专利名称：一种重金属离子检测芯片及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种重金属离子检测芯片及其制备方法，该芯片重金属离子检测系统充分利用了微流控芯片易于将多个功能单元集成的特点，将微流体驱动、表面修饰、化学识别反应、信号处理、检测和分析集成于小型微流控芯片上，通过待测重金属离子和微通道表面的识别分子发生一对一的识别反应生成新的化合物，产生发光信号的变化，获得待测重金属离子的种类和浓度信息。
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，进入大气、水和土壤的有毒有害重金属如铅、汞、镉、铬等不断增加，超过正常范围则会引起环境的重金属污染，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。例如，大量含重金属的废弃物(如电池电器设备等)，这些废弃物没有得到有效的管理和处置，进一步加剧了重金属的污染和危害，当重金属通过土壤植物系统迁移转化， 并经过食物链的积累和放大作用，就会对生物产生更大的毒害，重金属主要通过污染食品饮用水及空气等途径最终威胁人类健康。对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重金属离子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，但重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重金属离子的特异性要求。因此，对重金属离子污染的在线和快速检测迫在眉睫，人们迫切希望能有一种能对重金属离子污染物进行连续、快速、在线监测的便捷式重金属离子检测仪器。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，基于微流控芯片的重金属离子检测系统，通过一对一的识别反应产生发光信号变化来获取待测重金属离子的种类和浓度信息，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重金属离子检测芯片，其特征在于该芯片离子检测系统在微流控芯片上加工了反应微通道、流体微通道和检测区域，实现了多个功能单元的集成化。在微流控芯片的反应微通道中进行表面改性，通道表面修饰的特定分子和待测重金属离子发生一对一识别反应，生成新的化合物，产生发光信号的变化，发光信息通过分析检测，得到待测重金属离子的种类以及浓度信息。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设计的微通道图形。3.将微流控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.将微流体输送微泵、检测器和微流控芯片进行连接，组装成芯片重金属离子检测系统。5.将微流控芯片的反应微通道进行表面处理。6.将和重金属离子反应的功能分子修饰到反应微通道的表面。7.将待测重金属离子导入反应微通道中，和通道表面的分子发生一对一识别反应，生成新的化合物。8.生成的化合物产生的发光信号变化通过检测器的检测通道，得到待测重金属离子的种类和浓度信息。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，芯片重金属离子检测系统的反应微通道中修饰的分子可以是罗丹明类荧光分子、4-(2-吡啶偶氮)_间苯二酚、CdS纳米微粒、聚乙二醇辛基苯基醚、吐温20、吐温 40、吐温80、Triton X_100、桑色素、吡咯红Y、鲁米诺等。本发明中，芯片重金属离子检测系统可以检测砷、铜、锑、硒、磅、锗、锡、钴、铅、汞、 铋、锌，也可是镍、镉、钼、锰、铬、铌、钼等重金属离子。本发明中，芯片重金属离子检测系统的反应微通道中发生的是重金属离子和通道表面修饰的分子间一对一的识别反应，生成新的化合物，产生发光信号的变化。本发明中，芯片重金属离子检测系统采用小型光学检测器，集成于芯片上，对发光信号的变化进行芯片在线检测。本发明中，芯片重金属离子检测系统在一块芯片上同时实现多种重金属离子的分析和检测。本发明中，芯片重金属离子检测系统在一块芯片上制备多组微通道，在单位时间内提高了对重金属离子的平行检测能力。本发明中，芯片重金属离子检测系统的尺寸可以调控，宽度可以在50 200微米， 深度可以在20 100微米，长度可以在10 25毫米，通道的微尺度决定了其需要的待检测样品和试剂的用量少，提高其检测灵敏度。本发明中，芯片重金属离子检测系统可以进行定性和定量地检测出待测重金属离子的种类和浓度。本发明中，芯片重金属离子检测系统可以成批量进行生产，芯片个体差异小，提高了分析检测的重复性。本发明中，芯片重金属离子检测系统可以进行便捷地清洗微通道，实现同种待测重金属离子的多次无妨碍分析与检测以及不同种重金属离子样品间的无妨碍分析与检测， 降低了其检测成本。本发明中，芯片重金属离子检测系统可以将待测重金属离子的驱动、待测重金属离子的一对一识别反应、信号采集、检测和分析等多个功能单元集成在芯片上，形成多功能集成式的重金属离子检测芯片实验室。本发明提出的芯片重金属离子检测系统，具有操作简单、适用范围广、精确度高、 检测成本低、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，可以实现多种重金属离子的分析和检测。该芯片重金属离子系统为实现重金属离子检测在实际中的广泛应用提供了重要理论基础和技术突破。
图1中A是微流控芯片重金属离子检测系统下芯片的平面示意图，B是上芯片的平面示意图。图I(A)中，下芯片由孔和微通道组成，孔有样品储备孔(a和b)，清洗液孔(c)， 废液孔(d)，液体出口孔(e)，其他为微流体通道。a、b、电极(正/负极)以及中间的微通道组成一个微型电渗泵。主通道是反应微通道，表面修饰有反应功能分子，和重金属离子发生一对一的识别反应。图I(B)中，上芯片主体是一微槽，用于放置光检测器，内有两个微通道，用于放置光信号接收线路。a'、b'、c'、d'、和e'是贯穿上芯片的孔，位置分别和下芯片的a、b、c、d禾口 e对应。
