CN101666776A

CN101666776A - 多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列及其制法和用途

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Publication number: CN101666776A
Application number: CN200910035834.5A
Authority: CN
Inventors: 徐静娟; 陈邵鹏; 吴剑; 余晓东; 陈洪渊
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: CN101666776B

Abstract

一种多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，它是固化的聚二甲基硅氧烷矩形块，在聚二甲基硅氧烷矩形块中埋有一列上、中、下三条宽1±0.1mm、长30－50mm的致密均一的化学镀金属膜条，上、中、下金属膜条之间的间隔为200±20μm，上金属膜条距离聚二甲基硅氧烷矩形块顶面为200±20μm，下金属膜条距离聚二甲基硅氧烷矩形块底面为1±0.1mm，上、中、下金属膜条的一端的末端通过导电胶粘附导电铝胶带接有导线，另一端暴露出的金属膜条即可作为电极使用。它可以和电泳芯片配合进行芯片电泳的测试。本发明公开了其制法。

Description

多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列及其制法和用途

技术领域

本发明涉及纳米微带电极阵列的制备及与多通道打印微流控芯片的集成。

背景技术

研究代谢组学的一个重要目的在于通过测定生物体分泌出来的代谢物的组成变化来辩识和解析被研究对象的生理、病理状态及其与环境因子、基因组成等的关系。在代谢组学研究中，糖尿病是一种典型的代谢疾病。最新的数据表明，到2009年全球将有二亿四千六百万的糖尿病患者。糖尿病已成为继心脏病和癌症之后全球第三大死亡疾病。因此，对糖尿病检测新方法的研究具有重要而深远的意义。近几十年来，质谱，核磁共振等检测方法已经被广泛的应用于糖尿病患者代谢物的检测。但由于仪器昂贵，这类检测方法难以普及。

微流控芯片以其微型、快速、高效和低耗等特点而成为当今分析科学的研究热点之一，并作为代谢组学研究的一种新的技术平台，受到广泛重视。微流控芯片可用于代谢组学的各个领域，包括临床诊断等，可以完成样品的分离、反应和分析等所有步骤。因此将微流控芯片用于糖尿病的诊断受到广泛的关注。然而，微流控芯片中常用的检测方法如紫外检测、荧光检测等由于仪器本身的局限性而无法实现其微型化，因此在解决芯片高通量检测的问题上存在一定的技术局限。而电化学凭借其灵敏度高、选择性好、体积小、装置简单、成本低，可以与微加工技术兼容，具有微型化和集成化等特点而成为微流控芯片的主要检测方式之一。因此电化学检测成为实现芯片高通量检测的重要手段。

微电子加工技术是目前最主要也是最广泛的用来实现电极的大规模集成。但传统的微电子加工技术成本较高，对环境的要求较苛刻。同时由于技术的局限性，很难实现不同金属电极的集成，且电极受到污染无法实现更新。因此，这种技术在普通实验室中很难普及。

因此，探寻一种新的、能在普通实验室中实现电极规模化集成的制备方法显得尤为重要。而这种技术与芯片结合用于糖尿病的高通量检测则具有特别重要的意义。

发明内容

一种多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，它是固化的聚二甲基硅氧烷矩形块，在聚二甲基硅氧烷矩形块中埋有一列上、中、下三条宽1±0.1mm、长30-50mm的致密均一的化学镀金属膜条，上、中、下金属膜条之间的间隔为200±20μm，上金属膜条距离聚二甲基硅氧烷矩形块顶面为200±20μm，下金属膜条距离聚二甲基硅氧烷矩形块底面为1±0.1mm，上、中、下金属膜条的一端的末端通过导电胶粘附导电铝胶带接有导线，另一端暴露出的金属膜条即可作为电极使用。

上述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，所述的金属膜条可以是金属铜膜条、金属金膜条或金属银膜条。

上述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，所述的一列上、中、下三条化学镀金属膜条，在芯片电泳检测时分别作为工作电极、参比电极和对电极。

上述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，所述的聚二甲基硅氧烷矩形块中，可以有二列或二列以上的化学镀金属膜条，可以同时进行二项或二项以上的芯片电泳测试。

上述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，所述的聚二甲基硅氧烷矩形块检测完成后可以通过切割去矩形块一端暴露出的金属膜条，实时更新电极，方便地进行下一次的检测，从而避免电极污染而使得检测信号减弱或差错。

