CN104483360A - 一种电位型纸芯片及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学、生物与电子信息科学，具体涉及一种电位型纸芯片及其制备和应用。纸芯片由载体组成的双层孔道体系，下层载体上设置电极体系；所述电极体系为粘附敏感膜的工作电极和参比电极或粘附敏感膜的工作电极、参比电极和对电极。本发明具有便携化、试剂消耗量低、成本低廉、重现性好、易于操作，能够满足现场即时检测和家庭化疾病快速诊断等优点。

Description

一种电位型纸芯片及其制备和应用

技术领域

本发明涉及化学、生物与电子信息科学，具体涉及一种电位型纸芯片及其制备和应用。

背景技术

微流控纸芯片技术是当前仪器分析的研究热点，该技术主要以分析化学和生物化学为基础，应用于化学分析、环境监测、免疫分析、疾病诊断、细胞分析等众多领域。近年来，关于纸芯片的研究越来越多，各种检测手段应运而生—比色检测，电化学检测，光学检测等。目前，基于电位检测分析的纸芯片研究鲜有关注。仅有的文献报道中(Anal.Chem.2014,86,9548-9553)，工作区域与参比区域通过接触带相连。由于强的毛细作用的存在，参比溶液以及工作溶液容易相互干扰，从而影响测定的准确度。此外，工作电极以及参比电极之间类似盐桥的接触带的存在增加了芯片的复杂性。

电位型纸芯片是通过测定待测溶液的电位值，实现待测物浓度检测的一种分析方法。聚合物膜离子选择性电极是一种成本低廉、操作简单的电位检测方法。它具有操作简便、响应快速、设备价廉等优点，特别适合现场检测以及大批样品的检测，已广泛应用于全血、血清、尿、组织、细胞内液及其稀释液中各种电解质离子的直接测定。随着低检出限聚合物膜离子选择性电极的发展，近年来该技术的发展形成一种新的浪潮。其中固体接触式电极是该技术发展较快的领域。固体接触式电极不仅能够降低电极检出限、响应时间短、耐用且易于小型化和集成化。但现阶段仍无将两种技术相结合的方式。此外，三维(3D)电位型纸芯片尚无报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电位型纸芯片及其制备和应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种电位型纸芯片,纸芯片由载体组成的双层孔道体系，下层载体上设置电极体系；

所述电极体系为粘附敏感膜的工作电极和参比电极或粘附敏感膜的工作电极、参比电极和对电极。

所述聚合物敏感膜由聚合物基体材料、增塑剂、离子交换剂和离子载体按重量份数比为20-40：40-80：0.1-10：0.1-10的比例混合，而后融入到四氢呋喃或异氟二酮溶液中，搅拌使之成为均匀溶液，混均后在室温下放置12-24h，即得到有弹性的聚合物敏感膜；所述聚合物基体材料为聚氯乙烯、聚丁基丙烯酸酯、聚丙烯酸丁酯、聚醚酰亚胺、橡胶、溶胶凝胶膜、 甲基丙烯酸甲酯-葵基甲基丙烯酸甲酯共聚物或丙烯酸正丁酯-甲基丙烯酸羟乙酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物；增塑剂为邻-硝基苯辛醚、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯；离子交换剂为四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，二壬基萘磺酸、二壬基萘磺酸盐、硼酸盐、3-十二烷基氯化铵或四(十二烷基)-四(4-氯苯基)硼酸铵；离子载体为各种重金属离子、无机阴离子、无机阳离子、有机离子特异性结合的化合物或聚合物。

所述工作电极和对电极导电基底材料均可为碳基材料、金属基材料或导电高分子材料基底；

其中，碳基材料为碳基底、碳纳米管修饰基底、石墨烯修饰基底、C60修饰基底，多孔碳修饰基底、碳丝网印刷电极基底，碳纤维基底或碳化硅基底；金属基材料为金基底、铜基底、银基底、铂基底、氧化铟锡基底、氧化锌基底、硅基底、多孔金基底、金纳米修饰基底、铂纳米修饰基底、金丝网印刷电极基底或二硫化钼基底；导电高分子材料基底为3-烷基噻吩基底，聚吡咯基底、聚噻吩基底、聚苯胺基底、聚乙炔基底、聚正辛基噻吩基底、六聚噻吩基底或聚乙撑二氧噻吩基底。

