CN105158310A - 一种基于微孔电极的微流控检测芯片及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微孔电极的微流控检测芯片及其应用，该芯片包括样品通道，所述样品通道为一个中空的管状结构，其内部设置有微孔电极板，微孔电极板连接有导线，样品通道两端均设有一个密封塞，一端的第一密封塞中设置有用于出料的第一管线，另一端的第二密封塞中设置有用于进料的第二管线，所述第二管线连接有校准溶液、样品溶液和洗涤液部分。该芯片制备简单，可以用于血液中各种离子及生物分子的快速、高灵敏度、高通量检测，操作方便，成本低廉。该芯片在临床检测、检验检疫、环境监测等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种基于微孔电极的微流控检测芯片及其应用

技术领域

本发明涉及电化学传感器领域，具体是一种基于微孔电极的微流控检测芯片，通过提高检测样品与电极的接触面积来提高电化学传感器的检测效率和准确性。

背景技术

在临床检测中，检测病人的体液的特征是非常重要的，例如，血液中钙离子，钾离子，氯离子，钠离子，葡萄糖，乳酸盐，肌酸酐，肌氨酸，尿素的浓度；血液的PH，血细胞比容；血液中O₂和CO₂的分压等，诸如此类。包括病人在医院的日常检查及在做心脏手术时的检查。而且，每种临床检测所需要的检测速度，准确性及别的表现特征都不同。

电化学传感系统被广泛的用于病人的血液分析。微电极产生的电信号与血液样品的化学特征成比例。为了产生电信号，这些传感系统可能会将化学或者生物化学识别成分(如，酶)与物理传感器如铂电极结合。化学或者生物化学识别组分选择性的与感兴趣的分析物相互作用，通过物理传感器直接的或者间接地产生电信号。但是由于传统电极与样品溶液的接触方式通常是电极浸入样品溶液中或者电极镶嵌在样品通道的一侧，使得样品溶液以漫过式流过电极，反应液与电极不能充分接触。从而造成电化学传感器检测效率和准确性较低。

鉴于上述电化学检测技术的发展与不足，本发明提出一种制备简单基于微孔电极的微流控检测芯片，芯片中采用多种微孔电极板，增大检测样品与电极的接触面积，提高电化学传感器的检测效率和准确性。

发明内容

本发明目的是提供一种基于微孔电极的微流控检测芯片，通过将电极片加工成多孔片状，横穿镶嵌在检测样品通道，使得检测样品溶液以流过式穿过电极，充分与电极接触，从而提高检测效率和准确度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于微孔电极的微流控检测芯片，包括样品通道，所述样品通道为一个中空的管状结构，其内部设置有微孔电极板，微孔电极板连接有导线，样品通道两端均设有一个密封塞，一端的第一密封塞中设置有用于出料的第一管线，另一端的第二密封塞中设置有用于进料的第二管线，所述第二管线连接有校准溶液、样品溶液和洗涤液部分。

进一步的，所述微孔电极板为多孔片状。

进一步的，所述微孔电极板有三种，分别是工作或指示电极、参比电极、辅助电极。

进一步的，所述参考电极为非必要电极，所述参考电极是包含参比溶液的参考电极或者不含有参比溶液的参考电极。

进一步的，该芯片包含一种工作或指示电极，或者由多种工作或指示电极并联，所用到的工作或指示电极是检测血液中钙离子，钾离子，氯离子，钠离子，葡萄糖，乳酸盐，肌酸酐，肌氨酸，尿素的浓度；血液的PH，血细胞比容；血液中O₂和CO₂的分压的电极。

进一步的，所述样品通道的材料是玻璃、石英、聚苯乙烯、硅胶、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯的一种，样品通道的形状是圆柱状或者长方体状。

进一步的，所述第二管线通过蠕动泵或者注射泵与校准溶液，样品溶液和洗涤液部分连接；第一管线连接有蠕动泵或者注射泵。

本发明还提供了上述基于微孔电极的微流控检测芯片在临床检测、检验检疫、环境监测中的应用。

所述临床检测包括体液特征检测，所述体液特征包括：血液中钙离子，钾离子，氯离子，钠离子，葡萄糖，乳酸盐，肌酸酐，肌氨酸，尿素的浓度；血液的PH，血细胞比容；血液中O₂和CO₂的分压。

本发明的有益效果是：

微孔电极的使用，使得分析样品是流过式通过电极，不同于以往的漫过式。样品溶液能够与电极充分接触，使得电极的检测准确性和精密度都有较好的提高。以该芯片进行生物分子检测具有以下优点：

