CN100417937C - 芯片式电容耦合非接触型电导检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其包括依序连接的函数信号发生器、微流控芯片、信号放大器、信号采集器及信号记录器；微流控芯片包括一基片和一盖片；基片上设置有一通过分离通道连接的缓冲溶液池和出口溶液池，以及分别连通分离通道的样品池和废液池；盖片的一面与基片对应设置有缓冲溶液池、出口溶液池、样品池和废液池；其中，盖片的另一面沿基片上的分离通道间隔刻蚀有2～10个凹槽，在每一凹槽内分别嵌设有一检测电极，其中一检测电极连接函数信号发生器，其它检测电极分别连接信号放大器。本发明可以显著提高检测灵敏度、选择性、信噪比，降低检测限，可应用于毒品分析、生化、环境等痕量复杂样品的分离检测。

Description

芯片式电容耦合非接触型电导检测器

技术领域

本发明涉及一种电化学检测器，特别是关于一种芯片式电容耦合非接触型电导检测器。

背景技术

生命科学和环境科学的发展对分离和检测的要求越来越高，就分离本身来讲，电泳、电色谱、微柱液相色谱和芯片电泳已能完成的很好，而检测技术往往成为制约发展的瓶颈。电化学检测(EC)和激光诱导荧光检测(LIF)是目前使用的最为灵敏的两种检测技术。与LIF相比，EC易于微型化、集成化，特别适合于电泳、电色谱、微柱液相色谱以及芯片电泳的分离检测，而且EC可用于检测更多的物质，可用于药物、氨基酸、DNA、糖、肽、蛋白质、神经传递质、无机离子、维生素和农药等物质的检测。近年来，微芯片电泳发展迅猛，最终有可能取代传统毛细管电泳，而且毛细管电泳中使用的电化学检测技术基本上都可以移植到微芯片电泳中，因此，研制微芯片式高灵敏电化学检测器具有十分重要的意义。电化学检测器包括安培检测器，电导检测器，伏安检测器和电位检测器，其中安培检测器和电导检测器使用最为广泛。电导检测器是根据带电组分对溶液电导率的贡献进行检测的，只要是离子型组分均有响应，因此是一种通用型检测器，尤其适合无机离子、氨基酸等小分子化合物的检测。由于其具有结构简单、易于微型化、集成化、通用型的特点，在微流控分析系统中极具潜力。

目前微流控芯片上的电导检测器一般采用在柱(on-column)检测方式，根据电极与待测溶液接触与否，电导检测器可分为接触型检测[Kaniansky D，Masar M，Bielcikova J，et al，Anal.Chem.2000，72：3596 Grass B，NeyerA，Jonck M，et al，Sens.Actuators B.2001，72：249]和非接触检测两种。接触型电导检测器由于电极与通道内溶液直接接触，会出现以下问题：1、电导检测往往不能和电泳分离高压有效隔离，会因为“共地”的原因产生“漏电”干扰，基线噪声增大。2、电导检测往往不可避免地使传感电极与溶液间的电活性物质发生电化学反应，产生气泡使基线噪声增大或污染电极。3、通道流体中的物质因吸附造成电极污染。

非接触型电导检测器出现于1998年，由于检测电极同溶液不接触，解决了传统电极易污染的难题，目前很受重视。美国的普马拉(Pumera)等人[Pumera M，WangJ，Operkar F，et al，Anal.Chem.2002，72：1968]虽曾经在毛细管电泳芯片上制作了一种电容耦合非接触式电导检测器，但其应用仍存在许多困难。目前文献报道的最好结果为对一些无机离子的检测达到1μM水平，已经同直接电导检测的水平相当，但比安培检测的检测限高一到两个数量级，还需要进一步提高其检测灵敏度和降低检测限。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其可以显著提高检测灵敏度、选择性、信噪比，降低检测限。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其包括依序连接的函数信号发生器、微流控芯片、信号放大器、信号采集器及信号记录器；所述微流控芯片包括一基片和一盖片；所述基片上设置有一通过分离通道连接的缓冲溶液池和出口溶液池，以及分别连通所述分离通道的样品池和废液池；所述盖片的一面与所述基片对应设置有缓冲溶液池、出口溶液池、样品池和废液池；其特征在于：所述盖片的另一面沿所述基片上的分离通道间隔刻蚀有2～10个凹槽，在每一所述凹槽内分别嵌设有一检测电极，其中一所述检测电极连接所述函数信号发生器，其它所述检测电极分别连接所述信号放大器。