参比电极的基底材料为银/氯化银、银/氯化银/氯化钾/聚氯乙烯、银/氯化银/氯化钾/聚丁基丙烯酸酯、银/氯化银/氯化钾/聚丙烯酸丁酯、银/氯化银/氯化钾/聚醚酰亚胺、银/氯化银/氯化钾/橡胶、银/氯化银/氯化钾/甲基丙烯酸甲酯-葵基甲基丙烯酸甲酯共聚物、银/氯化银/氯化钾/丙烯酸正丁酯-甲基丙烯酸羟乙酯共聚物、银/氯化银/氯化钾/聚多巴胺、银/氯化银/氯化钾/全氟化磺酸酯、银/氯化银/氯化钾/溶胶凝胶或银/氯化银/氯化钾/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。为提高聚合物敏感膜和参比电极稳定性，可在电极基底和敏感膜之间滴涂或沉积导电材料。导电材料包括：3-烷基噻吩基底，聚吡咯基底、聚噻吩基底、聚苯胺基底、聚乙炔基底、聚正辛基噻吩基底、六聚噻吩基底或聚乙撑二氧噻吩基底。

一种电位型纸芯片的制备方法:

1)设计电化学检测的疏水区域和亲水区域，黑色部分是疏水区，白色部分是亲水电化学检测电极修饰区以及待检测加样区域；

2)设计与步骤1)匹配的相应的电极体系图案；

3)剪裁好适当载体，通过打印机喷蜡方式将步骤1)的图案打印到载体上；

4)将步骤2)电极体系的图案通过印刷或滴涂的方式铺设于载体的相应位置上，而后将载体折叠形成上下两层覆盖，即形成电位型纸芯片；其中，上层为打印有步骤1)设计的图案，下层为电极体系。

所述纸芯片图案可以根据检测需要进行设计。从单一参数到多参数。从单一通道到多通道。从单层载体到多层载体。

所述载体为滤纸或硝酸纤维素纸。

所述纸芯片中下层载体电极体系膜修饰区域作为加样测量区域；加样测量区域由上层载体亲水电化学检测待检测加样区域覆盖。

其中，待检测加样区域可设计为孔或在载体上指定其相应的位置靠载体自身渗透作用使待检测样品渗透到加样测量区域。

所述下层载体电极体系中参比电极的电解液流通区域设于参比电极连接处；

或，下层载体电极体系中参比电极区域先滴涂或浸泡在电解液中而后干燥，干燥后再铺设参比电极。

所述电解液为饱和氯化钾溶液或固定浓度的氯化钾溶液。

一种电位型纸芯片的应用，所述纸芯片在现场即时定量和/定性的检测多种目标离子中的应用。

所述纸芯片的电极体系相应电极与电化学工作站或离子计中相应电极相连，将待检测样品滴加在所述纸芯片亲水待检测加样区域，打开电化学工作站，检测待检测加样区域中的待检测样品电位变化，根据电位变化信号通过标准工作曲线测得检测样品浓度。

所述纸芯片电极体系中聚合物敏感修饰的工作电极为用于指示被测物质浓度的相关电位；参比电极为用于提供测量电位参考；对电极为用于使其与工作电极形成回路，以施加外电流。其中工作电极、参比电极和对电极分别与电位检测装置相连。

当采用工作电极和参比电极两电极体系时，直接进行开路电位测量；当采用工作电极、参比电极和对电极三电极体系时既可采用开路电位测量亦可采用计时电位测量。

测定样品时，在参比电极的电解液流通区域内加入饱和氯化钾溶液。待测样品滴加至待检测加样区域并透过至加样测量区域，采用外接电位检测装置实现对待测目标物在聚合物敏感膜工作电极电位响应的测定。电位测定可采用开路电位分析和计时电位分析。利用电位响应与浓度的关系实现目标物质的定性及定量检测。

本方法与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明纸芯片在设计过程中，工作电极、参比电极以及对电极的工作区域经被测待检测加样区域完全覆盖加样后，加样区域在同一区域，从而避免了盐桥的使用。参比电极电解液的加入，能够通过滤纸的渗透作用，与待测溶液连通，保证了参比电极的电位稳定，简化了电极的制备过程。

2.本发明发展了一种新型纸芯片的电位检测技术，首次采用固体接触式电极作为指示电极。该电极具有响应速度快、检出限低、耐用且易于小型化和集成化等特点。

3.本发明发展了一种三维的电位型纸芯片，设计更加灵活多样。

4.本发明电位纸芯片检测技术具有通用性。通过改变工作电极上黏附的聚合酶敏感膜组分和材料，能够用于多种待测物的分析。

5.本发明将纸芯片和聚合物敏感膜电位检测相结合，可根据需要进行不同的图案化设计，实现快速、高通量电位检测，将其具有重要的科学意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的两电极单一参数电位纸芯片示意图；其中1为疏水区域，2-8为亲水区域，2为工作电极基底修饰区域，3为参比电极基底修饰区域，4为聚合物敏感膜修饰区域，5为参比电极膜修饰区域，6为电解液流通区域，7为电解液加样区域，8为待测液加样区域。