1)芯片制备简单，只需成多孔片状电极与样品溶液通道、密封塞等进行组装即可完成，芯片的成本较低；

2)样品需要量少，检测速度快，灵敏度高：由于检测样品通道空间较小，且通道密封，可以减少溶液的挥发，微孔电极板的微孔模型及检测样品溶液以流过式通过微孔电极板，使得样品与电极充分接触，提高反应效率，缩短检测时间，检测灵敏度高；

3)检测简单：将检测样品注入样品通道内后，由于被封装在样品通道内成并连排列的微孔电极将检测到的化学信号转换成电信号直接传送给分析设备，操作较为简单；

4)检测通量高：可同时采用多种工作电极，同时检测同一个样品中的多个指标；

5)可扩展性高：由于采用了微流控芯片的形式，可以方便的同样品预处理等微流控芯片集成，促进了分析系统的微型化和自动化。

附图说明

图1为本发明芯片的结构组成示意图；

图2为样品管道为长方体结构的芯片结构组成示意图。

图中，1-第一管线，2-第一密封塞，3-微孔电极板，4-第二密封塞，5-样品通道，6-第二管线，7-蠕动泵，8-校准溶液、样品溶液和洗涤液部分，9-导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和2所示为本发明的基于微孔电极的微流控检测芯片，包括样品通道5，样品通道5为一个中空的管状结构，其内部设置有微孔电极板3，微孔电极板3连接有导线，样品通道5两端均设有一个密封塞，一端的第一密封塞2中设置有用于出料的第一管线1，另一端的第二密封塞4中设置有用于进料的第二管线6，第二管线6连接有校准溶液、样品溶液和洗涤液部分8。

微孔电极板3为多孔片状，使得电极与检测样品溶液充分接触。

微孔电极板3封装在样品通道5内，有三种电极，分别是工作或指示电极、参比电极、辅助电极。

其中参考电极为非必要电极，可以设置，也可以没有，参考电极是包含参比溶液的参考电极或者不含有参比溶液的参考电极。

该芯片包含一种工作或指示电极，或者由多种工作或指示电极并联，所用到的工作或指示电极是检测血液中钙离子，钾离子，氯离子，钠离子，葡萄糖，乳酸盐，肌酸酐，肌氨酸，尿素的浓度；血液的PH，血细胞比容；血液中O₂和CO₂的分压的电极。

样品通道5的材料是玻璃、石英、聚苯乙烯、硅胶、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯的一种，样品通道5的形状是圆柱状或者长方体状。

第二管线6通过蠕动泵或者注射泵与校准溶液，样品溶液和洗涤液部分8连接；第一管线1连接有蠕动泵或者注射泵。

上述的基于微孔电极的微流控检测芯片可以用于体液特征检测，尤其是下述体液特征：血液中钙离子，钾离子，氯离子，钠离子，葡萄糖，乳酸盐，肌酸酐，肌氨酸，尿素的浓度；血液的PH，血细胞比容；血液中O₂和CO₂的分压。

该基于微孔电极的微流控检测芯片通过下述方法实现：

a、首先，将微孔电极板封装在样品通道内：在样品通道5的一端的放置具有单孔的第一密封塞2，将三种电极横穿组装在样品通道内，接着在样品通道的另一端再放置具有单孔的第二密封塞4，使得样品通道的密闭性良好，样品溶液只可通过由第二管线6构成的进液口和由第一管线1构成的出液口；连接有导线9的微孔电极板3在样品通道内5成并排排列且有距离；

b、然后，在将样品通道5的一端与第一管线1连接作为出液口，另一端与第二管线6连接作为进液口，第二管线6与装备有分液阀门的往返式蠕动泵7相连，通过蠕动泵7输入校准溶液、样品溶液或洗涤液部分8；

c、在检测应用时，蠕动泵7首先将待测样品溶液输入到样品通道内5中，使待测溶液依次通过微孔电极板3，反应完毕，蠕动泵7将待测液泵出样品通道5，同时向样品通道5内输入洗涤缓冲液，充分洗涤微孔电极板3及样品通道5。

下面通过几个实施例来说明本发明的基于微孔电极的微流控检测芯片在体液特征检测中的应用。

实施例1

用基于微流控芯片检测血液中钾离子、钠离子和氯离子浓度：

a、在样品通道一端放置一个硅胶滤塞，将检测钾离子、钠离子和氯离子的工作电极、参比电极和辅助电极三种微孔电极间隔一定距离并排横穿组装在样品通道内，电极充斥整个样品通道，接着在样品通道的另一端再放置另一个硅胶滤塞；

b、然后，将样品通道的两端分别连接上硅胶管，其中一条硅胶管与装备有分液阀门的往返式蠕动泵相连，通过蠕动泵输入校准溶液，使校准溶液充分与所有电极接触，完成电极校准；

c、然后通过蠕动泵输入待检测血清，使待检测血清与微孔电极充分接触，设置蠕动泵为往返运动模式，使血清在样品通道中来回流动，充分与微孔电极接触，保持反应体系温度为37℃；

d、电极将检测到的化学信号以电信号的方式传送给信息处理装置，分析处理检测结果；

e、反应完毕，通过蠕动泵将待测血清泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对检测体系进行洗涤。

