CN109813791B - 一种基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器，属于电化学传感器技术领域。该传感器包括液滴固定单元和电信号传输单元，液滴固定单元可以将微量液滴固定在微柱表面；电信号传输单元由每个微柱内的三电极体系和集成电路板构成。本发明将微液滴阵列平台与电化学技术相结合，既具有电化学检测灵敏度高和准确性强的优点，又解决了传统电化学检测液体量大，难以高通量检测等问题，在疾病多标志物检测，药物筛选和高通量细胞分析等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器

技术领域

本发明涉及电化学传感器技术领域，特别是指一种基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器。

背景技术

随着科学技术的发展，传统的生物化学研究逐渐趋向于微型化与简易化。现今比较成熟的使是通过多孔板将微量液滴分隔开，利用液滴体积小、操控简单、每个液滴可以成为独立单元和易于自动化等特点实现如蛋白质结晶、基因重组和DNA分析等实验，实现了简易廉价的高通量微液滴操控。然而这种多孔板只具有微液滴承载能力，不具有化学传感性能，这就大大的限制了其在体液疾病标志物分析，药物筛选，高通量细胞成像等方向的应用。为实现微液滴痕量检测，科研人员通过多功能传感材料与微阵列平台相结合，实现了高通量的表面拉曼增强，荧光和比色检测。

多功能传感平台与微阵列的结合，实现高通量的表面拉曼增强，荧光和比色检测，然而这些方法只能对物质进行粗略的检测，很难做到精准定量检测，这就限制了这些传感器的实际应用。相比于拉曼，荧光与比色检测，电化学检测具有高灵敏度与高准确性的特点，电化学生物传感器也广泛的用来定量检测葡萄糖，过氧化氢，核酸和蛋白质等物质。由于电化学需要多个电极共同作用完成，因此很难将多个电化学单元整合到一个平台上进行检测，这就大大限制了微阵列平台在高精度和高准确性生物化学检测的应用。

发明内容

本发明针对微溶液电化学检测实施困难及高通量电化学检测的技术装置缺乏的问题，提供一种基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器。

该传感器包括液滴固定单元和电信号传输单元，液滴固定单元为微柱阵列平台，液滴固定单元将微量液滴固定在微柱表面，电信号传输单元由每个微柱内的三电极体系和集成电路板构成，每个微柱作为一个电化学单元进行独立的微液滴电化学检测，集成电路板整合微柱阵列实现高通量电化学检测。

其中，微柱阵列平台通过3D打印、模板浇筑等方法制备。微柱平台可以固定微量液滴，随着微柱直径增加，可检测液滴体积逐渐增大，且在倾斜和倒置条件下仍可进行检测。滴在微柱上呈现球状且将微柱平台在水平、倾斜、竖直和倒置情况下液滴均不会脱落，随着微柱直径增加承载液滴体积增加。

微柱阵列平台材质为柔性PMMA、PLA、PDMS等聚合物中的一种，微柱阵列平台有极好的柔性，在拉伸、弯曲和扭曲下微柱液滴均不会脱落。

集成电路板将工作电极(对电极，参比电极)整合到一起，便于电化学工作站的高通量筛选和检测。

电极材料选用导电聚合物、液态金属、碳材料纤维、金属线和纳米复合材料等中的一种，进行葡萄糖、蛋白、核酸等多种物质电化学高通量检测。

高通量电化学传感器能够对微量葡萄糖、蛋白、核酸等物质实现高通量电化学分析。

液滴取自水、PBS、血清、牛奶、咖啡、染料、汗液、盐酸和氢氧化钠溶液中的任一种。微柱可以承载多种检测液，在滴加PBS、血清、牛奶、咖啡、染料、汗液、1M HCl和1M NaCl时均和水一样呈现球状且不会脱落。

该电化学传感器能够作为电化学生物传感器，用于基本的电化学检测，或对葡萄糖进行检测，在对葡萄糖进行检测时，将工作电极更换为铂丝，在工作电极上滴加葡萄糖氧化酶溶液，当溶液蒸发干后滴加2.5％的戊二醛溶液使葡萄糖氧化酶与铂丝连接，再加入葡萄糖溶液进行电化学检测。

基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器通过三电极体系循环伏安曲线验证。将10μL含有5mM氢氧化钠和5mM K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]的磷酸盐缓冲溶液滴加到微柱上，在-0.2-0.5V电压下进行循环伏安检测，得到优异的氧化还原曲线，证明了电化学检测可行性。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过微柱阵列和电化学检测体系相结合，将微量液滴固定在阵列上进行多单元电化学同时检测。本发明既解决了传统电化学检测液体量大的问题，又实现了多标志物同时检测，高通量药物筛选和细胞分析，在生化分析，疾病早期诊断等方向有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器的整合微柱阵列平台的集成电路板示意图；

