CN103901083A

CN103901083A - 一种电化学法检测内毒素的微流控芯片

Info

Publication number: CN103901083A
Application number: CN201410011284.4A
Authority: CN
Inventors: 罗刚银; 王弼陡; 缪鹏; 王钟周; 钱庆; 程文播; 张运平
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: CN103901083B

Abstract

本发明公开了一种电化学法检测内毒素的微流控芯片，包括本体，所述本体的左端设置有进样口，所述进样口与混匀弯道连接，所述进样口与所述混匀弯道之间设置有内毒素检测试剂或内毒素检测试剂囊，所述混匀弯道还与检测通道连接，所述混匀弯道与所述检测通道之间设置有电解液囊，所述检测通道的另一端连接有废液室，所述检测通道上设置有加热薄膜电阻。采用本发明技术方案，减少了外源性内毒素的污染，实现了内毒素含量的快速定量检测；还具有检测过程消耗样品少、操作步骤少、检测仪器体积小进而方便携带等优点。

Description

一种电化学法检测内毒素的微流控芯片

技术领域

本发明属于内毒素检测领域，具体涉及一种电化学法检测内毒素的微流控芯片。

背景技术

内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁上的一种脂多糖和蛋白的复合物，当细菌死亡或自溶后便会释放出内毒素。内毒素大量进入血液就会引起发热反应—“热原反应”。内毒素与多种感染疾病密切相关，病情恶化往往伴随着内毒素含量的增加，病情缓解也常伴随着内毒素含量的减少。因此，快速检测血液、脏器内毒素含量可以为临床相关疾病的诊断预后提供参考。

目前检测内毒素的试剂主要是鲎试剂。鲎试剂是一种无菌冷冻干燥品，含有能被微量细菌内毒素和真菌葡聚糖激活的凝固酶原，凝固蛋白原，能够准确、快速地定性或定量检测样品中是否含有细菌内毒素和真菌葡聚糖。

基于鲎试剂的内毒素检测方法主要有凝胶法、浊度法和显色法。

凝胶法是通过鲎试剂与内毒素产生凝集反应的原理来定性检测或半定量内毒素的方法。凝胶法是通过观察有无凝胶形成作为反应的终点。此法操作比较简单，经济，不需要专用测定设备，可以进行定性或半定量测定。这种方法采用人眼观察反应物凝集结果，因此人为因素对检测结果的影响很大。

显色法是利用鲎试剂与内毒素反应过程中产生的凝固酶使特定底物显色释放出的呈色团的多少而测定内毒素含量的方法，根据产物颜色判断内毒素浓度，又称为比色法。这种方法可以采用人眼或者CCD相机进行显色结果判读，但是由于其是一种定性的检测方法，所以仍然不能实现内毒素的精确定量检测。同时，采用CCD相机作为判读元件的相应检测仪的体积也不小，不方便携带。

浊度法是通过检测鲎试剂与内毒素反应过程中的浊度变化而测定内毒素含量的方法，是一种通过检测反应混合物的浊度上升至某一预先设定的吸光度所需要的反应时间，或是检测浊度增加速度的方法。该方法往往采用酶标仪等仪器进行检测，是一种定量检测方法。但是，该方法的操作步骤较多，且酶标仪的体积往往也不小，不方便携带，从而不便于在野外水质监测、生产线多点监测等场合使用。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种电化学法检测内毒素的微流控芯片。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种电化学法检测内毒素的微流控芯片，包括本体，所述本体的左端设置有进样口，所述进样口与混匀弯道连接，所述进样口与所述混匀弯道之间设置有内毒素检测试剂或内毒素检测试剂囊，所述混匀弯道还与检测通道连接，所述混匀弯道与所述检测通道之间设置有电解液囊，所述检测通道的另一端连接有废液室，所述检测通道上设置有加热薄膜电阻。

进一步的，所述加热薄膜电阻上还设置有温度传感金属薄膜，所述温度传感金属薄膜的一端与温度传感电极正极连接，另一端与温度传感电极负极连接，所述加热薄膜电阻的一端连接有加热电极负极，另一端与加热电极正极连接，且在所述加热薄膜电阻形成的温育腔内部还依次设置有工作电极，参比电极和对电极。

