一种以微流控芯片为载体的微型电化学检测装置的制作方法

本发明属于生物化学技术领域，具体涉及一种以微流控芯片为载体的微型电化学检测装置。

背景技术

中国当前面临着较为严重的水质污染问题，据美国《科学》(《science》)杂志论文显示，中国约有1958万人生活在水砷污染高风险地区。目前在中国国内进行一次单项指标的水样检测的费用大约在500-1000元，个人往往难以负担如此高昂的检测成本，民用水质检测领域还停留在检测ph、硬度等基础指标，而对检测水中各种毒害离子领域还是空白。

通过循环伏安法这一普适的、快捷的、准确的电化学检测方法可以达成单次对某种特定物质浓度的检测，查阅文献可以获得表征该物质的特定电压值，在该特定电压值附近设置扫描电压，获得在该电压下得特征电流，即可和该物质浓度的标准曲线进行比较，获取浓度。

目前循环伏安法的实现仍需要依托大型的电化学工作站，实验条件较为严格且需要专业技术人员，所以迫切需要一种便携、低成本、高精度、易操作的装置。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种以微流控芯片为载体的微型电化学检测装置，通过所述的微流控芯片和电化学检测装置可以快捷、方便、准确地检测出某种物质的含量。

本发明采用如下技术方案：

一种以微流控芯片为载体的微型电化学检测装置，包括：微流控芯片、托盘、电机及电化学检测装置；所述电化学检测装置与所述电机相连以控制转速；所述微流控芯片嵌入所述托盘中；所述托盘中部插入电机转轴；所述电机旋转时所述托盘带动所述微流控芯片旋转；

所述微流控芯片包括黏合在一起的下部基片、修饰有功能性镂空的中部叠层和修饰有功能性镂空的上部盖板；所述微流控芯片从上至下包括注液孔、粗流线管路、孵育室、毛细阀流线管路和检测室；所述粗流线管路连接所述注液孔与孵育室，所述毛细阀流线管路连接所述孵育室与检测室；

所述电化学检测装置包括外壳、检测电极、恒电位电路、电流-电压转换电路、多档位放大电路和微处理器；所述外壳内部为空腔，所述恒电位电路、电流-电压转换电路、多档位放大电路和微处理器设置在所述空腔中；所述检测电极悬挂在装置外壳外且与所述检测室和所述恒电位电路的输入分别相连；所述恒电位电路的输出与所述电流-电压转换电路的输入相连；所述电流-电压转换电路的输出与所述多档位放大电路的输入相连；所述微处理器与多档位放大电路的输出相连以对信号进行处理。

优选的，所述微流控芯片的制备方法包括：

选用2mm厚度的聚甲基丙烯酸甲酯作为微流控芯片的制作材质，使用激光刻蚀的方式刻蚀出所述下部基片、修饰有功能性镂空的中部叠层和修饰有功能性镂空的上部盖板；

刻蚀完毕后使用质量分数为15％的乙腈的乙醇溶液作为黏合剂将下部基片、中部叠层和上部盖板黏合在一起组成微流控芯片；

将黏合完毕的微流控芯片置于0.2mpa、110℃条件下高压热合40分钟。

优选的，所述上部盖板覆盖有铝膜。

优选的，所述注液孔半径为2mm；所述粗流线管路的宽度为1mm；所述毛细阀流线管路宽度为100μm。

优选的，所述托盘使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料制作。

优选的，所述检测电极为丝网印刷电极，基底材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯；导电材料为银；工作电极材料为碳，参比电极材料为银，对电极材料为碳。

优选的，所述微控制器与所述恒电位电路相连以控制加载在所述检测电极上的电压强度。

优选的，所述微控制器与所述多档位放大电路相连还用于控制不同的脉冲输入与进行多档位切换。

优选的，所述电化学检测装置还包括显示屏；所述显示屏安装在所述外壳表面；所述显示屏与所述微处理器相连以显示检测到的电压值。

优选的，所述电化学检测装置还包括控制按键；所述控制按键安装在所述外壳表面；所述控制按键与所述微处理器相连以启动控制。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明一种以微流控芯片为载体的微型电化学检测装置，携带方便，可以快捷、方便、准确地检测出某种物质的含量；装置外壳及装载微流控芯片的托盘选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料作为材料，便于采用3d打印的方式制作，降低成本；

(2)本发明制作的微流控芯片，所选材料为可塑性强、价格低廉的聚甲基丙烯酸甲酯；包括注液孔、粗流线管路、孵育室、毛细阀流线管路和检测室五个功能性组块，用于待测液体的预处理及短时储存，其中的注液孔为待测液体注入位置，设计宽度为1mm的粗流线管路可以使得待测液体顺利流入孵育室，孵育室为待测液体检测前做特殊处理的场所、在孵育室中可以提前放置冻干形态的细菌或者其他化学物质，设计宽度为100μm的毛细阀流线管路可以起到微阀门的作用、防止待测液在预处理完毕或电机打开之前流入检测室，其表面覆盖的铝膜可以防止芯片在使用前受到污染、待测液体受到光照因素的影响；

