CN105891285A - 高选择性富集和检测四溴双酚a的集成芯片及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片及其应用。该芯片包括富集功能单元，用于实现四溴双酚A的磁性分子印迹固相萃取并进行富集；以及检测功能单元，用于实现四溴双酚A的电化学还原脱溴并进行电化学检测。该芯片能够对水环境中痕量的四溴双酚A实现高选择性、高灵敏度、在线的现场检测。

Description

高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片及其应用
技术领域
本发明属于化学检测技术领域，具体涉及一种高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片及其应用。
背景技术
四溴双酚A(Tetrabromobisphenol A，TBBPA)是一种痕量有机污染物，水体中TBBPA的含量通常比较低，一般来说含量在0.3～540ng/L之间，因此需要通过富集和浓缩技术以提高其浓度，才能满足TBBPA检测器的检测限。固相萃取及固相微萃取技术是水中TBBPA的主要富集方法，这些方法虽能有效地降低基质干扰，获得高的响应灵敏度，但这种吸附富集TBBPA的过程是非特异性的，因此存在选择性差的问题，所得结果也难以反映TBBPA的真实浓度水平。分子印迹技术具有特异性和亲和性，作为固相萃取剂可以从复杂的样品基质中选择性地吸附目标分子或结构类似物，可克服传统吸附剂在复杂环境和生物样品中选择性不足的问题。分子印迹技术和固相萃取技术结合，得到具有高选择性、快速有效的新型样品前处理技术-分子印迹固相萃取。虽然上述方法解决了TBBPA富集的选择性问题，但是分子印迹萃取剂的固定方法和分离方法无法满足在线检测的需求。磁性材料与其他材料最大的区别在于具有超顺磁性，可在外加磁场作用下快速实现固液分离及材料的再生。将磁性材料和分子印迹材料相结合制备磁性分子印迹材料，不仅对模板分子具有特殊的选择识别能力，而且具有磁吸附性能，只需通过外磁场的作用就能实现固液分离，克服了传统固相萃取应用中的装柱、离心和过滤等操作步骤。结合微流控芯片检测时间短、溶剂消耗量低、便携、可集成的优点，并通过磁场控制对磁性分子印迹材料进行更新，实现TBBPA的可更新在线富集。
TBBPA进行富集后，常规的检测方法有高效液相色谱技术、液相色谱-质谱联用技术、电喷雾串联质谱联用技术、气相色谱-质谱联用技术等。该类检测技术具有检测限低、准确性好的优点，但是需要大量的仪器设备、繁琐的实验准备、携带不便及价格昂贵都在一定程度上制约着TBBPA的现场、在线检测。电化学传感器的检测下限低、灵敏度高、操作简单、成本低，能实现在线检测等优点，已被广泛应用于环境、医疗和生物领域的检测研究。传统电化学方法采用氧化模式检测TBBPA，发现溴代酚类在电氧化过程中生成了不导电的聚合物覆盖在电极表面，且与其他溴代酚类相比TBBPA的氧化电流最小，这是由于苯酚环上的多个溴原子取代物阻碍了电氧化过程。因此，采用羟基的氧化作用对TBBPA进行电化学检测，存在响应信号小、检测不准确等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片及其应用，以满足水环境中痕量四溴双酚A高选择性、便携式、现场检测的需求。
针对上述技术问题，本申请的发明人进行了大量的探究实验，最终惊喜地发现，通过对TBBPA进行还原脱溴，一方面可避免聚合物在电极表面的沉积影响电极表面的测试性能，另一方面通过还原脱溴的电位和响应电流大小可实现TBBPA的定性和定量检测。因此，本发明通过将磁性分子印迹固相萃取和电化学还原脱溴相结合，采用微加工工艺，形成集成有磁性分子印迹固相萃取富集功能和电化学还原脱溴检测功能的微流控芯片，实现高选择性、高灵敏度、在线的痕量四溴双酚A检测。
具体地，本发明提供一种高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其包括：
富集功能单元，用于实现四溴双酚A的磁性分子印迹固相萃取并进行富集；以及
检测功能单元，用于实现四溴双酚A的电化学还原脱溴并进行电化学检测。
