CN104198469B

CN104198469B - 双性电极电致化学发光纸基微流控芯片及其成像传感应用

Info

Publication number: CN104198469B
Application number: CN201410494915.2A
Authority: CN
Inventors: 章春笋; 刘瑞
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: CN104198469A

Abstract

本发明公开了一种双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片及其在成像传感中的应用，该芯片的制备方法包括以下步骤：使用软件设计微流控通道和电极的图案，然后制成网板；将电极网板紧贴在滤纸上，通过在电极网板上刷涂导电碳浆而将电极的形状和尺寸印刷在滤纸上；取印有电极的滤纸，将通道网板紧贴在滤纸上，用蜡笔在通道网板上研磨刷涂；然后加热，蜡渗透在滤纸中形成微流控通道和溶液储存池，得到双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片。本发明首次在纸上将碳浆作为双性电极材料，并以此为基础制作的电致化学发光芯片对三丙胺进行成像传感检测，具备双性电极电化学和纸基微流控的优点。

Description

双性电极电致化学发光纸基微流控芯片及其成像传感应用

技术领域

本发明属于微流控芯片传感领域，具体涉及一种双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片及其在成像传感中的应用。

背景技术

近年来，用于生化、医学检测的微流控芯片能显著降低试剂消耗量、价格低廉，而且能极大地提高分析效率。微流控芯片技术由于具有这些优点而得到非常迅速的发展，在分析化学、食品卫生、环境监测、生物、医学等领域已表现出极大的应用潜力。随着市场的需求，研究人员越来越寻求价格低廉、小巧轻便、操作简单、稳定性好、检测速度快、灵敏度高的微流控芯片，尤其是能够用于发展中国家的相对贫困地区以及资源有限地区的医疗检测微流控芯片。

目前，Whiteside研究组2007年提出使用纸作为微流控衬底材料(即纸基微流控芯片)的概念已引起了微流控学研究者们的极大关注。纸基微流控芯片是利用毛细吸引力引导液体在亲水纸通道内流动和分布，这避免了额外的外部加样系统，使得芯片的操作更加简易、方便。另外，纸衬底材料价格低廉、表面易于微图案化、且具有良好的生化兼容性。因此，纸基微流控芯片有望成为轻巧便携式生物芯片。近年来，研究者们已经能够在纸基微流控芯片上实现了比色、电化学、电致化学发光、化学发光等分析，将传统的昂贵微流控芯片转变成新型的廉价纸基微流控芯片。

双性电极电化学由于其独特的优势已在多个领域得到广泛应用。在双性电极电化学中，工作电极不与外接电源直接接触，能够使用一对驱动电极同时控制多个工作电极，实现生化物质的富集与筛选，实验设备简单。近年来，微流控体系中的双性电极电化学也得到了许多研究者的关注。到目前为止，仅仅京华研究组在纸上采用金电极双性电极与电泳技术集成来分离检测三种氨类物质。然而，这种传感检测技术具有金材料价格昂贵，电极制备复杂、不环保，检测设备要求高且昂贵等缺点。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片的制备方法，其芯片加工和电极制备廉价、简便、环保。

本发明的另一目的在于提供由上述方法制备得到的双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片，该芯片综合了双性电极电化学和纸基微流控两种技术的优点，其芯片衬底和电极材料的价格低廉。

本发明的再一目的在于提供上述的双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片在成像传感中的应用，该芯片所要求的检测设备便宜，操作简单，适用性广。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用绘图软件设计出微流控通道和溶液储存池的形状和尺寸，然后制成通道网板；使用绘图软件设计出驱动电极和工作电极的形状和尺寸，然后制成电极网板；

(2)取滤纸，将电极网板紧贴在滤纸上，通过在电极网板上刷涂导电碳浆而将电极的形状和尺寸印刷在滤纸上；刷涂完毕，将电极网板连同滤纸在70～100℃下烘烤7～10min，使电极电阻趋于稳定，然后再将滤纸与电极网板分离；

(3)取印有电极的滤纸，将通道网板紧贴在滤纸上，用蜡笔在通道网板上研磨刷涂；刷涂完后，将滤纸和通道网板一同在70～90℃下加热4～6s，蜡渗透在滤纸中形成微流控通道和溶液储存池；然后将滤纸与通道网板分离，得到双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片。