一种多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列的制备方法，它由下列步骤组成：

步骤1.配置溶液I和溶液II：在530mL 0.8M的盐酸中分别加入50g尿素、250g氯化钠、2.6g二水合氯化亚锡和0.5g七水合锡酸钠，搅拌溶解配置成溶液I；在75mL盐酸中加入0.25g氯化钯，搅拌溶解后，缓慢加入0.64g二水合氯化亚锡并不断搅拌5分钟制得溶液II；

步骤2.制备Pd/Sn胶体：将步骤1中制得的溶液II迅速与溶液I混合，并用蒸馏水稀释至1L，在60℃的水浴环境中加热2小时，冷却后即得性质稳定的咖啡色Pd/Sn胶体；

步骤3.配置化学镀铜液III：配置溶液III，组成为5g L^-1五水合硫酸铜、20g L^-1酒石酸钾钠和6g L^-1氢氧化钠；溶液IV为质量百分比为37％甲醛溶液，将溶液III和溶液IV按体积比10∶1混合即可获得化学镀铜液；

步骤4.配置化学镀金液：将1％(克/毫升)氯金酸溶液，200g L^-1碳酸氢钾溶液和2％(克/毫升)葡萄糖溶液按体积比2∶1∶1混合即得；

步骤5.在固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)(厚度1mm)表面覆盖聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板，模板可以根据需要开有一个或多个宽1mm、长30-50mm的条孔，将其置于等离子体(Plasma)清洗仪中处理2分钟，在孔中注入浓度为1％的氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)溶液，室温条件下反应10分钟后将溶液吸出，用蒸馏水清洗凹槽，然后在凹槽中注入步骤2制备的Pd/Sn胶体，反应1分钟后，将胶体吸出，用蒸馏水清洗，移除PMMA模板，并将多次区域处理后的PDMS浸泡于步骤3配制的化学镀铜液中，室温条件下边搅拌边反应5分钟，将反应后的PDMS取出淋洗，氮气气氛中干燥，即可在PDMS表面制得一条或多条宽1mm、长30-50mm的致密均一的化学镀铜膜；

步骤6.在另一片固化的PDMS表面覆盖PMMA模板，模板开有与步骤5的PMMA模板相对应的条孔，在孔中直接注入步骤4配制的化学镀金液，并在表面覆盖镀有铜膜的PDMS基片(步骤5)，将整个体系翻转，使原先的上层覆盖的PDMS膜片在下层，室温条件下反应3小时，PDMS膜片表面制得一条或多条宽1mm、长30-50mm的致密均一的化学镀金膜；

步骤7.重复步骤6，将表面覆盖镀有铜膜的PDMS基片换成厚度为200±20μm固化的PDM S空白膜片，其余步骤不变，制得两片表面镀有一条或多条宽1mm、长30-50mm的致密均一的化学镀金膜的PDMS膜片；

步骤8.在所有金属膜尾端粘附导电铝胶带，并在接壤处涂覆铝导电胶，以便用于电化学检测，在第一片镀有铜膜的PDMS基片(作为工作电极)上滴入一滴未固化的PDMS(后续经加热后起粘合剂作用)，并覆盖第二片镀有金膜的PDMS片(作为参比电极)，上下两片的金属膜均朝上放置；在第二片镀有金膜的PDMS基片上继续滴入一滴未固化的PDMS，同样覆盖第三片镀有金膜的PDMS片(作为对电极)，并保证第三片的金属膜仍然朝上放置，在第三片镀有金膜的PDMS表面也滴入一滴PDMS并覆盖空白PDMS片，整个体系中所有的金属膜自上而下均需一一对齐，将整个体系用两片载玻片上下压紧，放入烘箱中80℃条件下固化1小时，将整个体系侧面切开，暴露出的金属微带即可作为电极使用，制得多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列。

上述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列的制法，步骤5制化学镀铜膜也可以改用步骤6的化学镀金膜的方法，如此三电极都为金电极。

