CN102183669A - 一种活体在线同时测定抗坏血酸与镁离子的微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可活体在线同时测定抗坏血酸与镁离子的微流控芯片及其制备方法与应用。该微流控芯片，包括：紧密结合的设有微通道的模板和导电玻璃基底；在所述基底上与微通道相应的部位，沿微通道方向设有依次排列的与待测组分数目相同的工作电极；在模板上微通道的一个端口处设有液流引入通道及入口，另一个端口处设有液流引出通道及出口，对电极设置在设有液流出口的微通道的端口；在所述模板上，在所述主液流引入通道和所述液流引出通道之间，对应所述微通道的部位设有参比电极。利用该微流控芯片消除了同时检测抗坏血酸与镁离子时两者之间存在的交叉干扰，进而与微透析活体在线检测系统的结合，实现了对鼠脑内抗坏血酸与镁离子的同时在线电化学检测。

Description

一种活体在线同时测定抗坏血酸与镁离子的微流控芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可活体在线同时测定抗坏血酸与镁离子的微流控芯片及其制备方法。
背景技术
自Manz等1990年首次提出微全分析系统概念以来，微流控芯片技术得到迅速发展，成为当前微全分析系统发展的最前沿。微流控芯片最初起源于分析化学领域，是一种采用精细加工技术，在数平方厘米的基片上，制作出微通道网络结构及其它功能单元，以实现集微量样品制备、进样、反应、分离及检测于一体的快速、高效、低耗的微型分析实验装置。相对于毛细管而言，微流控芯片具有上样量更少，进样方式更加智能化，分离时间更短等优点。随着微电子及微机械制作技术的不断进步，近年来微流控芯片技术发展迅猛，并开始在化学、生命科学及医学器件等领域发挥重要作用，如在蛋白质分离、免疫分析、DNA分析和测序、细胞培养及检测等方面的应用。其中聚二甲基硅氧烷基质微流控芯片因其透光性能好，价格便宜，加工容易，适合大规模生产，成为微全分析系统发展的一个热点。但毕竟微流控芯片技术起步较晚，在许多方面还不太成熟，作为一门新兴的交叉技术，它的完善需要化学、微电子及微机械学、材料及生命科学工作者的共同努力才能实现。近年来该技术正朝着微型化、集成化、自动化的方向迅猛发展，可以预料，在不久的将来它必将成为生命科学最主要的分析研究手段之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种微流控芯片，通过与活体在线电化学检测系统的结合，实现对鼠脑内抗坏血酸与镁离子的同时快速、实时分离检测。
本发明所提供的微流控芯片，包括：紧密结合在一起的设有微通道的模板和导电玻璃基底；其特征在于：在所述导电玻璃基底上与所述微通道相应的部位，沿所述微通道方向设有依次排列的与待测组分数目相同的独立的工作电极；在所述模板上微通道的一个端口处设有主液流引入通道及主液流入口，微通道的另一个端口处设有液流引出通道及液流出口，对电极设置在设有液流出口的微通道的端口；在所述模板上，在所述主液流引入通道和所述液流引出通道之间，对应所述微通道的部位设有参比电极。
所述微流控通道可设计为“一”字型微通道，对其尺寸无特别严格的要求，一般来说，所述“一”字型矩形通道的长度为3～4cm，宽为1～2mm，高为500～800μm。
所述模板，是刻有“一”字型通道的模板，其形状为矩形，大小无特别严格要求，一般来说，在不影响“一”字型通道使用的情况下，模板可修剪为长度为4.5～6cm，宽为1～2cm，高为0.3～1cm的矩形。
所述模板可由下述任意一种基质制成：单晶硅、无定形硅、玻璃、金属和有机聚合物，所述有机聚合物如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚碳酸脂(PC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。当采用聚二甲基硅氧烷基质模板时，该模板是在刻有“一”字型通道模板的基础上，用聚二甲基硅氧烷二次翻模后得到的。