所述盖片上的检测电极的数量为4～8个。

所述盖片上的检测电极的数量为5～6个。

连接在所述缓冲溶液池和出口溶液池之间的分离通道为2～10条，所述盖片上的检测电极为2个，且分别跨设在每一所述分离通道上。

所述分离通道为4～8条。

所述分离通道为5～6条。

所述各检测电极之间沿所述分离通道方向的距离为0.5～2mm。

所述各分离通道之间的距离为0.5～2mm。

所述检测电极的材料为金、铂、碳纤维中的一种。

本发明由于采用了以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在微流控芯片的盖片上表面沿分离通道间隔设置了多个凹槽，并在每一凹槽内分别嵌设检测电极，使电极与封合的分离通道不在同一表面，因此有效地解决了电极与分离通道内溶液直接接触带来的各种问题，同时与现有非接触型电导检测器相比，采用本发明的检测电极设置方式，其制作方法简单，可靠性和稳定性均有较大增强。2、本发明将多个检测电极中的一个检测电极作为输入电极连接函数信号发生器，其余的全部作为输出电极连接信号放大器，因此可以检测每一个输出电极与输入电极之间的信号变化，并将各检测信号累加，实现提高检测灵敏度、选择性、信噪比，降低检测限的发明目的。3、本发明由于在微流控芯片基片上的缓冲溶液池和出口溶液池之间的设置了多条分离通道，并将两电极跨设在每一所述分离通道上，因此可以检测每一通道两电极之间的信号变化，并将检测信号累加，同样可以达到实现提高检测灵敏度、选择性、信噪比，降低检测限的发明目的。本发明可以明显提供痕量检测精度，它可以广泛用于各种毒品分析、生化、环境等复杂样品的分离检测。

附图说明

图1是本发明的组成示意图

图2是本发明实施例一的微流控芯片整体结构示意图

图3是本发明实施例一的微流控芯片基片结构示意图

图4是本发明实施例一的微流控芯片盖片结构示意图

图5是本发明实施例二的微流控芯片结构示意图

图6是本发明实施例三的微流控芯片结构示意图

图7是电容耦合非接触电导监测器的等效电路图

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明芯片式电容耦合非接触型电导检测器包括函数信号发生器1、微流控芯片2、信号放大器3、信号采集器4及信号记录器5。其中函数发生器1可以输出作为信号发生源的交流电压信号，微流控芯片2上设置有检测电极15，由检测电极15输出的电流信号经过信号放大器3输出电压模拟信号，再由信号采集器4将模拟信号转换成数字信号提供给信号记录器5进行数据采集和处理。本发明的特点主要体现在微流控芯片2上，下面通过几个实施例进行详细说明。

实施例一：

如图2所示，微流控芯片2由一具有分离通道14的基片10(如图3所示)与一集成有检测电极15的盖片20(如图4所示)组成。如图3所示，基片10的一端设置有缓冲溶液池11，另一端设置有出口溶液池16，二者之间通过分离通道14连接。在靠近缓冲溶液池11的分离通道14两侧分别设置有与分离通道14连通的废液池12与样品池13。如图4所示，盖片20的两个面，其下表面与基片10封合，且与基片10对应设置有缓存溶液池11、废液池12、样品池13和出口溶液池16。盖片20的上表面刻蚀有两个凹槽，在两个凹槽内分别嵌设一检测电极a、b，电极的材料可以是液体的金、铂等金属浇铸在凹槽内，也可以是镶嵌在凹槽内的碳纤维等。两个检测电极a、b可以平行排列在分离通道14的一侧(图中未示出)，也可以分别位于分离通道14的两侧(如图4所示)，两个检测电极a、b之间沿分离通道14的方向相距0.5～2mm，例如0.8mm、1.2mm、1.5mm等，其中一个检测电极a作为输入电极连接信号发生器1，另一个检测电极b作为输出电极连接信号放大器3，从而组成了两个电极体系的单通道微流控芯片2的结构。

实施例二：

如图5所示，微流控芯片2的基片10上的分离通道14为一条，而与分离通道14配合的检测电极15却包括设置在盖片20上的五个检测电极a、b、c、d、e，五个检测电极15可以都设置在分离通道14的一侧，也可以检测电极a与其它检测电极b、c、d、e分列在分离通道14的两侧，其中一个检测电极a作为输入电极连接信号发生器1，另外四个检测电极b、c、d、e作为输出电极分别连接信号放大器3，从而组成了多电极体系的单通道微流控芯片2的结构。

上述实施例中，电极的材料和制作方法，以及各检测电极15之间沿分离通道14的方向的间距与实施例一相同，检测电极15的数量还可以是6个、或4～8个、或3～10个。

实施例三：

如图6所示，微流控芯片2的基片10上的缓冲溶液池11与出口溶液池16之间连接有5条分离通道141、142、143、144、145，而在盖片20上仅设置两个检测电极a、b，且两个电极a、b分别跨设各分离通道141、142、143、144、145，信号发生器1连接在检测电极a上，检测电极b连接信号放大器3，从而形成两个电极体系的多通道芯片结构。