本发明的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列可以和电泳芯片配合进行电泳测试，其步骤如下：

步骤1.在电脑上通过画图软件Coreldraw 12设计管道图形，图形如图1B所示。总共三组，标记为I，II，III；每组均为双通道。其中管道口1和1’为样品储液槽，管道口3为样品废液槽，管道口2和2’为缓冲液储液槽。连接管道口1和3，1’和3之间的管道为进样管道。由管道口2和2’引出的两根管道为分离管道。在幻灯胶片上双层打印设计好的图形(1200dpi×1200dpi)，在打印好的胶片上注入PDMS混合物，80℃条件下固化1小时，将固化的PDMS从胶片上揭下与另一空白PDMS基片(厚度1mm)粘合即可获得打印管道芯片。

步骤2.PDMS芯片管道化学修饰：对其中I，II两组管道化学接枝亲水聚合物，管道中注入壳聚糖溶液(pH＝6.0，0.01％，w/v)静置5分钟。用二次蒸馏水淋洗管道10分钟后再次注入碳二亚胺活化的甲基-聚乙烯醇(NSS-mPEG)溶液，室温条件下静置4小时，修饰后的管道用30mM NaOH溶液或25mM四硼酸钠缓冲溶液(pH＝8.6)清洗10分钟，第III组管道则先用Plasma处理1分钟，然后注入0.02％(v/v)二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)溶液，静置5分钟，30mM磷酸缓冲液(pH＝6.4)清洗10分钟。

步骤3.将修饰好的芯片尾端与电极阵列对齐，控制两者间距大约为40μm(显微镜下调节)，每一分离管道对应一三电极体系，整个芯片检测系统用于后续标准样品和实际样品的检测。

步骤4.分别将10μM，20μM，50μM，100μM，250μM，500μM，1000μM，2000μM葡萄糖标准溶液，1μM，10μM，25μM，50μM，100μM，250μM，500μM醛类化合物标准溶液(乙二醛，甲基乙二醛)，5μM，10μM，20μM，50μM，100μM，300μM，600μM短链有机酸标准溶液(乳酸，尿酸，2-羟基丁酸)分别注入管道组I，II，III中的样品储液槽和样品废液槽，并在每组管道的缓冲液储液槽中注入各自相对应的缓冲溶液。在所有的液槽中均插入金属铂电极，样品储液槽1和1’和样品废液槽3中的铂电极控制进样，缓冲液储液槽2和2’中的铂电极控制分离，溶液的驱动由智能型微流控高压电源控制。进样电压分别设置为500v，600v和-500v，进样时间均为10s，此时2和2’中的铂电极悬浮；进样结束后，由程序控制自动切换为分离电压，分离电压分别选择1400V、1200V和-1300V，此时样品储液槽1和1’和样品废液槽3中的铂电极均悬浮。同时在电化学工作站的技术选项中选择安培-电流时间曲线法，电位设置分别为0.9V、0.9V和0.7V，分离管道流出的样品中各类物质会一一在电极上产生响应信号(峰电流)，电化学工作站会自动记录时间及峰电流，并将数据作图获得峰电流对时间的曲线。将所得峰电流对标准物溶液浓度采用origin作图，可得到线性关系的标准曲线；

步骤5.将医院采集得到的八种血清样品经过预处理后通入芯片中同时分离检测，在电化学工作站的技术选项中选择安培-电流时间曲线法，在上述标准品分离、检测条件下分别进行分离检测，通过标准曲线计算实际血清中各组分的含量。

本发明的具体效果如下：本发明方法通过简单的化学镀方法，在PDMS材料表面选择性、区域性化学镀金属薄膜(金膜或铜膜)，可高度集成三电极阵列体系。除了灵敏度高、选择性好、体积小、装置简单、成本低等特点外，与传统的微电子加工技术相比，该发明还具有三大优异特点：1、无需超净室，在普通实验室即可实现，制备方法简单，便于普及；2、该方法制得的电极阵列可以通过切割方式实时更新，可以方便地进行下一次的检测，从而避免电极污染而使得检测信号减弱；3、可根据实验要求和样品本身特性，将不同金属有选择性的镀在同一基片上用作工作电极(这在微电子加工技术中无法实现)，从而提高芯片分离检测的通量。

附图说明

图1.(A)多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列端面示意图。(B)多通道打印芯片示意图，其中：进样长度8mm；总分离长度50mm；有效分离长度35mm。(C)多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列和电泳芯片配合进行电泳测试示意图，其中：(1)和(1’)样品储液池；(2)和(2’)缓冲液储液池；(3)样品废液池。