进一步的，所述混匀弯道的另一端设置有进样阀，所述电解液囊的末端设置有电解液阀，所述废液室的末端设置有废液阀，所述内毒素检测试剂囊的末端设置有试剂阀。

进一步的，所述混匀弯道有5个，且每个所述混匀弯道宽100um，深60um，拐弯处的内径为1mm，所述检测通道的宽500um，深60um，所述加热薄膜电阻采用Cu金属薄膜，所述温度传感金属薄膜采用Pt金属薄膜。

进一步的，所述工作电极是用多肽修饰过的Au电极，所述参比电极选择Ag/AgCl电极，所述对电极选择Pt电极。

进一步的，所述进样阀，所述电解液阀和所述废液阀都是单向阀由阀片固定端，阀片转动端和阀片挡块组成，且所述三个阀片采用弹性体聚合物材料二甲基硅氧烷PDMS加工实现的，所述进样阀和所述电解液阀的阀片宽150um，深60um，厚50um，所述废液阀的阀片宽50um，深60um，厚60um。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明技术方案，采用电化学法检测内毒素，并以微流控芯片作为内毒素检测的载体，把电解液的贮存、反应物的混合、温育反应、反应物的冲洗、内毒素的检测、废液收集都集成在一块微流控芯片上，减少了外源性内毒素的污染，实现了内毒素含量的快速定量检测；另外，由于所有检测操作都在微流控芯片上完成，因此还具有检测过程消耗样品少、操作步骤少、检测仪器体积小进而方便携带等优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明内毒素检测微流控芯片内部结构示意图；

图2（a）为本发明内毒素检测微流控芯片单向阀结构示意图；

图2（b）为本发明内毒素检测微流控芯片单向阀正向注入液体状态示意图；

图2（c）为本发明内毒素检测微流控芯片单向阀反向注入液体状态示意图；

图3为本发明内毒素检测微流控芯片的加热结构示意图；

图4为本发明内毒素检测微流控芯片的另外一种内毒素检测试剂储存方式内部结构；

图5为本发明内毒素检测微流控芯片另一种加热结构非接触式的结构示意图；

图6为本发明内毒素检测微流控芯片用于检测内毒素时的操作步骤流程图。

图中标号说明：1、本体，2、进样口， 3、内毒素检测试剂，4、混匀弯道， 5、进样阀，6、电解液阀，7、加热薄膜电阻，8、分检测通道， 9、温度传感金属薄膜,10、加热电极负极，11、工作电极，12、参比电极，13、对电极，14、温度传感电极正极，15、温度传感电极负极，16、加热电极正极，17、废液阀，18、电解液囊，19、废液室，20、内毒素检测试剂囊，21、试剂阀，71、阀片固定端，72、阀片转动端，73、阀片挡块。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1-图5所示，一种电化学法检测内毒素的微流控芯片，包括本体1，所述本体1的左端设置有进样口2，所述进样口2与混匀弯道4连接，所述进样口2与所述混匀弯道4之间设置有内毒素检测试剂3或内毒素检测试剂囊20，所述混匀弯道4还与检测通道8连接，所述混匀弯道4与所述检测通道8之间设置有电解液囊18，所述检测通道8的另一端连接有废液室19，所述检测通道8上设置有加热薄膜电阻7。

进一步的，所述加热薄膜电阻7上还设置有温度传感金属薄膜9，所述温度传感金属薄膜9的一端与温度传感电极正极14连接，另一端与温度传感电极负极15连接，所述加热薄膜电阻7的一端连接有加热电极负极10，另一端与加热电极正极16连接，且在所述加热薄膜电阻7形成的温育腔内部还依次设置有工作电极11，参比电极12和对电极13。

进一步的，所述混匀弯道4的另一端设置有进样阀5，所述电解液囊18的末端设置有电解液阀9，所述废液室19的末端设置有废液阀17，所述内毒素检测试剂囊20的末端设置有试剂阀21。

进一步的，所述混匀弯道4有5个，且每个所述混匀弯道4宽100um，深60um，拐弯处的内径为1mm，所述检测通道8的宽500um，深60um，所述加热薄膜电阻7采用Cu金属薄膜，所述温度传感金属薄膜9采用Pt金属薄膜。