图2为本发明实施例基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器示意图；

图3为本发明基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器单个微柱放大示意图；

图4为不同直径微柱承载液滴大小的实物图；

图5为不同体积微液滴电化学信号对比图；

图6为基于微柱阵列的高通量电化学传感器检测葡萄糖；

图7为本发明基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器连接示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器。该传感器包括液滴固定单元和电信号传输单元，液滴固定单元为微柱阵列平台，液滴固定单元将微量液滴固定在微柱表面，电信号传输单元由每个微柱内的三电极体系和集成电路板构成，每个微柱作为一个电化学单元进行独立的微液滴电化学检测，集成电路板整合微柱阵列实现高通量电化学检测。

其中，微柱阵列平台通过3D打印、模板浇筑等方法制备。

微柱阵列平台材质为柔性PMMA、PLA、PDMS等聚合物中的一种。

集成电路板将工作电极整合到一起。

电极材料选用导电聚合物、液态金属、碳材料纤维、金属线和纳米复合材料中的一种。

高通量电化学传感器能够对微量葡萄糖、蛋白、核酸等物质实现高通量电化学分析。

液滴取自水、PBS、血清、牛奶、咖啡、染料、汗液、盐酸和氢氧化钠溶液中的任一种。

该电化学传感器能够作为电化学生物传感器，用于基本的电化学检测，或对葡萄糖进行检测，在对葡萄糖进行检测时，将工作电极更换为铂丝，在工作电极上滴加葡萄糖氧化酶溶液，当溶液蒸发干后滴加2.5％的戊二醛溶液使葡萄糖氧化酶与铂丝连接，再加入葡萄糖溶液进行电化学检测。

本发明基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器制备方法如下：

步骤一、微柱平台的制备：本发明以3D打印聚乳酸模板为例，利用3D打印技术打印出直径1-4mm，厚度为1.5mm的镂空圆柱阵列聚乳酸模板，用乙醇清洗干净，用胶带封住模板一侧并粘贴在培养皿上，将PDMS与固化剂混合抽真空去掉气泡后浇筑到培养皿内，50-60℃烘箱内固化4-5小时后，小心将模板脱落得到微柱阵列平台。

步骤二、电极线整合：将步骤一所得的微柱平台，购买的金，银和铂电极线浸泡在乙醇中超声清洗10-15分钟，取出后烘干，将银线浸泡在饱和氯化钠溶液中1-2小时后取出作为参比电极。用细针将三种电极插入到微柱内并贯穿微柱平台，使得每个微柱为一个单独电化学检测单元，其中金，银，铂丝分别作为工作电极，参比电极和对电极。

步骤三、集成电路板整合：将订制的柔性集成电路板与微柱平台对齐，每个微柱内的三根电极线穿进集成电路板对应孔内，然后将电极线与集成电路板焊接到一起，修剪微柱平台的电极线使得电极线与微柱面平齐，得到高通量微柱阵列电化学传感器。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

一种基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器的制备方法，包括：

步骤一、微柱平台的制备：本发明以3D打印聚乳酸模板为例，通过3D Max设计出具有圆柱状凹槽阵列的模型，利用3D打印技术打印出设计好的聚乳酸模型，将模型用乙醇浸泡超声5-10分钟彻底清洗，用胶带封住模型一侧使得PDMS只能从一侧进入镂空圆柱内，再用双面胶将模板固定在培养皿上避免漂浮。将PDMS与固化剂以15：1的比例混合均匀，在60℃真空干燥箱内放置10-15分钟除去混合物中的气泡并均匀浇筑在聚乳酸模型上，静置4-5分钟除去浇筑时产生的气泡，然后放置在60℃干燥箱内放置4-5小时使得PDMS完全固化。将固化的PDMS与模板用酒精浸泡5-10分钟，使得PDMS软化，小心的将PDMS剥离模板得到微柱阵列平台。

步骤二、电极线整合：用乙醇浸泡超声处理微柱阵列平台，金，银，铂线和细针5-10分钟，再将清洗干净的银线浸泡在饱和氯化钠溶液中1-2小时取出后作为参比电极。通过细针将电极线插入到同一微柱内，使得每个微柱都是一个三电极电化学检测单元。