步骤(1)中，所述的绘图软件优选AdobeIllustrateCS5；

所述的微流控通道为长方形，以便在驱动电极作用下在通道中形成均匀的电场分布；两个溶液储存池位于微流控通道的两端，由微流控通道连通；驱动电极位于溶液储存池内，以避免在步骤(3)中被蜡所覆盖而降低其导电性；工作电极位于微流控通道中；

步骤(2)中，滤纸应裁剪成与通道网板一致的大小，所述的滤纸优选1号Whatman滤纸。

由上述方法制备得到的双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片可用于成像传感，尤其可用于以Ru(bpy)₃ ²⁺(三-(2,2’-联吡啶)钌(II))的ECL体系来检测TPrA(三丙胺)；当其用于检测TPrA时，包括以下步骤：

(1)分别用pH值6.9的PBS缓冲液配制梯度浓度的TPrA溶液和浓度为2.0mM的Ru(bpy)₃ ²⁺溶液；然后将TPrA溶液和Ru(bpy)₃ ²⁺溶液以体积比1:1混合，得到含有Ru(bpy)₃ ²⁺和TPrA的混合溶液；

(2)把微流控芯片放在内含CCD(ChargeCoupledDevice电荷耦合器件)摄像头的暗箱中，用导电胶布将芯片的驱动电极与电源连接，并用夹子使微流控芯片悬空；

(3)用移液枪往微流控芯片的微流控通道中滴加15～35μL的含有Ru(bpy)₃ ²⁺和TPrA的混合溶液，等待0.5～1.5min使反应液充满通道；对微流控芯片的电极施加12V电压，驱动电极之间的电势在溶液中形成一定强度的稳定电场；在该电场作用下，工作电极和其两端处的溶液形成不同电势差，从而工作电极两端与溶液进行电子交换；在工作电极的阳极处出现波长约为610nm的橘红色光，待3～5s发光图像稳定后采集图像和分析。

在步骤(3)中，待反应液充满微通道后打开恒压电源，电压预先调到12V。电压过低会导致ECL发光弱；太高会导致工作电极阳极出现气泡而影响ECL发光。3～5s后发光图像稳定，操作计算机对图像进行拍摄及保存。对于每个TPrA浓度，实验至少重复做5次；所述的采集图像和分析，是用ImageJ软件对每张发光图的主要发光区域进行灰度值分析。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明方法对芯片的加工工艺简单，所用实验材料、设备价格低廉。本发明首次在纸上将碳浆作为双性电极材料，并以此为基础制作的电致化学发光芯片对三丙胺进行成像传感检测，具备双性电极电化学和纸基微流控的优点。另外，本方法不是采用昂贵的PMT，而是廉价的CCD作为检测器。基于这种检测器，驱动电极上的背景信号可以人工去除，减少对目的信号干扰。本发明的方法适用于普通的实验室便于推广。

附图说明

图1是微流控芯片的尺寸图。

图2是微流控芯片的结构示意图；其中，1-芯片疏水区，2-芯片亲水区(包括微流控通道和溶液储存池)，3-纸衬底，4、5-驱动电极的阳极和阴极，6-工作电极放大图。

图3是成像传感组装示意图；其中，1-芯片工作电极，2-芯片驱动电极，3-导电胶布，4-冷却型CCD相机。

图4是本发明发光传感方法的成像图。

图5是ECL强度随TPrA浓度变化曲线图。

图6是图5的曲线所对应的Lg图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)采用AdobeIllustrateCS5软件设计出微流控通道(包括溶液储存池)和电极(包括工作电极和驱动电极)的图案，并由厂家加工形成微流控通道网板和驱动电极网板。

微流控通道尺寸为10×4mm，驱动电极尺寸为5×5mm，工作电极尺寸为3×1mm，整个纸基微流控芯片大小为30×12mm。芯片详细尺寸如图1所示。

(2)首先将1号Whatman滤纸裁剪成适合通道网板的大小。然后以导电碳浆为材料，通过电极网板在滤纸上丝网印刷电极。印刷完成后，电极放在100℃烤箱中烘烤7～10min以便使电极电阻趋于稳定。