图2(A)PDMS表面化学镀铜膜、金膜的照片图；(B)镀铜膜表面形态扫描电子显微镜照片；(C)PDMS表面化学镀铜膜的X射线电子谱；(D)镀铜膜厚度扫描电子显微镜照片。化学镀铜时间为5分钟。

图3.铜和金纳米微带电极阵列的循环伏安曲线，铜纳米带用作工作电极；金纳米带用作参比电极和对电极。其中曲线A为金纳米微带电极阵列在0.5M H₂S0₄中的循环伏安曲线，内插图为金纳米微带电极阵列在5×10^-3mol/L铁氰化钾/亚铁氰化钾中的循环伏安曲线(B)铜纳米微带电极阵列在30mMNaOH中的循环伏安曲线。扫速：100mV/s

图4.(A)0.25mM葡萄糖在NSS-mPEG修饰的PDMS六通道芯片中的电泳图。(缓冲液：30mM NaOH)

图5.醛类化合物标准溶液(A)和短链有机酸标准溶液(B)的电泳图。(1)100μM乙二醛；(2)100μM甲基乙二醛；(3)300μM乳酸；(4)300μM尿酸；(5)300μM 2-羟基丁酸.图6.血清样品的电泳图。(1)葡萄糖；(2)乙二醛；(3)甲基乙二醛；(4)乳酸；(5)尿酸；(6)2-羟基丁酸。血清1-3是健康人体血清，血清4-8是糖尿病患者人体血清

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

实验过程中使用的水均为二次蒸馏水，实验所用试剂包括四水合氯金酸，磷酸氢二钠，磷酸二氢钾，碳酸氢钾，氢氧化钠，乙酸钠，四硼酸钠，壳聚糖，二水合氯化亚锡，氯化钯，盐酸(37％)，五水合硫酸铜，酒石酸钾钠，甲醛等均为分析纯。

实施例

1.采用如图1A所示的方式制备金属微带电极阵列。

步骤6.在另一片固化的PDMS表面覆盖PMMA模板，模板开有与步骤5的PMMA模板相对应的条孔，在孔中直接注入步骤4配制的化学镀金液，并在表面覆盖镀有铜膜的PDMS基片(步骤5)。将整个体系翻转，使原先的上层覆盖的PDMS膜片在下层，室温条件下反应3小时，PDMS膜片表面制得一条或多条宽1mm、长30-50mm的致密均一的化学镀金膜；

2.为了表征金纳米微带电极阵列的电化学特性，我们在电化学工作站的技术选项中选择线性扫描伏安法，电位范围设置为0.2V到1.8V，运行电化学工作站进行扫描。金纳米微带电极阵列在0.5M H₂SO₄溶液中的循环伏安曲线如图3A所示。电位范围设置为0.2V到0.7V，金纳米微带电极阵列在5×10^-3mol/L铁氰化钾/亚铁氰化钾中的循环伏安曲线如图3A内插图所示.

3.我们采用扫描电子显微镜对PDMS表面镀铜膜的表面形态和侧面厚度进行表征，如图2B、D所示。其X射线衍射电子谱如图2C所示。为了表征铜纳米微带电极阵列的电化学特性，我们在电化学工作站的技术选项中选择线性扫描伏安法，电位范围设置为-1.0V到1.0V，运行电化学工作站进行扫描。铜纳米微带电极阵列在30mM NaOH溶液中的循环伏安曲线如图3B所示。

4.制备多通道打印芯片：

步骤1.在电脑上通过画图软件Coreldraw 12设计管道图形，图形如图1B所示。总共三组，标记为I，II，III；每组均为双通道。其中管道口1和1’为样品储液槽，管道口3为样品废液槽，管道口2和2’为缓冲液储液槽。连接管道口1和3，1’和3之间的管道为进样管道，长8mm。由管道口2和2’引出的两根管道为分离管道，长50mm，有效分离长度35mm。在幻灯胶片上双层打印设计好的图形(1200dpi×1200dpi)，在打印好的胶片上注入PDMS混合物，80℃条件下固化1小时，将固化的PDMS从胶片上揭下与另一空白PDMS基片(厚度1mm)粘合即可获得打印管道芯片。

5.将修饰好的芯片尾端与电极阵列对齐，两者之间间距大约为40μm(显微镜下调节)。每一分离管道对应一三电极体系。

6.在样品储夜池注入0.25mM葡萄糖溶液，在缓冲液储夜池中注入30mM NaOH溶液。进样电压为500V，分离电压为1400V，在电化学工作站的技术选项中选择安培电流-时间曲线模式，检测电位设为0.9V。运行高压电源和电化学工作站，对三组管道中的葡萄糖标准样品进行分离检测。此处的工作电极选择为铜微带电极。所得电泳图如图4所示.