所述富集功能单元由第一进样口、第二进样口、第一出样口、磁性分子印迹微球的固定沟道和磁铁组成，所述第一进样口为磁性分子印迹微球溶液/水样/洗脱液/清洗液进样口，所述第二进样口为缓冲液进样口，所述第一进样口、第二进样口和第一出样口分别经流体通道与磁性分子印迹微球的固定沟道相连通，最后汇入检测功能单元；
所述检测功能单元由混合池、混合通道、电化学反应池、三电极体系和第二出样口组成，所述三电极体系由工作电极、参比电极和对电极组成。
其中，所述第一进样口、第二进样口、第一出样口、混合池、电化学反应池和第二出样口的形状没有特别限制，优选均为圆形凹槽；所述磁性分子印迹微球的固定沟道、流体通道和混合通道的形状没有特别限制，优选均为条形凹槽。所述圆形凹槽和条形凹槽的凹槽深度优选为100-300μm，宽度优选为100-2000μm，由深刻蚀方法制备得到。
其中，优选地，所述集成芯片包括盖片和玻璃衬底两部分，特别优选将除了所述磁铁和三电极体系之外的所有结构均集成在所述盖片上，所述三电极体系集成在玻璃衬底的上表面，所述磁铁位于玻璃衬底的下表面，其中所述三电极体系正对盖片上的所述电化学反应池，所述磁铁正对盖片上的所述磁性分子印迹微球的固定沟道。
所述磁铁固定在磁性分子印迹微球固定沟道的下方，优选地，所述磁铁的宽度大于所述磁性分子印迹微球的固定沟道，长度小于所述磁性分子印迹微球的固定沟道，以便于将磁性分子印迹微球固定在沟道内部，同时不阻塞第一进样口、第二进样口、第一出样口。
在本发明的一具体实例中，所述盖片的材质为硅片，覆于板式玻璃衬底的上表面，使圆形凹槽密封为空腔，条形凹槽密封为通道；盖片上正对的第一进样口、第二进样口、第一出样口和第二出样口处，设有通孔；利用键合技术，将两片板状盖片和玻璃衬底结合在一起；混合通道为“S”型。
所述磁性分子印迹微球采用四氧化三铁为核，带有模板分子(四溴双酚A)位点的二氧化硅为壳，优选地，所述磁性分子印迹微球的粒径为200-500nm。
优选地，所述三电极体系的有效区域为条形，各电极采用等离子体溅射以及电镀的方法加工制得，材料为金或铂，厚度为10nm-10μm，宽度10-2000μm。
优选地，所述工作电极的表面修饰有对四溴双酚A具有电催化还原能力的敏感纳米材料，所述敏感纳米材料采用电沉积的方法制备得到，所述敏感纳米材料为钯、铂和铑中的其中一种，或者为钯、铂和铑中的其中一种与石墨烯的纳米复合物；所述参比电极为银氯化银电极，由银氯化银浆涂覆在衬底电极表面制备得到。
本发明还提供上述高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片在四溴双酚A现场检测中的应用。
本发明具有下述有益效果：
本发明的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片集成有磁性分子印迹固相萃取功能单元和电化学还原脱溴检测功能单元，将富集和检测方法相结合，形成便携式仪器，能够对水环境中痕量的四溴双酚A实现高选择性、高灵敏度、在线的现场检测。在本发明之前，本领域还没有出现类似的仪器，因此本发明具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片的俯视示意图。
图2是本发明的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片的三维结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其包括：
富集功能单元，用于实现四溴双酚A的磁性分子印迹固相萃取并进行富集；以及
检测功能单元，用于实现四溴双酚A的电化学还原脱溴并进行电化学检测。
所述富集功能单元由第一进样口、第二进样口、第一出样口、磁性分子印迹微球的固定沟道和磁铁组成，所述第一进样口为磁性分子印迹微球溶液/水样/洗脱液/清洗液进样口，所述第二进样口为缓冲液进样口，所述第一进样口、第二进样口和第一出样口分别经流体通道与磁性分子印迹微球的固定沟道相连通，最后汇入检测功能单元；
所述检测功能单元由混合池、混合通道、电化学反应池、三电极体系和第二出样口组成，所述三电极体系由工作电极、参比电极和对电极组成。