图2为本发明实施例提供的两参数电位纸芯片示意图。

图3为本发明实施例提供的三参数电位纸芯片示意图。

图4为本发明实施例提供的三电极单一参数电位纸芯片示意图。

图5为本发明实施例提供的电位型纸芯片制备过程示意图。

图6为本发明实施例提供的纸芯片电位检测钾离子的电位实时响应曲线(A)及标准工作曲线(B)。

图7为本发明实施例提供的纸芯片电位检测钙离子的电位实时响应曲线(A)及标准工作曲线(B)。

图8为本发明实施例提供的纸芯片电位检测肝素离子的计时电位实时响应曲线。

具体实施方式

实施例1：微流控芯片的制作

纸质微流控芯片是将纸质芯片(滤纸、硝酸纤维素纸或其它材质)通过打印机喷蜡或其它方式产生疏水和亲水区域，实现芯片的图案化设计。通过图案设计，打印单一参数-两电极体系(如图1所示)、两参数纸芯片(如图2所示)以及三参数纸芯片(如图3所示)、单一参数-三电极体系(如图4所示)。

以单一参数-两电极体系为例，其制备过程如图5所示。首先在计算机上设计电化学三维微流控纸芯片的疏水蜡批量打印图案以及匹配的电极批量印刷图案；其中，设计电化学检测的疏水区域和亲水区域，黑色部分是疏水区(1)，白色部分是亲水电化学检测电极修饰区以及待检测加样区域(2-8)；其次将裁好的A4滤纸放置到喷蜡打印机中，蜡批量打印图案；进一步将上述带有蜡图案的滤纸放置到平板加热器或烘箱中，在60-150℃摄氏度下加热0.5-2分钟；而后采用丝网印刷方法，或滴涂方法将工作电极、参比电极、对电极负载到相应的电极区域。而后滤纸折叠实现实现上下两层覆盖，上层为打印有步骤1)设计的图案，下层为电极体系的工作电极和参比电极，其中，工作电极由工作电极基底修饰区域2和聚合物敏感膜修饰区域4构成，所述聚合物敏感膜修饰区域4位于工作电极基底修饰区域2端头，并涂覆聚合物敏感膜；参比电极由参比电极基底修饰区域3和参比电极膜修饰区域5构成，所述参比电极膜修饰区域5位于参比电极基底修 饰区域3端头；聚合物敏感膜修饰区域4和参比电极膜修饰区域5作为加样测量区域，加样测量区域经上层载体亲水电化学检测待检测加样区域8完全覆盖。其中，待检测加样区域可设计为孔或在载体上指定其相应的位置靠载体自身渗透作用使待检测样品渗透到工作区域。工作电极以碳浆为导电基底，参比电极为银/氯化银浆。参比电极的电解液流通区域6连接于参比电极基底修饰区域上，位置可根据滤纸的渗透性随意调整，渗透率低电解液流通区域6越接近参比电极基底表面参比电极膜修饰区域5；或，下层载体电极体系中参比电极区域先滴涂或浸泡在电解液中而后干燥，干燥后再铺设参比电极。工作电极和参比电极与电位检测装置相连，电极产生电位响应，依据电位响应实现待测样品检测。所述电解液为饱和氯化钾溶液或固定浓度的氯化钾溶液。

上述纸芯片制备过程中的图案可以根据检测需要进行设计，同时其中的单一参数可变为多参数，从单一通道到多通道，从单层载体到多层载体。实施例2：电位型纸芯片用于钾离子的检测

根据实施例1记载的微流控纸芯片制备方式获得图1所示的电位型纸芯片，利用该单一参数-两电极体系的纸芯片检测钾离子，具体为：

称取200mg聚合物敏感膜组分，其中按重量百分比计，离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠(KTFPB)：1％，离子载体:缬氨霉素(Ionophore)：0.2％，聚氯乙烯(PVC)：33％，增塑剂癸二酸二丁酯(DOS)：66％。将上述组分融入1mL新蒸四氢呋喃，搅拌均匀。将20微升敏感膜组分涂布于工作电极区域，待敏感膜挥发干后，加入100微升10^-3M K⁺于测量区域，活化电极敏感膜1小时，以超纯水洗膜，所得纸芯片待用。或者将膜组分融入到四氢呋喃溶液中，搅拌使之成为均匀溶液，混均后在室温下放置12-24h，即得到有弹性的聚合物敏感膜；将所述聚合物敏感膜用打孔器取直径0.4-1.0cm的聚合物敏感膜，将聚合物敏感膜在10^-3M K⁺溶液中活化后，用四氢呋喃溶液将其黏附于工作电极测量区域。