7.为了同时分离检测葡萄糖标准溶液，醛类化合物标准溶液和短链有机酸标准溶液，我们需根据样品的要求对PDMS管道采取不同修饰方式。管道组I和II用来分离葡萄糖标准溶液和醛类化合物标准溶液，其修饰方式如上述4的步骤2所述。管道组III用来分离短链有机酸标准溶液，则采用阳离子聚合物修饰方式。先用Plasma处理管道1分钟，然后注入0.02％(v/v)PDDA溶液，静置5分钟，30mM磷酸缓冲液(pH＝6.4)清洗10分钟即可。分别将100μM醛类化合物标准溶液(乙二醛，甲基乙二醛)，300μM短链有机酸标准溶液(乳酸，尿酸，2-羟基丁酸)通入芯片管道组II和III中同时分离检测，分离电压分别选择1200V和-1300V，在电化学工作站的技术选项中选择安培-电流时间曲线法，检测电位设为0.9V和0.7V。运行高压电源和电化学工作站。管道II和III所对应的工作电极为金微带电极。所得电泳图如图5所示。

8.分别将10μM，20μM，50μM，100μM，250μM，500μM，1000μM，2000μM葡萄糖标准溶液，1μM，10μM，25μM，50μM，100μM，250μM，500μM醛类化合物标准溶液，5μM，10μM，20μM，50μM，100μM，300μM，600μM短链有机酸标准溶液通入芯片中同时分离检测，实验条件如3和4所述。

9.处理数据时，我们将所得峰电流对标准物溶液浓度采用origin作图，可得到线性关系标准曲线。

10.将医院采集得到的八种血清样品经过预处理后通入芯片中同时分离检测，在电化学工作站的技术选项中选择安培-电流时间曲线法，在上述三类标准品各自的分离、检测条件下分别进行分离检测。八种血清样品电泳图如图6所示。通过标准曲线计算实际血清中各组分的含量。

Claims

1.一种多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，其特征是：它是固化的聚二甲基硅氧烷矩形块，在聚二甲基硅氧烷矩形块中埋有一列上、中、下三条宽1±0.1mm、长30-50mm的致密均一的化学镀金属膜条，上、中、下金属膜条之间的间隔为200±20μm，上金属膜条距离聚二甲基硅氧烷矩形块顶面为200±20μm，下金属膜条距离聚二甲基硅氧烷矩形块底面为1±0.1mm，上、中、下金属膜条的一端的末端通过导电胶粘附导电铝胶带接有导线，另一端暴露出的金属膜条即可作为电极使用。

2.根据权利要求1所述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，其特征是：所述的金属膜条是金属铜膜条、金属金膜条或金属银膜条。

3.根据权利要求1所述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，其特征是：所述的一列上、中、下三条化学镀金属膜条，在芯片电泳检测时分别作为工作电极、参比电极和对电极。

4.根据权利要求1所述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，其特征是：所述的聚二甲基硅氧烷矩形块中，有二列或二列以上的化学镀金属膜条，同时进行二项或二项以上的芯片电泳测试。

5.根据权利要求1所述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，其特征是：所述的聚二甲基硅氧烷矩形块检测完成后可以通过切割去矩形块一片暴露出的金属膜条，实时更新电极，方便地进行下一次的检测，从而避免电极污染而使得检测信号减弱或差错。

6.一种权利要求1所述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列的制备方法，其特征是它由下列步骤组成：

7.根据权利要求6所述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列的制法，其特征是：步骤5制化学镀铜膜改用步骤6的化学镀金膜的方法，如此三电极都为金电极。

8.根据权利要求1所述的多通道芯片电泳集成纳米微带电极阵列，其特征是：它与电泳芯片配合进行芯片电泳测试。