(3)本发明的电化学检测装置包括检测电极、恒电位电路、电流-电压转换电路和多档位放大电路；所述恒电位电路可以保证在进行电化学检测的过程中工作电极与对电极之间的电势差不会受到待测液体中相关具有氧化性或还原性的物质的影响；所述电流-电压转换电路可以将极易受到干扰的微小电流信号转换为可以稳定传递的微小电压信号；所述多档位放大电路可根据实际情况通过微处理器调控模拟开关的开合接入不同大小的电阻来调节电压信号的不同放大倍数；检测电极选用丝网印刷电极，具有体积小、便于携带、可直接插入所述检测室从而进行快速检测的优点。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种以微流控芯片为载体的微型电化学检测装置不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明装置的修饰有功能性镂空的上部盖板的结构示意图；

图2为本发明装置的修饰有功能性镂空的中部叠层的结构示意图；其中2(a)表示修饰有注液孔、粗流线管路、孵育室、毛细阀流线管路和检测室组块的中部叠层；2(b)表示只修饰有检测室组块的中部叠层；

图3为本发明装置的下部基片的结构示意图；

图4为本发明装置微流控芯片与托盘组合结构图；

图5为本发明装置的电化学检测装置的电路连接示意图结构框图；

图6为本发明装置的恒电位电路的电路图；

图7为本发明装置的电流-电压转换电路的电路图；

图8为本发明装置的多档位放大电路的电路图；

图9为本发明装置对水中砷酸根离子检测结果图。

具体实施方式

本发明公开了一种适用于各种可以为电化学检测方法所检出的物质的检测装置，使得通过本发明所述的以微流控芯片为载体的微型电化学检测装置可以快捷、方便、准确地检测出某种物质的含量，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进相关工艺参数以达到不同的检测目的。需要特别指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明范围之内。为了使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面结合附图及实施实例，对本发明进行详细的说明。应当指出的是，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，相关人员明显能再不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明。

本发明一种以微流控芯片为载体的微型电化学检测装置包括基于离心力驱动的微流控芯片、托盘15、电机及电化学检测装置。

参见图1至图4所示，所述微流控芯片及其托盘15，用于待测液体的预处理及短时储存，所述微流控芯片包括：下部基片、修饰有功能性镂空的中部叠层和修饰有功能性镂空的上部盖板；所述上部盖板覆盖有铝膜。具体设计方法包括：

a、微流控芯片流体流线线路及各功能性组件设计

成品芯片共有五个功能性组块，从上至下分别为注液孔10、粗流线管路11、孵育室12、毛细阀流线管路13和检测室14。注液孔10为待测液体注入微流控芯片的位置，粗流线管路11可以使得待测液体顺利流入孵育室12；孵育室12为待测液体检测前做特殊处理的场所，在孵育室12中可以提前放置冻干形态的细菌或者其他化学物质；毛细阀流线管路13可以防止待测液在预处理完毕或电机打开之前流入检测室14；检测室14为插入检测电极的位置。粗流线管路11连接注液孔10与孵育室12，毛细阀流线管路13连接孵育室12与检测室14。上部盖板修饰有注液孔10与检测室14组块；中部叠层修饰有注液孔10、粗流线管路11、孵育室12、毛细阀流线管路13和检测室14组块(参见图2(a)所示，在高度一定时，孵育室的面积显著大于检测室的面积，若待测液体积较大，则插入检测电极时，待测液体会从检测室中溢出。为了解决这个问题，实际应用中可以叠加多层只修饰有检测室组块镂空的中部叠层以增加检测室体积，参见图2(b)所示)；下部基片形状为梨形，不进行功能性组件修饰。通过所述电机以不同速度带动芯片旋转，驱动芯片内流体流动。

b、微流控芯片的制备

b1，选用2mm厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)作为微流控芯片材质，使用激光刻蚀的方式刻蚀出本发明需要的各个叠层；b2，刻蚀完毕后使用质量分数为15％的乙腈的乙醇溶液作为黏合剂将各个叠层黏合在一起组成微流控芯片；b3，将黏合完毕的芯片置于0.2mpa、110℃条件下高压热合40分钟。

具体的，所述注液孔10半径为2mm，粗流线管路11的宽度为1mm，毛细阀流线管路13宽度为100μm。

c、微流控芯片与底盘及电机的组合

c1，选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(abs)制作可与微流控芯片组合的托盘15，使得芯片可以嵌入托盘15中；c2，托盘15中部插入电机转轴，即电机转轴插入电机转轴孔16；c3，电机与微型电化学检测装置中的微处理器连接。本实施例中，所述微处理器选用arduinounor3开发板。