进一步的，所述工作电极11是用多肽修饰过的Au电极，所述参比电极12选择Ag/AgCl电极，所述对电极13选择Pt电极。

进一步的，所述进样阀5，所述电解液阀9和所述废液阀9都是单向阀由阀片固定端71，阀片转动端72和阀片挡块73组成，且所述三个阀片采用弹性体聚合物材料二甲基硅氧烷PDMS加工实现的，所述进样阀5和所述电解液阀9的阀片宽150um，深60um，厚50um，所述废液阀9的阀片宽50um，深60um，厚60um。

优选的，在正向注入液体时，单向阀打开；在反向注入液体时，单向阀关闭。在微流控芯片工作过程中各单向阀的开关状态如表1所示。

表1 微流控芯片工作过程中各单向阀的开关状态

如图6所示，内毒素检测的操作步骤包括：进样、混匀、温育反应、冲洗、检测，具体操作步骤如下：

首先，使用注射器向进样口注入一定量的样品液，此时进样阀5、废液阀17在样品注射压力的作用下打开，电解液阀6关闭，如表1所示。样品液沿着微型通道进入微流控芯片。

其次，样品液与混匀弯道4前端填充的内毒素检测试剂3粉末相遇，随后一起通过混匀弯道4混合后，进入检测通道8。

接着，混匀的反应物在检测通道8中进行温育反应。在加热薄膜电阻7的作用下，检测通道8的温度维持在37℃恒温状态。

然后，等到样品液与内毒素检测试剂3反应结束，工作电极11上相应的多肽已经被断裂后，挤压电解液囊18压出电解液对检测通道8进行冲洗，去除反应混合物，且电解液选用浓度300umol/L含Fe³⁺、Fe²⁺的铁氰化物溶液，它既用作内毒素检测过程中的反应物，同时也用作样品液和内毒素检测试剂3混合物的冲洗液。此时电解液阀6、废液阀17在电解液压力的作用下打开，进样阀5关闭，如表1所示。冲洗后，三电极系统浸在电解液中，工作电极11上的电压由于正电离子Fe³⁺、Fe²⁺在其表面富集产生电位变化，且此电位变化与待测样品中内毒素的含量呈正比。

最后，检测三电极系统中工作电极11上的电位变化进而定量检测出待测样品中内毒素的含量。

本发明的原理：

采用多肽修饰的金属电极作为工作电极11，多肽一端结合带正电荷的氨基酸基团，另一端与金属电极表面键合。多肽未断裂前，工作电极11表面由于带正电荷的氨基酸基团的存在而对正电离子具有排斥作用，此时电极保持较低电位。当待测样品液与内毒素检测试剂3在工作电极表面温育反应时，待测样品液中的内毒素会激活内毒素检测试剂3，进而使多肽断裂，而多肽断裂处的工作电极11表面不再具有排斥作用，能够结合正电离子。接着，冲洗掉待测样品和内毒素检测试剂3的反应混合物，并注入电解液，此时多肽断裂处的工作电极11表面吸附电解液中的正电离子，导致其电位升高，且电位的变化量与内毒素的含量呈正比。最后，通过检测工作电极11表面电位的变化便可定量检测出待测样品中内毒素的含量。

具体为：内毒素检测所需的电化学检测结构通过三电极系统实现。三电极系统包括工作电极11、参比电极12和对电极13，其中工作电极11是用多肽修饰过的Au电极，在制作工作Au电极的过程中，多肽一端结合带正电荷的氨基酸基团，另一端与Au电极表面键合。在正常情况下，电解液中的Fe3+、Fe2+与工作电,11表面的正电荷排斥，Au电极电位很低。当样品液中的内毒素激活内毒素检测试剂后，内毒素检测试剂3会使多肽断裂，此时Fe3+、Fe2+便能够结合到Au电极表面上，使Au电极电位升高，且电位升高的电压值与样品中的内毒素含量呈正比，进而通过工作Au电极表面的电压值检测实现样品中内毒素含量的定量检测。参比电极12选择Ag/AgCl电极，用作工作电极11的参考电极。对电极13选择Pt电极，与工作Au电极一起构成工作回路。

内毒素检测所需的内毒素检测试剂3采用冻干粉末的方式填充在微通道中，在检测过程中能够溶解在样品液中，并随样品液一起进入到三电极系统表面进行温育反应，样品液与内毒素检测试剂3在经过混匀弯道4过程中能够实现更加充分的混匀。内毒素检测试剂3还可以采用另外一种储存方式，即把内毒素检测试剂制备成内毒素检测试剂液，然后在芯片上再加工一个内毒素检测试剂囊，同样采用外力挤压的方式使其流入微型通道中与样品液相遇进行反应.

