成用于小分子检测用的基于微流控芯片的传感器系统。实施例2:用计算机辅助设计(CAD)绘制微流控芯片的微通道图形，然后激光打印机将图形打出作为光掩膜，再用准分子激光刻蚀机在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基材表面制备所需的芯片微通道网络。将PMMA基材切割后，用乙醇、去离子水、乙醇清洗后，自然晾干，得到上下两片PMMA芯片(5 X 5cm)。将对电极和参比电极放置于上芯片的电极微槽中，以及将工作电极放置于下芯片的微槽中。将亲水聚乙烯薄膜进行剪切，得到与上芯片的微槽尺寸大小的膜片，将聚乙烯薄膜垂直放置微槽内，覆盖于对电极和参比电极上。将下芯片用普通透明胶进行表面粘贴，而将中间与工作电极微槽垂直的微槽暴露出来，进行表面镀金。然后用双层力致粘性薄膜将上下两片玻璃芯片粘合，施加一定的压力进行封合。将导电高分子聚合溶液(0. lmol/L吡咯/0. lmol/L盐酸/0. 008mol/L苯磺酸钠)用注射泵导入微通道中，同时将三电极与电化学工作站相连，进行导电高分子的原位聚合。聚合完成后，在镀金的反应微通道表面形成了三维多孔的导电高分子膜层，从而制备成用于小分子检测用的基于微流控芯片的传感器系统。实施例3 用计算机辅助设计(CAD)绘制微流控芯片的微通道图形，用数控CNC微加工系统将所需的微通道网络图形铣刻加工于聚碳酸酯(PC)基材表面。将PC基材用清洁剂、去离子水、乙醇、去离子水、乙醇清洗后，自然晾干，得到上下两片PC芯片(5X5cm)。将对电极和参比电极放置于上芯片的电极微槽中，以及将工作电极放置于下芯片的微槽中。将亲水聚四氟乙烯薄膜进行剪切，得到与上芯片的微槽尺寸大小的膜片，将聚四氟乙烯薄膜垂直放置微槽内，覆盖于对电极和参比电极上。将下芯片用普通透明胶进行表面粘贴，而将中间与工作电极微槽垂直的微槽暴露出来，进行表面镀金。然后用双层力致粘性薄膜将上下两片玻璃芯片粘合，施加一定的压力进行封合。将导电高分子聚合溶液(0. 05mol/L对苯二胺 /0. 5mol/L氯化钾)用注射泵导入微通道中，同时将三电极与电化学工作站相连，进行导电高分子的原位聚合。聚合完成后，在镀金的反应微通道表面形成了三维多孔的导电高分子膜层，从而制备成用于小分子检测用的基于微流控芯片的传感器系统。
权利要求
1.一种基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于该系统在微流控芯片上加工反应微通道、流体微通道、电极微通道和隔膜区域。将电化学的三电极布置在芯片的电极微通道中，在反应微通道上进行表面镀金修饰后，进行电化学反应合成三维的导电高分子膜层，继而对三维的导电高分子膜层进行活性酶的表面修饰固定化。利用活性酶对小分子的电化学氧化/还原特性，实现对小分子的电化学检测，通过分析电化学信号得到被分析物质的种类以及浓度信息。
2.按权利要求1所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征步骤依次如下(1)用计算机辅助设计软件(CAD)设计和绘制微流控芯片的通道图形；(2)通过微加工技术在微流控芯片的基材表面制备CAD设计的芯片图形；(3)将芯片基材切割后得到上下两片微流控芯片(5X5cm)，用乙醇、去离子水、乙醇依次清洗后，自然晾干；(4)将芯片的反应微通道进行表面镀金修饰；(5)将电化学的工作电极插入下芯片的电极微通道中，与反应微通道相连；(6)将电化学的对电极和参比电极插入上芯片的电极微通道中；(7)将亲水的聚四氟乙烯(PVDF)薄膜内嵌于上芯片的隔膜区域中，再进行上下两层芯片的封合，使薄膜垂直覆盖于下芯片的反应微通道表面，将电化学的工作电极与对电极和参比电极进行隔离；(8)将微流体输送微泵、电化学工作站和芯片进行连接，组装成基于微流控芯片的传感器系统。
3.按权利要求1或2所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于这种传感器系统是基于小型微流控芯片的。
4.按权利要求1或2所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于这种传感器系统的检测机理是基于电化学的氧化/还原特性。
5.按权利要求1或2所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于电化学的三电极集成于小型微流控芯片上。
6.按权利要求1或2所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于这种传感器系统可以通过电化学反应，在反应微通道中进行原位电化学合成得到三维的导电高分子膜层。
7.按权利要求1或2所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于这种传感器系统可以通过电化学合成得到多种导电高分子膜层，导电高分子膜层的孔径和厚度可以通过改变电化学反应条件进行调节。
8.按权利要求1或2所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于这种传感器系统可以对三维的导电高分子膜层进行活性酶的表面修饰固定化，活性酶的种类和浓度可以根据应用领域的实际需要进行选择及优化。
9.按权利要求1或2所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于这种传感器系统将被检测物质的驱动、被检测物质的氧化/还原、电化学信号采集、检测和分析等功能单元集成为一体，形成一个微全传感器分析系统，即多功能为一体的小分子分析检测的微流控芯片传感器实验室。
10.按权利要求1或2所述的基于微流控芯片的传感器系统及其制备，其特征在于该系统可以克服传统电化学传感器构件复杂、电解质需求量大、重复性差、使用寿命短、应用领域窄等缺点，能定性和定量地进行小分子的电化学检测，具有广阔的应用前景。
全文摘要
一种基于微流控芯片的传感器系统及其制备方法。该传感器系统由上下两片芯片组成，在上芯片上加工隔膜区域和电极微通道，在下芯片上加工反应微通道、流体微通道、电极微通道等微通道网络。微反应通道经表面镀金修饰后，将进行电化学反应合成三维导电高分子层。将三维导电高分子层进行酶的修饰固定化后，从而对小分子进行电化学检测。
文档编号B01L3/00GK102445472SQ20101050651
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者聂富强 申请人:北京华凯瑞微流控芯片科技有限责任公司