参见图5至图8所示，所述电化学检测装置用于电化学检测方法的具体实施，包括：外壳、检测电极、恒电位电路、电流-电压转换电路、多档位放大电路、微处理器、显示屏和控制按键。所述外壳表面安装有显示屏和控制按键，所述外壳内部为空腔，所述空腔中设置有恒电位电路、电流-电压转换电路、多档位放大电路和微处理器，恒电位电路与悬挂在装置外壳外的检测电极相连，多档位放大电路与微处理器相连。

具体的，所述检测电极为丝网印刷电极，基底材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)，导电材料为银，电极材料为碳(工作电极)、银(参比电极)和碳(对电极)。

具体的，加载在丝网印刷电极上的电压强度可以通过微处理器调整，具体电压强度在待检出物质表征的特征电压值附近扫描。

具体的，所述恒电位电路将电池提供的电压外加在丝网印刷电极的三个电极上，且能维持工作电极与对电极上的电势差。在丝网印刷电极浸入待测液体后恒电位电路所加在液体上的电压会在对电极上回产生一个微弱的电流信号，该电流信号通过电流-电压转换电路转换为电压信号，输入多档位放大电路。在多档位放大电路中适配于不同放大倍数的通路达到不同的放大效果。放大后的信号经过微处理器处理后输出到显示屏上。其中，图6至图8中，we、ce和re分别表示工作电极、对电极和参比电极的接口，整合在丝网印刷电极上；vref为输入检测电路是否工作正常的标准电压的接口；vm为输入检测某一特定物质的特征电压的接口；a3_out为输出经电流-电压转换电路转换we上产生的微小电流信号后的微小电压信号的接口；adc_out为输出放大后的电压信号的接口；pwm1、pwm2和pwm3为微处理器输出调节电压放大电路档位的高低电平的接口。

具体的，恒电位电路、电流-电压转换电路、多档位放大电路部分集成在一块5cm×5cm的印刷电路板上。

具体的，所述显示屏为蓝底白字，与所述微处理器相连显示为检测到的电压值。

具体的，所述控制按键为一键式检测按钮，与所述微处理器相连以发出各种控制指令使所述微处理器启动对应的控制。

本实施例中，一具体应用如下：

将感应水中砷酸根离子浓度的冻干大肠杆菌工程菌预置于微流控芯片孵育室12中的操作方法如下：

(1)在e.colidh5α感受态细胞中同时转入编号为bba_k2310901、bba_k2310000的两个质粒，质粒中携带的lacz基因表达出的β-半乳糖苷酶水解4-(2-吡啶偶氮)-邻苯三酚(papg)后产生的产生4-氨基酚(pap)浓度与重金属离子浓度有较好的线性关系。

(2)将培养至稳定生长期的大肠杆菌工程菌制成冻干粉后置于微流控芯片的孵育室12中，用铝箔贴纸将微流控芯片的上层盖板完全覆盖。

本实施例中，另一具体应用如下：

本实施例所用到的待测水样的预处理方法及检测待测水样中的具体方法如下：

(1)待测水样为人工配置的浓度为0.1mm的砷酸钠溶液，目的是为了能够使检出结果呈阳性。将配置好的砷酸钠溶液抽取50μl通过注液孔10注入微流控芯片，将芯片对称放置于托盘15上。打开电机，使托盘15以较低速度旋转，待待测溶液全部离心进入孵育室12后关闭电机，孵育20分钟。此操作目的在于复苏大肠杆菌工程菌及使大肠杆菌工程菌表达出β-半乳糖苷酶。

(2)20分钟后，通过注液孔10注入5μl质量浓度为3％的4-(2-吡啶偶氮)-邻苯三酚(papg)溶液，继续孵育10分钟。打开电机开关，使托盘15以较高速度旋转，此时待测液可以突破毛细阀流线管路13的限制，被离心至微流控芯片的检测室14。将丝网印刷电极扎破微流控芯片表面铝箔插入检测室14，控制微处理器输出扫描三角波电压，电压变化幅度为-0.3v至+1.1v，扫描电压增长速率(步长)为0.2v/s。β-半乳糖苷酶水解4-(2-吡啶偶氮)-邻苯三酚(papg)后产生的产生4-氨基酚(pap)在电压为-0.225v时有特征峰，读出峰值电流数据即可得知水中砷酸根离子浓度的相对值，如图9所示。

结果表明，用本发明所设计的理论测量精度达到了微安级别，可以快捷、方便、准确地检测出砷酸根离子的浓度。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。