所述导电玻璃基底，其形状为矩形，大小无特别严格要求，一般来说，所述基底的长为5.5～8cm，宽为1～2cm，高为1mm。
所述导电玻璃基底具体可为氧化铟锡导电玻璃(ITO)基底或氧化氟锡导电玻璃(FTO)基底。
当待测组分数目为双组分抗坏血酸与镁离子时，所述基底上设有两个独立的矩形工作电极，其长度方向与基底长度方向一致，宽度方向与基底宽度方向一致，两个独立的工作电极之间间隔1～2mm，其长度之和应不大于基底长度减掉所述间隔的长度，单个电极的长度应不小于1cm，两个独立电极的宽度相同，均为2～5mm；其中，一个电极为500～600℃煅烧后的碳纳米管修饰的导电玻璃电极，另一个电极是甲苯胺蓝修饰的导电玻璃电极。
上述刻蚀有“一”字型通道的模板与基底电极结合后，形成微流动通道，此微流动通道作为研究用的微电解池，需要在其上引入液流的流动及电化学三电极体系。在“一”字型通道一端处与垂直于两电极间隔处分别钻孔，引入液流进口，其中通道端处为液流主入口；在通道剩余一端处钻孔，引出液流出口兼作对电极(不锈钢管)；在剩余通道部分可任意钻孔，引入参比电极(固体Ag/AgCl)。上述设计应使碳管修饰的基底电极相对于主入口来说位于上游，甲苯胺蓝修饰的基底电极位于下游。
本发明所用碳纳米管为500～600℃煅烧过的单壁碳纳米管，对尺寸无特别要求，一般来说，所述单壁碳纳米管直径应小于2nm，平均长度为0.5～50μm。
根据使用微流控芯片所检测的组分，可将工作电极修饰成对待测组分具有较高响应的工作电极。
制备用于检测双组分(抗坏血酸与镁离子)的微流控芯片的方法，包括以下步骤：
1)制备刻蚀有“一”字型通道的模板；
2)将导电玻璃基底腐蚀为两个独立的矩形电极，并在一个矩形电极上通过滴涂的方式修饰500～600℃煅烧过的单壁碳纳米管，在另一个矩形电极上通过电聚合的方式修饰甲苯胺蓝，得到设于所述导电玻璃基底上的两个独立的工作电极；
3)将步骤1)中所述模板沿着长度方向对应于所述工作电极放于所述导电玻璃基底上，在所述模板上对应于“一”字型微通道的两端以及垂直于导电玻璃基底上两个工作电极的间隔处各钻一个孔；并在所述模板上对应微通道的剩余部位任意钻一个孔；
4)在步骤3)中打好孔的模板上首先引入液流入口，在使碳纳米管修饰的工作电极位于上游的“一”字型通道的端口处引入主液流入口，在两电极间隔处引入次液流入口，在“一”字型通道另一端口处用不锈钢管引出液流总出口并兼作对电极，剩余孔处引入固体Ag/AgCl参比电极；
5)将步骤4)中所述模板固定于2)中所述基底电极上，并使碳纳米管修饰的工作电极相对于主液流入口位于上游，得到所述微流控芯片。
为了使单壁碳纳米管具有更强的疏水性，在修饰好后可经过红外灯较长时间(如0.5～2h)的烘烤；另外，为使甲苯胺蓝在基底上稳定，可在pH为7的磷酸缓冲液溶解的甲苯胺蓝溶液中电聚合，然后再在pH 7.4的无镁人工脑脊液中电化学稳定。所述微流控芯片具体制备过程中，基底单壁碳纳米管修饰工作电极上，每平方厘米所需单壁碳纳米管的用量为2mg/mL的单壁碳纳米管10～85μL；甲苯胺蓝修饰工作电极的具体制备方法为：在pH值为7的磷酸缓冲液溶解的100μM甲苯胺蓝溶液中，以扫描速率50mV/s，-0.6～1.0V循环伏安扫描20～40圈，然后在pH 7.4无镁脑脊液中-0.4～0.6V循环伏安扫描直至电化学稳定。
利用本发明提供的微流控芯片同时检测抗坏血酸与镁离子时，在次液流入口持续不间断的通入β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(简写为NADH)溶液。