其中，所述第一进样口、第二进样口、第一出样口、混合池、电化学反应池和第二出样口的形状没有特别限制，优选均为圆形凹槽；所述磁性分子印迹微球的固定沟道、流体通道和混合通道的形状没有特别限制，优选均为条形凹槽。所述圆形凹槽和条形凹槽的凹槽深度优选为100-300μm，宽度优选为100-2000μm，由深刻蚀方法制备得到。
其中，优选地，所述集成芯片包括盖片和玻璃衬底两部分，特别优选将除了所述磁铁和三电极体系之外的所有结构均集成在所述盖片上，所述磁铁和三电极体系集成在玻璃衬底的上表面，其中所述三电极体系正对盖片上的所述电化学反应池，所述磁铁正对盖片上的所述磁性分子印迹微球的固定沟道。
所述磁铁固定在磁性分子印迹微球固定沟道的下方，优选地，所述磁铁的宽度大于所述磁性分子印迹微球的固定沟道，长度小于所述磁性分子印迹微球的固定沟道，以便于将磁性分子印迹微球固定在沟道内部，同时不阻塞第一进样口、第二进样口、第一出样口。
在本发明的一具体实例中，所述盖片的材质为硅片，覆于板式玻璃衬底的上表面，使圆形凹槽密封为空腔，条形凹槽密封为通道；盖片上正对的第一进样口、第二进样口、第一出样口和第二出样口处，设有通孔；利用键合技术，将两片板状盖片和玻璃衬底结合在一起；混合通道为“S”型。
所述磁性分子印迹微球采用四氧化三铁为核，带有模板分子(四溴双酚A)位点的二氧化硅为壳，优选地，所述磁性分子印迹微球的粒径为200-500nm。
优选地，所述三电极体系的有效区域为条形，各电极采用等离子体溅射以及电镀的方法加工制得，材料为金或铂，厚度为10nm-10μm，宽度10-2000μm。
优选地，所述工作电极的表面修饰有对四溴双酚A具有电催化还原能力的敏感纳米材料，所述敏感纳米材料采用电沉积的方法制备得到，所述敏感纳米材料为钯、铂和铑中的其中一种，或者为钯、铂和铑中的其中一种与石墨烯的纳米复合物；所述参比电极为银氯化银电极，由银/氯化银浆涂覆在衬底电极表面制备得到。
实施例1
如图1和2所示，其分别为本发明的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片的俯视示意图和三维结构示意图。
本发明的芯片包括富集功能单元1和检测功能单元2，富集功能单元1由第一进样口3、第二进样口4、第一出样口5、磁性分子印迹微球固定沟道6和磁铁7组成，第一进样口3为磁性分子印迹微球溶液/水样/洗脱液/清洗液进样口，第二进样口4为缓冲液进样口，第一进样口3、第二进样口4和第一出样口5分别经流体通道与磁性分子印迹微球固定沟道6相连通，最后汇入检测功能单元2；检测功能单元2由混合池8、混合通道9、电化学反应池10、三电极体系和第二出样口14组成，所述三电极体系由工作电极11、对电极12和参比电极13组成。除磁铁7和三电极体系外，其余结构均集成在盖板15上，三电极集成在玻璃衬底16的上表面，正对上方的电化学反应池10，磁铁7位于玻璃衬底16的下表面，正对上方的磁性分子印迹微球固定沟道6(如图2所示)。
其中，第一进样口3、第二进样口4、第一出样口5、混合池8、电化学反应池10和第二出样口14的形状均为圆形凹槽；磁性分子印迹微球的固定沟道6、流体通道的形状均为条形凹槽，混合通道9为“S”型的条形凹槽。圆形凹槽和条形凹槽的凹槽深度均为200μm，宽度均为500μm，由深刻蚀方法制备得到。
在实际应用中，其工作过程如下(以某一次具体的检测过程为例，但不以此为限)：
(1)将500μl磁性分子印迹微球溶液经第一进样口3进入磁性分子印迹微球固定沟道6，利用磁铁7的磁场将磁性分子印迹微球固定在固定沟道上，利用甲醇溶液对磁性分子印迹微球进行清洗，并去除沟道内未固定的磁性分子印迹微球；
(2)封闭第二进样口4，将10mL待测水样经第一进样口3流入磁性分子印迹微球固定沟道6，与磁性分子印迹微球反应后，废液经第一出样口5流出；
(3)封闭第一进样口3和第一出样口5，用500μl的甲醇对富集的四溴双酚A进行洗脱，并在第二进样口4加入500μl的磷酸缓冲溶液；
(4)四溴双酚A的洗脱液与磷酸缓冲溶液进入混合池8，而后经混合通道9混合均匀进入电化学检测池10；
(5)采用对四溴双酚A具有催化作用的纳米修饰电极为工作电极11、铂电极为对电极12、银/氯化银为参比电极13对四溴双酚A进行电催化还原检测；