将活化好的电位型纸芯片与电化学工作相连，实现电极电位的测量。依次在测量区域加入10^-2-10^-6M的K⁺标准溶液，测定电极开路电位响应(如图6A所示)，依据电极电位响应测到标准工作曲线(如图6B所示)。待测样品加入测量区域，测得电极电位响应，依据标准工作曲线得到待测样品中钾离子的浓度。

实施例3：电位型纸芯片用于钙离子的检测

根据实施例1记载的微流控纸芯片制备方式获得图1所示的电位型纸芯片，利用该单一参数-两电极体系的纸芯片检测钙离子，具体为：

称取200mg聚合物敏感膜组分，其中离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠(KTFPB)：1％，离子载体N,N,N′,N′-四[环己基]二甘醇酸二酰胺(Ionophore)：0.2％，聚氯乙烯(PVC)：33％，增塑剂癸二酸二丁酯(DOS)：66％。将上述膜组分融入1mL新蒸四氢呋喃，搅拌均匀。将20微升敏感膜 组分涂布于工作电极区域，待敏感膜挥发干后，加入100微升10^-3M Ca²⁺于测量区域，活化电极敏感膜1小时，以超纯水洗膜，所得纸芯片待用。

将活化好的电位型纸芯片与离子计相连，实现电极电位的测量。依次在测量区域加入10^-2-10^-6M的Ca²⁺标准溶液，测定电极电位响应(如图7A所示)，依据电极电位响应测到标准工作曲线(如图7B所示)。待测样品加入测量区域，测得电极电位响应，依据标准工作曲线得到待测样品中钙离子的浓度。

实施例4：电位型纸芯片用于肝素的检测

根据实施例1记载的微流控纸芯片制备方式获得图4所示的电位型纸芯片，利用该单一参数—三电极电位纸芯片检测肝素，具体为：

称取100mg聚合物敏感膜组分，其中离子交换剂二壬基萘磺酸盐-3-十二烷基氯化铵复合物(TDMAC-DNNS)10％，聚氯乙烯(PVC)：33％，增塑剂癸二酸二丁酯(DOS)：66％，将上述膜组分融入1mL新蒸四氢呋喃，搅拌均匀。将20微升敏感膜组分涂布于工作电极区域，待敏感膜挥发干后，加入100微升pH 7.4Tris-HCl含有0.12M NaCl于测量区域，活化电极敏感膜1小时，以超纯水洗膜，所得纸芯片待用。

将活化好的电位型纸芯片与电化学工作相连，实现电极电位的测量(如图8所示)。电极采用计时电位和计时电流相结合的检测技术。其中计时电位测得参数依次为：电流为0微安，时间为1秒，阳极电流-5微安，时间为1秒，计时电流的参数为：电位值为芯片电极的开路电位，恒电位测量时间为120秒。电极循环三次。依次在测量区域加入0.1-100U/mL的肝素标准溶液，测定电极计时电位响应，依据电极电位响应测到标准工作曲线。待测样品加入测量区域，测得电极电位响应，依据标准工作曲线得到待测样品中肝素的浓度。

实施例5：电位型纸芯片用于矿泉水中钾、钙离子的检测

根据实施例1记载的微流控纸芯片制备方式获得图1所示的电位型纸芯片，利用该单一参数-两电极体系的纸芯片检测钾、钙离子，具体为：

称取200mg聚合物敏感膜组分，其中按重量百分比计，离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠(KTFPB)：1％，离子载体:缬氨霉素(Ionophore)：0.2％，聚氯乙烯(PVC)：33％，增塑剂癸二酸二丁酯(DOS)：66％。将上述组分融入1mL新蒸四氢呋喃，搅拌均匀。将20微升敏感膜组分涂布于工作电极区域，待敏感膜挥发干后，加入100微升10^-3M K⁺于测量区域，活化电极敏感膜1小时，以超纯水洗膜。然后加入100微升10^-6M K⁺于测量区域，活化电极敏感膜15分钟，所得纸芯片待用。