微流控芯片技术较常规尺寸的研究体系具有较多的优势，如微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程，在过去的十几年中微流控芯片从其自身的发展到其应用范围都得到了迅猛的发展。而微透析活体在线检测技术作为一种比较成熟的技术，可应用于鼠脑内各种物质的检测。将微流控芯片技术与微透析活体在线检测技术相结合，可以实现对鼠脑内各种物质的实时快速分离检测，同时，利用芯片可自由设计的灵活性，可实现对双组份物质甚至多组分物质的同时快速分离检测，并可彻底消除多组分物质同时检测时可能存在的交叉干扰现象，具有重大的研究意义。
本发明首先设计了可用于双组分同时测定的微流控芯片，包括微流控通道的选择与基底电极的制作，进而利用微流控芯片设计的自由性，在微流控芯片的基础上进行了电解池的设计与液流的设计，通过与微透析活体在线检测系统的结合，成功实现了对鼠脑内抗坏血酸与镁离子的同时在线电化学检测，并彻底消除了两者之间存在的交叉干扰。因此，采用该方法制备的微流控芯片在活体在线检测双组分或多组分方面具有重要的探索意义。
附图说明
图1为本发明制备的可活体在线同时检测抗坏血酸与镁离子的微流控芯片的结构示意图。
图2为实施例2中微流控芯片检测抗坏血酸与镁离子的体外交叉干扰实验中的电流-时间曲线。
图3为实施例3中微流控芯片检测抗坏血酸与镁离子的体外定量检测实验。
图4为实施例4中微流控芯片活体在线同时检测鼠脑内抗坏血酸与镁离子的电流-时间曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1、制备可活体在线同时检测抗坏血酸与镁离子的微流控芯片
1)在6×6cm2的有机玻璃上居中设计“一”字型通道，其长宽高分别为4cm、1mm、500μm。经聚二甲基硅氧烷二次翻模后得到高度为1cm的聚二甲基硅氧烷模板，不影响通道使用的情况下，将其剪切为长5cm、宽1.5cm的矩形。
2)将长为6cm、宽为1.5cm的氧化铟锡导电玻璃腐蚀为与其长度方向一致两个独立的居中的矩形基底电极，电极长度分别为1.5cm与2.5cm，宽均为0.5cm。
首先在2.5cm长的基底电极上电聚合甲苯胺蓝，在pH为7的磷酸缓冲溶液溶解的100μM甲苯胺蓝溶液中，以扫描速率50mV/s，循环伏安从-0.6～1.0V扫描25个循环后再在pH 7.4无镁人工脑脊液中-0.4～0.6V循环伏安扫描至稳定。
然后在1.5cm长的基底电极上滴涂乙醇分散的600℃煅烧过的2mg/mL的单壁碳纳米管(直径＜2nm，平均长度为0.5～50μm，参照下述文献方法合成：AnalyticalChemistry 77(19)：6234-6242)40μL，并在红外灯下烘烤半个小时。
600℃煅烧的单壁碳纳米管具体合成过程为：首先，单壁碳纳米管在2.6M的硝酸溶液中回流纯化5小时，然后离心，再分散得到悬浮液，过滤后蒸干溶剂得到纯化的单壁碳纳米管；最后将纯化的单壁碳纳米管在600℃煅烧2小时。
3)在使碳管修饰的电极位于上游的通道端口处打孔，引入主液流入口(inlet-1)，在聚二甲基硅氧烷基质模板上对应于两基底电极间隔的位置，打垂直于两基底电极间隔的孔，引入次液流入口(Inlet-2)，在通道中间附近打孔，引入Ag/AgCl参比电极，在通道另一端口处打孔，引出不锈钢管液流通道兼作对电极。
至此，聚二甲基硅氧烷模板及导电玻璃基底电极制作完成，组装后即得到可用于活体在线同时检测抗坏血酸与镁离子的微流控芯片。
实施例2、可活体在线同时检测抗坏血酸与镁离子的微流控芯片的体外交叉干扰实验
在液流速度固定为1.0μL/min的前提下，次液流入口持续不间断的通入β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(简写为NADH)溶液(首先NADH作为检测镁离子的体系是必须存在的，其次在检测抗坏血酸的体系中它是存在干扰而必须消除的。所以NADH是一种对下游检测体系必须存在而又对上游检测体系存在干扰而应于排除的物质，作为在双组分检测中像NADH一样的物质，均可设计次液流入口，从次液流入口进样。这样既可保证下游体系的检测，又可排除它在上游体系的干扰，从而实现双组分之间的无交叉干扰检测)，主液流入口依次进样：无镁人工脑脊液(简写为无镁aCSF)、抗坏血酸(简写为AA)试液、无镁aCSF、镁(Mg2+)试液、无镁aCSF。