步骤三、集成电路的整合：设计的柔性集成电路板如图1与微柱平台相匹配，在每个微柱下方有三个孔用来连接电极线，将插入的电极线穿过集成电路板的孔并通过焊锡将电极线与集成电路板焊接在一起，修剪电极线得到微柱阵列高通量电化学传感器(如图2、图3)。具体连接如图7所示。

实施例2

微柱平台对微液滴承载能力分析，包括：

步骤一、微柱倾斜程度对液滴固定的影响：将液滴滴加在微柱表面，在微柱平台分别倾斜到45°，90°和倒置条件下液滴均不会脱落，说明微柱可以很好的固定液滴进行检测。

步骤二、将液滴滴加在微柱表面，对微柱平台的进行适度的拉伸，扭曲与弯曲，液滴均能稳定的保持在微柱表面，说明微柱平台具有较好的柔性且很好的固定液滴进行检测。

步骤三、微柱对不同种类溶液得承载能力分析：将水，PBS，血清，牛奶，咖啡，染料，汗液，1M盐酸和1M氢氧化钠等多种溶液分别滴加到微柱阵列上，这些微液滴均稳定的固定在微柱上呈现球状且不易脱落，说明微柱可以承载多种性质溶液，适合复杂溶液相检测。

步骤四、不同直径微柱对承载液滴大小研究：制备直径为1、1.5、2、2.5、3、3.5和4mm的微柱，在微柱表面滴加液滴至微液滴脱落来计算不同直径可以承载液滴大小，随着直径增加，承载液滴体积逐渐增加(如图4)。

实施例3

基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器电化学性能分析

步骤一、采用三电极体系对电化学传感器性能进行分析，其中金线为工作电极，银线为电极，铂线为对电极。在微柱上滴加10μL包含0.1M NaCl和5mM K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]的10mM磷酸盐缓冲溶液作为电解液，在-0.25-0.6V电压下进行循环伏安测量，得到闭合的对称的氧化还原伏安曲线，说明该传感器具有优异的电化学性能。

步骤二、探究液滴大小对该传感器电化学信号的影响：在微柱上分别滴加10、15、20、25、30μL的包含0.1M NaCl和5mM K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]的10mM磷酸盐缓冲溶液，进行循环伏安测量，得到五条循环伏安曲线，如图5所示，随着检测液体积增加，电化学信号没有明显的变化，说明检测液体积不影响检测信号的大小。

基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器电化学实用性分析：

为验证基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器的实用性，我们选择用该传感器对葡萄糖进行高通量电化学分析。采用三电极体系，为完成葡萄糖检测，工作电极更换为铂丝，通过电化学酶促反应对葡萄糖进行检测。

步骤一、将买来的葡萄糖氧化酶用10mM磷酸盐缓冲液稀释到750U/mL，在工作电极周围滴加10μL酶溶液，待到溶液自然蒸发干，取2.5％的戊二醛水溶液滴加到工作电极周围反应4-5小时，使酶与工作电极连接并固定，完成检测前准备工作。

步骤二、将待测葡萄糖溶液滴加到微柱上进行电化学检测，如图6所示，随着葡萄糖浓度逐渐增加，电化学信号逐渐增强。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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 (4)

1.一种基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器，其特征在于：包括液滴固定单元和电信号传输单元，液滴固定单元为微柱阵列平台，液滴固定单元将微量液滴固定在微柱表面，电信号传输单元由每个微柱内的三电极体系和集成电路板构成，每个微柱作为一个电化学单元进行独立的微液滴电化学检测，集成电路板整合微柱阵列实现高通量电化学检测；

所述微柱阵列平台通过3D打印、模板浇筑方法制备；

所述集成电路板将工作电极整合到一起；

该电化学传感器能够作为电化学生物传感器，用于对葡萄糖进行检测，在对葡萄糖进行检测时，将工作电极更换为铂丝，在工作电极上滴加葡萄糖氧化酶溶液，当溶液蒸发干后滴加2.5% 的戊二醛溶液使葡萄糖氧化酶与铂丝连接，再加入葡萄糖溶液进行电化学检测；

所述微柱阵列平台材质为柔性PMMA、PLA、PDMS聚合物中的一种。

2.根据权利要求1所述的基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器，其特征在于：所述电极材料选用导电聚合物、液态金属、碳材料纤维、金属线和纳米复合材料中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器，其特征在于：所述液滴取自水、PBS、血清、牛奶、咖啡、染料、汗液、盐酸和氢氧化钠溶液中的任一种。

4.根据权利要求1所述的基于微柱阵列的微液滴高通量电化学传感器，其特征在于：高通量电化学传感器能够对微量葡萄糖、蛋白、核酸实现高通量电化学分析。

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