(6)检测完成后，废液从第二出样口14排出系统，清洗液由第一进样口3进入系统对系统进行清洁。
经过上述步骤，本发明对痕量的四溴双酚A实现了高选择性、高灵敏度、在线的现场检测，便于在实际应用中推广。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，其包括：
富集功能单元，用于实现四溴双酚A的磁性分子印迹固相萃取并进行富集；以及
检测功能单元，用于实现四溴双酚A的电化学还原脱溴并进行电化学检测。
2.根据权利要求1所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，所述富集功能单元由第一进样口、第二进样口、第一出样口、磁性分子印迹微球的固定沟道和磁铁组成，所述第一进样口为磁性分子印迹微球溶液/水样/洗脱液/清洗液进样口，所述第二进样口为缓冲液进样口，所述第一进样口、第二进样口和第一出样口分别经流体通道与磁性分子印迹微球的固定沟道相连通，最后汇入检测功能单元；
所述检测功能单元由混合池、混合通道、电化学反应池、三电极体系和第二出样口组成，所述三电极体系由工作电极、参比电极和对电极组成。
3.根据权利要求2所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，所述第一进样口、第二进样口、第一出样口、混合池、电化学反应池和第二出样口的形状均为圆形凹槽；所述磁性分子印迹微球的固定沟道、流体通道和混合通道的形状均为条形凹槽；
优选地，所述圆形凹槽和条形凹槽的凹槽深度为100-300μm，宽度为100-2000μm，由深刻蚀方法制备得到。
4.根据权利要求3所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，所述集成芯片包括盖片和玻璃衬底两部分；将除了所述磁铁和三电极体系之外的所有结构均集成在所述盖片上，所述三电极体系集成在玻璃衬底的上表面，所述磁铁位于玻璃衬底的下表面，其中所述三电极体系正对盖片上的所述电化学反应池，所述磁铁正对盖片上的所述磁性分子印迹微球的固定沟道。
5.根据权利要求4所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，所述磁铁的宽度大于所述磁性分子印迹微球的固定沟道，长度小于所述磁性分子印迹微球的固定沟道，以便于将磁性分子印迹微球固定在沟道内部，同时不阻塞第一进样口、第二进样口、第一出样口。
6.根据权利要求4所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，所述盖片的材质为硅片，覆于板式玻璃衬底的上表面，使圆形凹槽密封为空腔，条形凹槽密封为通道；盖片上正对的第一进样口、第二进样口、第一出样口和第二出样口处，设有通孔；利用键合技术，将两片板状盖片和玻璃衬底结合在一起；混合通道为“S”型。
7.根据权利要求2所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，所述磁性分子印迹微球采用四氧化三铁为核，带有四溴双酚A位点的二氧化硅为壳，所述磁性分子印迹微球的粒径为200-500nm。
8.根据权利要求2所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，所述三电极体系的有效区域为条形，各电极采用等离子体溅射以及电镀的方法加工制得，材料为金或铂，厚度为10nm-10μm，宽度10-2000μm。
9.根据权利要求2所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片，其特征在于，所述工作电极的表面修饰有对四溴双酚A具有电催化还原能力的敏感纳米材料，所述敏感纳米材料采用电沉积的方法制备得到，所述敏感纳米材料为钯、铂和铑中的其中一种，或者为钯、铂和铑中的其中一种与石墨烯的纳米复合物；所述参比电极为银氯化银电极，由银/氯化银浆涂覆在衬底电极表面制备得到。
10.权利要求1～9任一项所述的高选择性富集和检测四溴双酚A的集成芯片在四溴双酚A现场检测中的应用。
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