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。制备lmmol/L的鲁米诺-过氧化氢溶液(0. lmol/L鲁米诺/氢氧化钠和lmol/L过氧化氢)。芯片反应微通道依次用氢氧化钠(0. lmol/L, 30min)、 超纯水(IOmin)、鲁米诺-过氧化氢溶液(60min)处理，再自然环境中晾干，将鲁米诺-过氧化氢修饰于反应微通道表面。将正/负电极放置于下芯片的电极微槽中，和外置高压电源相连，组成液体驱动的电渗泵系统。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。将待测Cu2+离子溶液(O.Olmol/L)用注射泵导入微通道中，同时将芯片与发光检测器相连，从而制备成用于铜离子检测用的基于微流控芯片的离子检测系统。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(5X5cm)。制备6mmol/L的罗丹明6G水溶液。在芯片反应微通道依次用氢氧化钠(0. lmol/L, 30min)和超纯水(IOmin)处理后，将罗丹明6G水溶液缓慢导入反应通道，进行反应通道表面的修饰(60min)，再将芯片在自然环境中晾干。将正/负电极放置于下芯片的电极微槽中，和外置高压电源相连，组成液体驱动的电渗泵系统。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。将待测Hg2+离子溶液 (0.01mol/L)用注射泵导入微通道中，从而制备成用于汞离子检测用的基于微流控芯片的离子检测系统。
权利要求
1.一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于该芯片离子检测系统在微流控芯片上加工了反应微通道、流体微通道和检测区域，实现了多个功能单元的集成化。在微流控芯片的反应微通道中进行表面改性，通道表面修饰的特定分子和待测重金属离子发生一对一识别反应生成新的化合物，产生发光信号的变化，获得待测重金属离子的种类以及浓度{曰息。
2.按权利要求1所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，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微通道图形；(2)通过微加工技术在微流控芯片基材表面制备CAD设计的微通道图形；(3)将微流控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)将微流体输送微泵、检测器和微流控芯片进行连接，组装成芯片重金属离子检测系统；(5)将微流控芯片的反应微通道进行表面处理；(6)将和重金属离子反应的功能分子修饰到反应微通道的表面；(7)将待测重金属离子导入反应微通道中，和通道表面的分子发生一对一识别反应，生成新的化合物；(8)生成的化合物产生的发光信号变化通过检测器的检测通道，得到待测重金属离子的种类和浓度信息。
3.按权利要求1或2所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于这种芯片重金属离子检测系统是基于小型微流控芯片的，微流控芯片可以成批量生产、多次重复使用、灵活设计与组装。
4.按权利要求1或2所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于这种芯片重金属离子检测系统的检测原理是基于一对一的识别反应产生的发光信号的变化。
5.按权利要求1或2所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于这种芯片重金属离子检测系统的发光检测窗口直接集成在微流控芯片上。
6.按权利要求1或2所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于这种芯片重金属离子检测系统可以在一块芯片上同时实现多种重金属离子的分析和检测。
7.按权利要求1或2所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于这种芯片重金属离子检测系统可以在一块芯片上制备多组微通道，提高了平行检测能力。
8.按权利要求1或2所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于这种芯片重金属离子检测系统可以成批量生产和多次重复使用。
9.按权利要求1或2所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于这种芯片重金属离子检测系统可以将待测重金属离子的驱动、待测重金属离子的一对一识别反应、信号采集、检测和分析等多个功能单元集成为一体，形成一个多功能集成式的重金属检测芯片实验室。
10.按权利要求1或2所述的一种重金属离子检测芯片及其制备方法，其特征在于这种芯片重金属离子检测系统可以克服传统重金属离子检测仪器复杂、样品需求量大、应用领域窄、分析检测成本高等缺点，能定性和定量地进行重金属离子的分析和检测，具有广阔的应用前景。
全文摘要
一种重金属离子检测芯片及其制备方法。该芯片重金属离子检测芯片将微流体驱动、表面修饰、化学识别反应、信号处理、检测和分析集成于小型微流控芯片上，通过待测重金属离子和微通道表面的识别分子发生一对一的识别反应生成新的化合物，产生发光信号的变化，获得待测重金属离子的种类和浓度信息。
文档编号G01N21/76GK102331419SQ20111007462
公开日2012年1月25日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者聂富强 申请人:上海汶昌芯片科技有限公司