图2表示微流控芯片在体外的交叉干扰实验中的电流-时间曲线(测定电压为上游电极0.03V，下游电极0V)。次液流入口持续不断的通入2mM的NADH溶液，主液流入口在无镁aCSF与AA或Mg2+溶液间交替进样，其中AA的进样浓度为100μM，Mg2+浓度为3mM。
图2曲线代表的是在主液流入口连续进样的过程中两个工作电极同时记录的工作曲线，其中黑线为上游碳管修饰工作电极的I-t曲线(测定电压0.03V)，红线为下游甲苯胺蓝修饰工作电极的I-t曲线(测定电压0V)。两个工作电极同时工作，在以下具体进样过程中得到了如图所示的曲线。进样过程具体为：无镁aCSF，基线-AA，响应稳定-无镁aCSF，回到基线-Mg2+，响应稳定-无镁aCSF，回到基线。
由图中可以看出，进样AA时只有碳管电极响应，镁电极仍是基线无响应，而进样镁离子时，只有镁电极响应，碳管电极无响应。两者之间无交叉干扰。
通过模板与基底电极及液流的协调合理设计，完全消除了芯片在同时检测抗坏血酸与镁离子时可能存在的交叉干扰。
实施例3、可活体在线同时检测抗坏血酸与镁离子的微流控芯片的体外定量检测实验
在液流速度固定为1.0μL/min的前提下，次液流入口持续不间断的通入NADH溶液，主液流入口在无镁aCSF与不同浓度的混合液(不同浓度抗坏血酸与镁离子的混合液)之间交替进样。
图3表示的是微流控芯片在体外检测不同浓度的抗坏血酸与镁离子的时间-电流曲线，其中黑线为上游碳管修饰工作电极的I-t曲线(测定电压0.03V)，红线为下游甲苯胺蓝修饰电极的I-t曲线(测定电压0V)。次液流入口持续不断的通入2mM的NADH溶液，主液流入口在无镁aCSF与不同浓度的混合液(不同浓度抗坏血酸与镁离子的混合液)之间交替进样。浓度组合从左到右分别为50μM AA+2mM Mg2+、20μMAA+1mM Mg2+、10μM AA+600μM Mg2+、5μM AA+300μM Mg2+、2μM AA+100μMMg2+。
由图中可以看出，微流控芯片在检测抗坏血酸与镁离子时，不同浓度的电流响应与浓度之间表现出了良好的线性关系，可用于抗坏血酸与镁离子的同时定量检测。
实施例4、可活体在线同时检测抗坏血酸与镁离子的微流控芯片的动物实验
在液流速度固定为1.0μL/min的前提下，次液流入口持续不间断的通入NADH溶液，主液流入口在无镁aCSF与动物(SD大鼠)脑透析液(dialysate)之间交替进样。
图4表示的是微流控芯片活体在线同时检测大鼠脑透析液中抗坏血酸与镁离子时的电流-时间曲线，其中，黑线为上游碳管工作电极的I-t曲线(测定电压0.03V)，红线为下游甲苯胺蓝镁电极的I-t曲线(测定电压0V)。次液流入口持续不断的通入2mM的NADH溶液，主液流入口在无镁aCSF与动物脑内dialysate间交替进样。
两个电极同时工作记录了在主液流入口通入无镁aCSF，基线-鼠脑透析液，两电极各自响应-无镁aCSF，回到基线进样过程时各自的工作曲线。
由图中可以看出，通过模板与基底电极及液流的协调合理设计，使芯片具备了可活体在线同时检测抗坏血酸与镁离子的功能。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，包括：紧密结合在一起的设有微通道的模板和导电玻璃基底，其特征在于：在所述导电玻璃基底上与所述微通道相应的部位，沿所述微通道方向设有依次排列的与待测组分数目相同的独立的工作电极；在所述模板上微通道的一个端口处设有主液流引入通道及主液流入口，微通道的另一个端口处设有液流引出通道及液流出口，对电极设置在设有液流出口的微通道的端口；在所述模板上，在所述主液流引入通道和所述液流引出通道之间，对应所述微通道的部位设有参比电极。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：在所述模板上对应于所述导电玻璃基底上相邻两个工作电极的间隔区域，垂直于所述间隔区域设有次液流引入通道。