称取200mg聚合物敏感膜组分，其中按重量百分比计，离子交换剂四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠(KTFPB)：1％，离子载体N,N,N′,N′-四[环己基]二甘醇酸二酰胺(Ionophore)：0.2％，聚氯乙烯(PVC)：33％，增塑剂癸二酸二丁酯(DOS)：66％。将上述膜组分融入1mL新蒸四氢呋喃，搅拌 均匀。将20微升敏感膜组分涂布于工作电极区域，待敏感膜挥发干后，加入100微升10^-3M Ca²⁺于测量区域，活化电极敏感膜1小时，以超纯水洗膜，所得纸芯片待用。

选取农夫山泉矿泉水为待测样品。取矿泉水样品，分别加入已知浓度的钾，测定样品中加入10^-5M，10^-4.5M，10^-4M钾时的电极电位响应，依据电极电位响应得到电极测定钾离子的标准工作曲线。在电极测量区域加入100微升的样品，测定电极电位响应，依据电极电位响应和标准工作曲线，得到矿泉水样品中钾离子的浓度。采用相同分析方法得到矿泉水样品中钙离子的浓度。其中钾离子浓度为2.22×10^-5M，钙离子的浓度为5.32×10^-5M 。

Claims (9)

1.一种电位型纸芯片,其特征在于:纸芯片由载体组成的双层孔道体系，下层载体上设置电极体系；

所述电极体系为粘附敏感膜的工作电极和参比电极或粘附敏感膜的工作电极、参比电极和对电极。

2.按权利要求1所述的电位型纸芯片,其特征在于:

所述聚合物敏感膜由聚合物基体材料、增塑剂、离子交换剂和离子载体按重量份数比为20-40：40-80：0.1-10：0.1-10的比例混合，而后融入到四氢呋喃或异氟二酮溶液中，搅拌使之成为均匀溶液，混均后在室温下放置12-24h，即得到有弹性的聚合物敏感膜；所述聚合物基体材料为聚氯乙烯、聚丁基丙烯酸酯、聚丙烯酸丁酯、聚醚酰亚胺、橡胶、溶胶凝胶膜、甲基丙烯酸甲酯-葵基甲基丙烯酸甲酯共聚物或丙烯酸正丁酯-甲基丙烯酸羟乙酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物；增塑剂为邻-硝基苯辛醚、二-2-乙基己基癸酯、癸二酸二丁酯或癸二酸二辛酯；离子交换剂为四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，二壬基萘磺酸、二壬基萘磺酸盐、硼酸盐、3-十二烷基氯化铵或四(十二烷基)-四(4-氯苯基)硼酸铵；离子载体为重金属离子、无机阴离子、无机阳离子、有机离子以及聚离子特异性结合的化合物或聚合物。

3.一种权利要求1所述的电位型纸芯片的制备方法,其特征在于:

1)设计电化学检测的疏水区域和亲水区域，黑色部分是疏水区，白色部分是亲水电化学检测电极修饰区以及待检测加样区域；

2)设计与步骤1)匹配的相应的电极体系图案；

3)剪裁好适当载体，通过打印机喷蜡方式将步骤1)的图案打印到载体上；

4)将步骤2)电极体系的图案通过印刷或滴涂的方式铺设于载体的相应位置上，而后将载体折叠形成上下两层覆盖，即形成电位型纸芯片；其中，上层为打印有步骤1)设计的图案，下层为电极体系。

4.按权利要求3所述的电位型纸芯片的制备方法,其特征在于:所述载体为滤纸或硝酸纤维素纸。

5.按权利要求3所述的电位型纸芯片的制备方法,其特征在于:

所述纸芯片中下层载体电极体系膜修饰区域作为加样测量区域；加样测量区域由上层载体亲水电化学检测待检测加样区域覆盖。

6.按权利要求3所述的电位型纸芯片的制备方法,其特征在于:

所述下层载体电极体系中参比电极的电解液流通区域设于参比电极连接处；

或，下层载体电极体系中参比电极区域先滴涂或浸泡在电解液中而后干燥，干燥后再铺设参比电极。

7.按权利要求6所述的电位型纸芯片的制备方法,其特征在于:

所述电解液为饱和氯化钾溶液或固定浓度的氯化钾溶液。

8.一种权利要求1所述的电位型纸芯片的应用，其特征在于：所述纸芯片在现场即时定量和/定性的检测多种目标离子中的应用。

9.按权利要求8所述的电位型纸芯片的应用，其特征在于：所述纸芯片的电极体系相应电极与电化学工作站或离子计中相应电极相连，将待检测样品滴加在所述纸芯片亲水待检测加样区域，打开电化学工作站，检测待检测加样区域中的待检测样品电位变化，根据电位变化信号通过标准工作曲线测得检测样品浓度。