一种有机磷农药电化学检测多通道恒电位仪电路及检测方法

本发明涉及在电化学传感检测技术领域，特别涉及一种电化学检测多通道恒电位仪电路，以及具体涉及一种结合阵列微流控夹具的阵列电极及其检测方法。

背景技术：

恒电位仪是电化学分析和测试中的重要仪器，通过恒电位仪电路控制对电极(ce)电位为设定值，实现以达到恒电位极化的目的，是电化学分析技术的核心功能电路。

微阵列电极以其很容易达到稳态电流水平，灵敏度提高，信号强度提高，减少了样品体积，降低工业成本等特点成为当前最常研究的微电极之一，此外，微阵列电极同时因其具备优良的电化学特性，多个微电极并列，提高了其检测效率。

微流控芯片不仅具有流量可控，样品消耗量小的特点，还具备具有高通量、高灵敏、微型化、功能集成化程度高、节约时间和试剂等独特优势，此外，微流控芯片还可以作为平台结合微阵列电极进行电化学检测，可极大提高其检测能力和效率。

因此，开发一种结合微流控夹具的阵列芯片及相对应适配的恒电位仪电路，其电路稳定可靠、高度适配阵列芯片、实现多通道定量进样，是相关农药快速检测仪的核心功能电路。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是在电化学传感检测技术领域，特别涉及一种电化学检测多通道恒电位仪电路，以及具体涉及一种结合阵列微流控夹具的阵列电极及其检测方法，以及电化学微阵列电极制备和修饰领域提供一种结合微流控夹具的阵列电极芯片的制备以及电化学适配体传感器的构建方法，其具有设备制作使用方便简单、耗材成本低、操作方便、检测结果重复性好、该电化学免疫阵列电极可满足多通道微量检测的要求。

进一步的，通过主控芯片(mcu)控制脉冲信号发生器，经数模转换模块(dac)产生周期为20s的一个三角脉冲波，进而通过集成的减法器在一个基准电压下对其进行电位下移，使其成为正负相交替的三角脉冲波，达到三电极循环伏安的要求。

进一步的，通过高精密仪表运放，将正负相交替的三角脉冲波施加给对电极(ce)，电解底液中参比电极(re)和对电极(ce)之间形成一个反馈体系，通过滤波模组实现低通滤波，降低信号的噪声干扰。

进一步的，对电极和工作电极之间形成一个闭合回路，通过i/v转换后经增益放大(pga)电路并采集其电流信号，进而通过模数转换对其电压进行采样、量化、编码。

进一步的，将其采集到的信号送入微处理器进行运算处理。

进一步的，所述电路还包括数字模拟开关电路单元。

进一步的，排布和构建结合微流控夹具的阵列电极芯片，在一个芯片上集成n个电极,其中(n-2)个为工作电极，1个为对电极，1个为参比电极。在(n-2)个工作电极上涂以含有不同生物活性元件的聚亚胺酯膜，可同时测定(n-2)种生物物质。

进一步的，制备所述的阵列传感器的芯片，所述制备方法如下：

步骤一：先将硅片表面清洁干燥后，氧气的气氛中热氧化生成一层约300nm厚的sio2薄层；

步骤二：经过涂胶后进行金属图形化标准光刻，镜检后打底膜，溅射上20nm的钛（作为粘合层）和约100nm的金，之后进行光刻开窗（刻蚀露出黄色电极区域）即在硅表面形成微电极阵列；

步骤三：经上述操作后，再利用等离子体增强化学蒸镀工艺（pecvd）在非电极变表面生长350nm厚的sio2；

步骤四：将硅片在氧气气氛下，500℃退火30分钟，并去胶；

步骤五：电极阵列划片，按照设计尺寸制备电极阵列，整体阵列芯片为9.7mm×20mm，制备好的电极阵列精确切割备用；

步骤六：利用光及活性离子刻蚀技术使金圆盘电极及引线连接区暴露出来，最后进行划片分装，利用压片技术将芯片压制到一个设计好的管芯中，引出导线，利用环氧树脂黏合剂盖住连接导线，保证绝缘密封。

进一步的，进行微阵列传感界面的修饰，利用湿化学合成法合成钯纳米单晶作为种子，诱导金纳米树枝的生长，制备导电性好、生物相容性高的纳米复合材料，借助sem、tem、afm等表征手段对纳米复合材料的表面形态进行表征，并借助循环伏安法对所制备的纳米材料的电化学性能进行分析，为选取性能最佳的纳米复合材料修饰于传感界面提供强有力的数据支撑，借助电化学沉积法或者物理吸附滴涂法修饰纳米复合材料与生物传感界面。

进一步的，采用电化学共聚的方式包埋抗体，通过电化学操作，及其所利用的纳米复合材料良好的生物相容性可以有效地控制所固定抗体的生物活性及其包埋有抗体的电极位置及膜厚，从而可以实现在单个芯片的不同位置定点固定不同的抗体，来达到单个芯片上同时检测多个有机磷农药抗原的目的。

进一步的，完善整个检测系统：自动进样系统，微阵列电化学传感器，恒电位仪电路，信号采集处理系统，废液收集系统，进样系统为用10ml的注射器作为样品容器，恒流进样隔膜泵提供均匀推进动力，从而使液体保持匀速流动，芯片电化学传感器的微型反应池设计成球形腔室，合理设计通道以缓解通道内流体的毛细管作用，使得通道内液体流速稳定，液体分布均匀，减小腔室死体积，电化学工作站和信号采集系统的小型化和便携式，便于装置携带于现场实时检测；废液收集系统的设计使得样品从腔室流出后，用废液瓶收集，减少对环境的污染。