上述实施例中，电极的材料和制作方法，以及各检测电极15之间沿分离通道14的方向的间距与实施例一相同，分离通道的数量还可以是6条、或4～8条、或2～10条。

本发明芯片式电容耦合非接触型电导检测器的工作原理和方式如下：

如图2所示，将设置有检测电极15的盖片20和具有分离通道14的基片10封合即制作成非接触型电导检测器，即两个电极a、b和其间的通道14以及其中的溶液组成了电容器，当在两个检测电极a、b之间施加高频交流电时，溶液中离子会发生迁移，产生电导电流；另外，离子、偶极分子内部的电荷在高频电场的作用下产生瞬时定向极化和变形极化形成极化电流，这种极化电流在交流电频率达到1MHz时，即可与电导电流达到同一数量级。当交流电频率很高时，惯性离子的迁移速度往往跟不上外加电场频率的变化。因此，总存在一个交流电频率范围，使得电导响应最佳。如图7所示，当函数信号发生器1施加正弦交流信号时，微流控芯片2的两个检测电极a、b分别同分离通道14内的溶液构成一个电容C_W，两个检测电极a、b之间的溶液相当于一个电阻R。两个检测电极a、b在高频交流电作用下，通过通道内的溶液耦合形成闭合回路，回路中电流满足欧姆定律：I_p-p＝V_p-p/Z_total(Z_total＝R+Z_c))，当样品流经检测电极a、b时，由于样品和背景缓冲溶液电导的差别，引起电阻R的改变，使得的总阻抗Z_total发生变化，改变了回路中电流的大小，电流的改变ΔI_p-p即是反映样品浓度的信息。

如图5所示，对于单通道多电极体系，由于只有一个分离通道14，却具有n根(n大于2)平行检测电极15的排列组合方式，因此当一种被分析物质信号到达检测电极a、b之间时，可以记录1次信号，当信号到达检测电极a、c之间时，又可以记录1次信号，当信号到达检测电极a、d之间时，还可以记录1次信号…，以此类推，最后再将各信号累加(可进行n-1次累加)，进而达到增加信号值，降低随机噪声的作用，提高检测灵敏度，降低检测限的目的，同时可以提高痕量样品的电导检测能力。与实施例一相比，本实施例采用单通道5电极体系，信号增加近2倍。

如图6所示，对于两个电极的多通道芯片体系，由于存在多个分离通道(m大于2)，却只有两个检测电极a、b，当各分离通道141、142、143、…等相同时，对任何一种被分析物质，当样品信号到达两个检测电极a、b之间时，由于R为一个通道的1/m，所以可以起到信号累加的效果(可进行m-1次累加)，同样可以达到增加信号值，降低随机噪声的作用，提高检测灵敏度，降低检测限的目的，提高痕量样品的电导检测能力。与实施例一相比，本实施例采用5通道两电极体系，信号增加近2倍。

Claims (11)

1. 一种芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其包括依序连接的函数信号发生器、微流控芯片、信号放大器、信号采集器及信号记录器；所述微流控芯片包括一基片和一盖片；所述基片上设置有一通过分离通道连接的缓冲溶液池和出口溶液池，以及分别连通所述分离通道的样品池和废液池；所述盖片的一面与所述基片对应设置有缓冲溶液池、出口溶液池、样品池和废液池；其特征在于：所述盖片的另一面沿所述基片上的分离通道间隔刻蚀有平行排列的2～10个凹槽，在每一所述凹槽内分别嵌设有一检测电极，其中一所述检测电极连接所述函数信号发生器，其它所述检测电极分别连接所述信号放大器。

2. 如权利要求1所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述盖片上的检测电极的数量为4～8个。

3. 如权利要求2所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述盖片上的检测电极的数量为5～6个。

4. 如权利要求1所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：连接在所述缓冲溶液池和出口溶液池之间的分离通道为2～10条，所述盖片上的检测电极为2个，且分别跨设在每一所述分离通道上。

5. 如权利要求4所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述分离通道为4～8条。

6. 如权利要求5所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述分离通道为5～6条。

7. 如权利要求1或2或3或4或5或6所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述各检测电极之间沿所述分离通道方向的距离为0.5～2mm。

8. 如权利要求4或5或6所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述各分离通道之间的距离为0.5～2mm。

9. 如权利要求1或2或3或4或5或6所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述检测电极的材料为金、铂、碳纤维中的一种。

10. 如权利要求7所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述检测电极的材料为金、铂、碳纤维中的一种。

11. 如权利要求8所述的芯片式电容耦合非接触型电导检测器，其特征在于：所述检测电极的材料为金、铂、碳纤维中的一种。

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