内毒素检测所需的电解液在制作微流控芯片时就被填充在芯片上的电解液囊18中。电解液囊18是一个凸起储液腔，通过外力挤压的方式可以把其中的电解液压出而进入内毒素检测的微通道中。储存在电解液囊18中的电解液对于内毒素检测过程中所需的量来说是过量的，因此它既用作内毒素检测过程中的反应物，同时也用作样品液和内毒素检测试剂3混合物的冲洗液。优选的，电解液选用含Fe3+、Fe2+的铁氰化物溶液。废液室19用于存储检测过程中产生的废液，同时采用单向废液阀可以防止废液向检测通道回流。

内毒素检测的微流控芯片所需的加热结构还可以采用另外一种加热方式，即在微流控芯片检测所需检测仪的芯片插槽上下表面集成柔性PCB加热片、帕尔贴加热片或者功率电阻块形成温育腔，以代替微流控芯片表面沉积形成的加热薄膜电阻7和温度传感金属薄膜9。

另外加热薄膜电阻7和温度传感金属薄膜9都是通过薄膜沉积技术在微流控芯片表面形成。在加热工程中，通过控制加热薄膜电阻中电流的通断实现芯片加热的启停，通过检测温度传感金属薄膜的电阻来检测芯片当前的温度值。另外，加热电极负极、加热电极正极、温度传感电极正极、温度传感电极负极四个接点是加热结构与外部电路连接的接口。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电化学法检测内毒素的微流控芯片，包括本体（1），其特征在于，所述本体（1）的左端设置有进样口（2），所述进样口（2）与混匀弯道（4）连接，所述进样口（2）与所述混匀弯道（4）之间设置有内毒素检测试剂（3）或内毒素检测试剂囊（20），所述混匀弯道（4）还与检测通道（8）连接，所述混匀弯道（4）与所述检测通道（8）之间设置有电解液囊（18），所述检测通道（8）的另一端连接有废液室（19），所述检测通道（8）上设置有加热薄膜电阻（7）。

2.根据权利要求1所述的电化学法检测内毒素的微流控芯片，其特征在于，所述加热薄膜电阻（7）上还设置有温度传感金属薄膜（9），所述温度传感金属薄膜（9）的一端与温度传感电极正极（14）连接，另一端与温度传感电极负极（15）连接，所述加热薄膜电阻（7）的一端连接有加热电极负极（10），另一端与加热电极正极（16）连接，且在所述加热薄膜电阻（7）形成的温育腔内部还依次设置有工作电极（11），参比电极（12）和对电极（13）。

3.根据权利要求1所述的电化学法检测内毒素的微流控芯片，其特征在于，所述混匀弯道（4）的另一端设置有进样阀（5），所述电解液囊（18）的末端设置有电解液阀（9），所述废液室（19）的末端设置有废液阀（17），所述内毒素检测试剂囊（20）的末端设置有试剂阀（21）。

4.根据权利要求1所述的电化学法检测内毒素的微流控芯片，其特征在于，所述混匀弯道（4）有5个，且每个所述混匀弯道（4）宽100um，深60um，拐弯处的内径为1mm，所述检测通道（8）的宽500um，深60um，所述加热薄膜电阻（7）采用Cu金属薄膜，所述温度传感金属薄膜（9）采用Pt金属薄膜。

5.根据权利要求2所述的电化学法检测内毒素的微流控芯片，其特征在于，所述工作电极（11）是用多肽修饰过的Au电极，所述参比电极（12）选择Ag/AgCl电极，所述对电极（13）选择Pt电极。

6.根据权利要求3所述的电化学法检测内毒素的微流控芯片，其特征在于，所述进样阀（5），所述电解液阀（9）和所述废液阀（9）都是单向阀，由阀片固定端（71），阀片转动端（72）和阀片挡块（73）组成，且所述三个阀片采用弹性体聚合物材料二甲基硅氧烷PDMS加工实现的，所述进样阀（5）和所述电解液阀（9）的阀片宽150um，深60um，厚50um，所述废液阀（9）的阀片宽50um，深60um，厚60um。