附图说明

图1所示为一种电化学检测恒电位仪电路示意图。

图2所示为一种电化学检测恒电位仪电路图。

图3所示为四通道继电器电路图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例，应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果，在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的一种有机磷农药电化学检测多通道恒电位仪电路包括：恒电位仪电路、微流控夹具、微阵列电极、信号传输模组、多通道继电器模组、直流稳压双电源模组、微控制器，其中，恒电位仪的微控制单元采用32位高性能内置多通道高精度数模转换单元、多通道模数转换单元的armcortex-m7处理器，信号放大中采用具有低背景噪声、低功耗、高精度、低输入偏置、高共模抑制比等优良特性的仪器仪表运算放大器，采用截止频率为10khz的四阶贝塞尔(bessel)低通滤波器降低整体电路系统本底噪声，提升系统抗干扰能力，最后基于fpga和ad芯片,通过ad采样将模拟信号转换成数字信号，并送入微处理器进行计算拟合处理，其中所述有机磷农药广谱电化学检测仪包括电压跟随器、电流跟随器、加法器、减法器、微控制单元、数模转换单元、模数转换单元、数据采集电路单元、输出信号低通滤波电路单元、i/v信号转换单元、运算放大电路单元、脉冲信号低通滤波电路单元、脉冲信号发生器电路单元、多通道继电器单元，所述阵列电极包括电极ce、we和re。

本发明的一种有机磷农药电化学检测方法包括：对进行微阵列传感界面的修饰，利用湿化学合成法合成钯纳米单晶作为种子，诱导金纳米树枝的生长，制备导电性好、生物相容性高的纳米复合材料，借助sem、tem、afm等表征手段对纳米复合材料的表面形态进行表征，并借助循环伏安法对所制备的纳米材料的电化学性能进行分析，为选取性能最佳的纳米复合材料修饰于传感界面提供强有力的数据支撑，借助电化学沉积法或者物理吸附滴涂法修饰纳米复合材料与生物传感界面。

所述检测方法采用电化学共聚的方式包埋抗体，通过电化学操作，及其所利用的纳米复合材料良好的生物相容性可以有效地控制所固定抗体的生物活性及其包埋有抗体的电极位置及膜厚，从而可以实现在单个芯片的不同位置定点固定不同的抗体，来达到单个芯片上同时检测多个有机磷农药抗原的目的。

实验一：配制含2mmk3[fe(cn)6]的pbs缓冲溶液(ph=7.4)：nacl8g，kcl0.2g，na2hpo41.42g、kh2po40.27g、k3[fe(cn)6]685.5mg，所有试剂称量后置于1000ml烧杯中，向烧杯中加入约800ml的去离子水，充分搅拌溶解后移至于1000ml容量瓶中定容，完全溶解定容后将溶液移至于试剂瓶中。

实验二：配制封闭液，准确称取卵清蛋白10.00g，加入1000ml磷酸盐缓冲液，搅拌混匀直至蛋白完全溶解。

实验三：制备氯金酸溶液，称量1ghaucl4·3h2o粉末溶于20ml水中，配制成50mmol/l氯金酸溶液，4℃保存备用。

实验四：电极的预处理：将阵列电极活化后在含有5mmol/l的[fe(cn)6]^3-/4-的pbs(ph7.0)进行循环伏安法和电化学阻抗谱表征。

实验五：将阵列电极置于含有1g/l氯金酸和1g/l的氯钯酸溶液中，采用计时电流法恒电位沉积纳米金和纳米钯，反应完成后进行电化学表征，蒸馏水清洗，氮气吹干后备用，取10mg的mwcnts-cooh和20mgpvp加入到20ml的n,n-二甲基甲酰胺溶液中，混合超声振荡20min，通过生物点样仪将0.8μl所述混合溶液滴加到纳米金及纳米钯修饰的阵列电极的各个工作电极表面并充分反应，多壁碳纳米管通过一定的吸附作用和共聚作用稳定的沉积到了纳米金层表面。

实验六：通过生物点样仪对阵列电极表面进行封闭处理。

本发明采用的技术方案为:

（1）在电极阵列中，采用带圆形电极结构使电极表面积最大化并减少尖角效应；

（2）采用抗体作为识别元件修饰电极阵列中的每一个工作电极表面；

（3）使用电化学共聚包埋法在电极表面修饰识别元件，可通过生物点样仪采用逐次加载或并行加载；

（4）对电极进行充分的封闭处理以降低非特异性吸附。

当固定在电极表面的有机磷抗体捕捉住待检有机磷抗原时，电化学反应体系在反应电极表面进行电化学反应，并影响该界面上的氧化还原反应的过程，从而影响循环伏安图的氧化峰和还原峰的峰值。

实施例1阵列电极芯片所结合的微流控夹具的制备。

(1)pdms芯片制作：用solidworks软件绘制微流控夹具的基本图形，用高分辨率激光照排机在照相底片上绘制光刻掩模，其后在硅片上旋涂su-8光刻胶层，对其进行高温固化处理，盖上光刻掩膜后在光刻机上对已固化的su-8光刻胶进行曝光，最后在显影液中显影制得硅片阳模模板；

(2)pdms预聚物和pdms固化剂按以10:1比例混合，在真空中抽气后将其浇注在制作好的阳模模板上，高温固化后剥离得到具有微结构的芯片，根据图纸打出底液灌注孔和底液排出孔；

(3)将前期制备的阵列电极芯片通过密封垫及m3螺丝固定密封。

实施例2结合微流控夹具的阵列电极芯片检测有机磷农药。

(1)进样前使用pbs清洗通道；

(2)进样：取50μl样品底液，通过进样隔膜泵加入进样孔，隔膜泵以吸程为2m的速度抽取样品，出样口通过废液池收集流出的废液。

本领域技术人员可以理解，尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变，因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。