非抛弃式重金属离子电化学微流控芯片平台的构建

Due to the severe risk to human health and environmental safety, heavy metal ions assays have been attracted more attention in the field of the environmental monitoring. Accordingly, exploring portable, high-sensitivity, high accuracy sensing platform is urgently needed. In this project, a variety of microelectrodes using different materials are chosen to be integrated on a single chip, which can be acted as the electrochemical (EC) sensing unit for the highly sensitive detection of heavy metal ions. To improve the stability of reference electrodes, we intend to design the chip microstructure as the ions channel to avoid the direct contact with the analyze solution. Moreover, to obtain the renewable surface of working electrode (WE), "in-situ" modification of WE is employed. It can resolve some significant issues occurred on most EC chips (such as poor stability, subject to damage and not be physically renewed) and provide the theoretical and experimental supports for building a stable, long-term electrochemical microfluidic analysis.

重金属离子检测一直是环境监测领域的研究重点，建立高灵敏，高准确，便携式的重金属离子传感平台，对于维护环境安全和人类健康等方面具有重要的意义。本项目利用在芯片上集成多种不同材质的微电极，构筑高集成的电化学传感单元用于灵敏的重金属离子的传感分析。基于芯片微结构的设计，发展同待测溶液不直接接触的稳定的芯片参比电极体系以及工作电极原位修饰和更新技术，提高电化学微流控检测芯片中工作和参比电极的稳定性和重复使用性能。该研究有利于改变目前大部分电化学芯片电极表面修饰困难，无法进行物理更新，容易损坏，稳定性差，只能抛弃性使用的现状，为最终构建可稳定长期使用的电化学微流控检测设备提供研究基础。

进入21世纪，微流控芯片传感技术由于其便捷，实时检测等特点，在实时环境检测和人类健康监测等领域表现了巨大应用前景，受到了科研工作者的广泛关注。其中，电化学传感单元由于结构简单易于集成，仪器易于小型化等特点成为了研究的热点之一。但由于常规的电化学检测方法对于电极的表面状态要求比较高，检测过程中容易受到污染，从而表现出重现性差，长期稳定性差等缺陷，限制了电化学功能芯片的开发应用。为了发展可稳定使用电化学传感芯片技术，本项目主要在三个方面进行了研究：（1）芯片集成非抛弃式参比电极的设计和制备；（2）微流控芯片中微流体的驱动，顺序控制，混合，停留，预处理单元的设计实现以及全功能芯片的整体封装工艺的开发；（3）可长期稳定运行的芯片电化学检测方法的设计和实现，并取得了一定的成果：.1. 成功的设计和制备了一种高稳定的芯片上集成Ag/AgCl电极：.利用Pt金属条带和微纳通道结构构筑“类盐桥”结构隔离参比电极和检测区，使得待测溶液的组分不对参比电极造成影响，消除了常规芯片电化学体系中氯离子对于参比电极电位稳定性的影响，提高了芯片的长期使用性能。.2. 设计和实现了两种芯片上溶液的混合模式：.（1）通过微型电磁阀控制芯片微通道的开闭状态控制两种或以上反应流体在芯片上的预存储，并通过微型压电泵或微型蠕动泵作为内驱动力进行混合，避免了目前芯片静态混合耗时长，混合不充分等缺点，并进一步提升了流体的可操作性，有利于设计和实现更加复杂的功能芯片；.（2）提供了一种新的芯片动态混合方案以及相应的检测模式，通过控制单路或多路步进电机采用匀加速/减速或一定模式的变速运动，实现两路或多路流体在单次混合中出现大范围的动态比例混合，并利用微通道的尺寸特性，获得高度的时间-空间分辨进行分段检测。适用于多种常规的化学反应在芯片体系上的移植，具有试剂消耗量小，可自动化，在线分析等优点，扩展了芯片分析体系的适用性，具有较高的产业化应用价值。.3.提出一种新型的基于双极电极的新型芯片电化学传感方案：.研究通过芯片上构筑双通道双极电极系统，外置电压起到激发氧化还原反应的作用，其电流响应激发LED发光并被检测，定量测量采用电流-电量模式，从而从原理上降低了对于电极表面活性的要求，能够针对性的解决芯片上集成电极容易受污染，稳定性差的缺陷，为构筑长期稳定使用的功能性电化学芯片的开发提供新的思路。