3.根据权利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于：所述微通道为“一”字型微通道，其长为3～4cm，宽为1～2mm，高为500～800μm；
所述模板的形状为矩形，其长为4.5～6cm，宽为1～2cm，高为0.3～1cm的矩形；所述模板由下述任意一种基质制成：单晶硅、无定形硅、玻璃、金属和有机聚合物；
所述导电玻璃基底的形状为矩形，其长为5.5～8cm，宽为1～2cm，高为1mm，所述导电玻璃基底为氧化铟锡导电玻璃基底或氧化氟锡导电玻璃基底。
4.根据权利要求1-3中任一所述的微流控芯片，其特征在于：所述导电玻璃基底上设有两个独立的矩形工作电极，其长度方向与导电玻璃基底长度方向一致，宽度方向与导电玻璃基底宽度方向一致，两个工作电极之间间隔1～2mm，其长度之和应不大于导电玻璃基底长度减掉所述间隔的长度，单个工作电极的长度应不小于1cm，两个工作电极的宽度相同，均为2～5mm；其中，一个工作电极为500～600℃煅烧后的碳纳米管修饰导电玻璃电极，另一个工作电极是甲苯胺蓝修饰导电玻璃电极；所述对电极为不锈钢管，所述参比电极为固体Ag/AgCl参比电极。
5.根据权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于：所述500～600℃煅烧后的碳纳米管修饰导电玻璃电极相对于主液流入口位于上游，所述甲苯胺蓝修饰导电玻璃电极相对于主液流入口位于下游。
6.根据权利要求4或5所述的微流控芯片，其特征在于：所述碳纳米管为单壁碳纳米管；所述单壁碳纳米管的直径小于2nm，平均长度为0.5～50μm。
7.制备权利要求6所述微流控芯片的方法，包括以下步骤：
1)制备刻蚀有“一”字型通道的矩形模板；
2)将导电玻璃基底腐蚀为两个独立的矩形电极，并在一个矩形电极上通过滴涂的方式修饰500～600℃煅烧过的单壁碳纳米管，在另一个矩形电极上通过电聚合的方式修饰甲苯胺蓝，得到设于所述导电玻璃基底上的两个独立的工作电极；
3)将步骤1)中所述模板沿着长度方向对应于所述工作电极放于所述导电玻璃基底上，在所述模板上对应于“一”字型微通道的两端以及垂直于导电玻璃基底上两个工作电极的间隔处各钻一个孔；并在所述模板上对应微通道的剩余部位任意钻一个孔；
4)在步骤3)中打好孔的模板上首先引入液流入口，在使碳纳米管修饰的工作电极位于上游的“一”字型通道的端口处引入主液流入口，在两电极间隔处引入次液流入口，在“一”字型通道另一端口处用不锈钢管引出液流总出口并兼作对电极，剩余孔处引入固体Ag/AgCl参比电极；
5)将步骤4)中所述模板固定于步骤2)中所述导电玻璃上，并使碳纳米管修饰的工作电极相对于主液流入口位于上游，得到所述微流控芯片。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，单壁碳纳米管修饰电极上，每平方厘米所需单壁碳纳米管的用量为2mg/mL的单壁碳纳米管溶液10～85μL；甲苯胺蓝修饰电极的具体制备方法为：在pH值为7的磷酸缓冲液溶解的100μM甲苯胺蓝溶液中，以扫描速率50mV/s，-0.6～1.0V循环伏安扫描20～40圈，然后在pH 7.4无镁脑脊液中-0.4～0.6V循环伏安扫描直至电化学稳定。
9.权利要求5或6所述微流控芯片在同时检测抗坏血酸与镁离子中的应用。
10.权利要求1-6中任一项所述微流控芯片在具有交叉干扰的双组分或多组分检测中的应用。
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