实施例2

用基于微流控芯片检测血液中O₂和CO₂的分压：

a、在样品通道一端放置一个硅胶滤塞，将检测血液中O₂和CO₂的分压的工作电极、参比电极和辅助电极三种微孔电极间隔一定距离并排横穿组装在样品通道内，电极充斥整个样品通道，接着在样品通道的另一端再放置另一个硅胶滤塞；

b、然后，将样品通道的两端分别连接上硅胶管，其中一条硅胶管与装备有分液阀门的往返式蠕动泵相连，通过蠕动泵输入校准溶液，使校准溶液充分与所有电极接触，完成电极校准；

c、然后通过蠕动泵输入待检测血清，使待检测血清与微孔电极充分接触，设置蠕动泵为往返运动模式，使血清在样品通道中来回流动，充分与微孔电极接触，保持反应体系温度为37℃；

d、电极将检测到的化学信号以电信号的方式传送给信息处理装置，分析处理检测结果；

f、反应完毕，通过蠕动泵将待测血清泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对检测体系进行洗涤。

实施例3

用基于微流控芯片检测血液的PH，血细胞比容：

a、在样品通道一端放置一个硅胶滤塞，将检测血液中血液的PH，血细胞比容的工作电极、参比电极和辅助电极三种微孔电极间隔一定距离并排横穿组装在样品通道内，电极充斥整个样品通道，接着在样品通道的另一端再放置另一个硅胶滤塞；

b、然后，将样品通道的两端分别连接上硅胶管，其中一条硅胶管与装备有分液阀门的往返式蠕动泵相连，通过蠕动泵输入校准溶液，使校准溶液充分与所有电极接触，完成电极校准；

c、然后通过蠕动泵输入待检测血清，使待检测血清与微孔电极充分接触，设置蠕动泵为往返运动模式，使血清在样品通道中来回流动，充分与微孔电极接触，保持反应体系温度为37℃；

d、电极将检测到的化学信号以电信号的方式传送给信息处理装置，分析处理检测结果；

e、反应完毕，通过蠕动泵将待测血清泵出，同时不断泵入洗涤缓冲液对检测体系进行洗涤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于微孔电极的微流控检测芯片，其特征在于：包括样品通道(5)，所述样品通道(5)为一个中空的管状结构，其内部设置有微孔电极板(3)，微孔电极板(3)连接有导线，样品通道(5)两端均设有一个密封塞，一端的第一密封塞(2)中设置有用于出料的第一管线(1)，另一端的第二密封塞(4)中设置有用于进料的第二管线(6)，所述第二管线(6)连接有校准溶液、样品溶液和洗涤液部分(8)。

2.根据权利要求1所述的基于微孔电极的微流控检测芯片，其特征在于：所述微孔电极板(3)为多孔片状。

3.根据权利要求2所述的基于微孔电极的微流控检测芯片，其特征在于：所述微孔电极板(3)有三种，分别是工作或指示电极、参比电极、辅助电极。

4.根据权利要求3所述的基于微孔电极的微流控检测芯片，其特征在于：所述参考电极为非必要电极，所述参考电极是包含参比溶液的参考电极或者不含有参比溶液的参考电极。

5.根据权利要求3所述的基于微孔电极的微流控检测芯片，其特征在于：该芯片包含一种工作或指示电极，或者由多种工作或指示电极并联，所用到的工作或指示电极是检测血液中钙离子，钾离子，氯离子，钠离子，葡萄糖，乳酸盐，肌酸酐，肌氨酸，尿素的浓度；血液的PH，血细胞比容；血液中O₂和CO₂的分压的电极。

6.根据权利要求1所述的基于微孔电极的微流控检测芯片，其特征在于：所述样品通道(5)的材料是玻璃、石英、聚苯乙烯、硅胶、聚碳酸酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯的一种，样品通道(5)的形状是圆柱状或者长方体状。

7.根据权利要求1所述的基于微孔电极的微流控检测芯片，其特征在于：所述第二管线(6)通过蠕动泵或者注射泵与校准溶液，样品溶液和洗涤液部分(8)连接；第一管线(1)连接有蠕动泵或者注射泵。

8.根据权利要求1-7所述的基于微孔电极的微流控检测芯片在临床检测、检验检疫、环境监测中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述临床检测包括体液特征检测，体液特征包括：血液中钙离子，钾离子，氯离子，钠离子，葡萄糖，乳酸盐，肌酸酐，肌氨酸，尿素的浓度；血液的PH，血细胞比容；血液中O₂和CO₂的分压。