(3)采用蜡笔经过通道网板在印有电极的滤纸上印刷微流控通道和溶液储存池；印刷完成后，滤纸和网板一同放在85℃的加热板上加热4～6s，使蜡渗透在滤纸中形成微流控通道和溶液储存池。

(4)将纸上批量形成的多个单元芯片裁剪。得到双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片，如图2所示。

实施例2

实施例1制得的纸基微流控芯片用于以Ru(bpy)₃ ²⁺的ECL体系来检测TPrA，包括以下步骤：

(1)把微流控芯片放在内含CCD摄像头的暗箱中，如图3所示；用导电胶布将驱动电极与电源连接，并使用夹子夹住芯片两端使其悬空以便检测；

(2)使用pH值6.9的PBS缓冲液将Ru(bpy)₃ ²⁺配制成浓度为2mM的溶液，同时用PBS缓冲液将TPrA配成不同浓度，包括2000，1000，500，200，100，50，20μM。实验检测前，将TPrA溶液和Ru(bpy)₃ ²⁺溶液以体积比1:1混合，得到含有Ru(bpy)₃ ²⁺和TPrA的混合溶液；

(3)移液枪吸取15μL配制好的反应液(即含有Ru(bpy)₃ ²⁺和TPrA的混合溶液)，滴加在芯片通道中，0.5min后反应液充满整个微通道。

(4)调恒压电源到12V，并接通至驱动电极。3～5s后发光图像稳定，操作计算机对图像进行拍摄及保存。对于每个TPrA浓度，至少做5次重复实验。

(9)采集到的发光图像(如图4所示)通过imageJ软件进行分析，选取每张图片主要发光区域进行灰度值测量。把分析得到的数据导入Origin进行拟合，得到在一定浓度的Ru(bpy)₃ ²⁺下电致化学发光强度随着TPrA浓度的变化曲线(如图5-6所示)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片在检测TPrA中的应用，其特征在于包括以下步骤：

（1）分别用pH值6.9的PBS缓冲液配制梯度浓度的TPrA溶液和浓度为2.0mM的Ru(bpy)₃ ²⁺溶液；然后将TPrA溶液和Ru(bpy)₃ ²⁺溶液以体积比1:1混合，得到含有Ru(bpy)₃ ²⁺和TPrA的混合溶液；

（2）把微流控芯片放在内含CCD摄像头的暗箱中，用导电胶布将芯片的驱动电极与电源连接，并用夹子使微流控芯片悬空；

（3）往微流控芯片的微流控通道中滴加15～35μL的含有Ru(bpy)₃ ²⁺和TPrA的混合溶液，等待0.5～1.5min使反应液充满通道；对微流控芯片的电极施加12V电压，在工作电极的阳极处出现波长约为610nm的橘红色光，待3～5s发光图像稳定后采集图像和分析；

所述的纸基微流控芯片，其制备方法包括以下步骤：

（1）使用绘图软件设计出微流控通道和溶液储存池的形状和尺寸，然后制成通道网板；使用绘图软件设计出驱动电极和工作电极的形状和尺寸，然后制成电极网板

（2）取滤纸，将电极网板紧贴在滤纸上，通过在电极网板上刷涂导电碳浆而将电极的形状和尺寸印刷在滤纸上；刷涂完毕，将电极网板连同滤纸在70～100℃下烘烤7～10min，然后再将滤纸与电极网板分离；

（3）取印有电极的滤纸，将通道网板紧贴在滤纸上，用蜡笔在通道网板上研磨刷涂；刷涂完后，将滤纸和通道网板一同在70～90℃下加热4～6s，蜡渗透在滤纸中形成微流控通道和溶液储存池；然后将滤纸与通道网板分离，得到双性电极电致化学发光的纸基微流控芯片；

所述的微流控通道为长方形，两个溶液储存池位于微流控通道的两端，由微流控通道连通；

驱动电极位于溶液储存池内，工作电极位于微流控通道中。

2.根据权利要求1所述的纸基微流控芯片在检测TPrA中的应用，其特征在于：所述的采集图像和分析，是用ImageJ软件对每张发光图的主要发光区域进行灰度值分析。

3.根据权利要求1所述的纸基微流控芯片在检测TPrA中的应用，其特征在于：所述的绘图软件为AdobeIllustratorCS5。