CN112649366A - 一种可实现多模态输出的自由组装拼接式微液滴检测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及器件制备和传感检测领域，涉及一种可以和多种设备联合使用的可实现多模态输出的自由组装拼接式微液滴检测芯片。该微液滴检测芯片包括微滴固定单元和信号传输单元，微滴固定单元包括若干微滴固定单体，每个微滴固定单体上均修饰有所述信号传输单元，且若干独立微滴固定单体之间可自由组装拼接。可根据检测物种类和现场条件限制实现两种，三种或更多种的检测信号输出。本发明的有益效果是：本发明的微液滴检测芯片不仅具有便于携带，成本低，检测体量小，高通量筛选，适用于复杂检测环境，迎合多种检测手段等；还具有多信号的输出的优点，多信号结果相互验证，提高检测准确性，有效避免检测假阳性。

Description

一种可实现多模态输出的自由组装拼接式微液滴检测芯片

技术领域

本发明涉及器件制备和传感检测领域，特别涉及一种可以和多种设备联合使用的可实现多模态输出的自由组装拼接式微液滴检测芯片。

背景技术

近年来，心血管疾病，癌症等重大疾病死亡率日益增加，其中比较重要的因素就是发现不及时，已经错过最优的治疗时间，因此，疾病的早期预防与诊断就成了目前极为重要的科研问题。现今科学家已经通过体内多种标志物如外泌体，蛋白质，核酸等实现了部分疾病的早期诊断，而这些标志物的检测往往需要昂贵的检测费用与大量的检测样本，人们在经济方面与身心方面都有一定抗拒。针对这些问题，科研人员研发了可用于快速检测的微芯片如葡萄糖试纸，验孕试纸等，这些微芯片操作简单，成本廉价，检测所需样本少，可视化检测，已大量投入市场应用。然而，这些芯片同样存在着多种问题，如易损坏，不可重复利用，检测目标单一，检测限较低，假阳性分析等，需要进一步的改善与升级。

在商用现场检测芯片用于复杂检测体系如血液，汗液，尿液等体系时，检测信号往往会受到干扰物的影响造成假阳性诊断。利用多体系检测如荧光与电化学结合，表面拉曼与比色结合等，多种检测相互不干扰，检测结果相互印证，极大的解决了非特异性检测，提高检测灵敏性。然而这种多体系检测对于检测芯片要求极高，既需要能固定储存检测液，还要适用于多种检测设备，具备这些条件同时还要便于携带，成本低廉。目前的即时检测芯片大多只响应于一种检测手段，很难满足以上所有条件，这就极大的限制了多体系检测理念在即时检测的发展应用。

发明内容

本发明基于目前检测芯片检测准确性低，检测体系单一等问题制备了一种可实现多模态输出的自由组装拼接式微液滴检测芯片。所述的多模态输出的自由组装拼接式微液滴检测芯片设计简单，制作成本低，可重复利用，检测体量小，检测准确性高，迎合多种检测技术，具有极大的应用前景。

一种可实现多模态输出的自由组装拼接式微液滴检测芯片，所述的芯片包括微液滴固定单元和信号传输单元。芯片将液滴固定在微柱表面，多个单独的微柱芯片可通过卡槽结合在一起，不同微柱表面通过不同修饰实现多种信号输出。

所述的微液滴固定单元为阵列化的小型微柱，微柱的直径可根据需要检测的液滴大小设计在500微米至5毫米甚至更大的范围；微柱制备可选择模版浇筑法，3D打印，铣床加工等方法制备；微柱的材质可选择PMMA,PDMS，PLA等聚合物。微柱由于其表面结构与自身粘附性能，可固定皮升至毫升级别液滴并且在倾斜，旋转倒置等情况在液滴均不会脱落，适用于复杂环境检测。

单个微柱平台可根据需要设计特定的卡槽结构，通过拼接可实现4×4，8×12，100×100或更高通量的阵列化芯片，也可根据检测设备需求设计长方形，圆形，三角形等集成化拼接式芯片用于检测分析。

微柱平台具有优异的液滴固定性能，滴加液滴在微柱表面，无论倾斜倒置等操作液滴均不会脱落，同时平台可以承载多组分液滴，在滴加果汁，血清和酸碱溶液液滴均不会脱落，这为微柱平台在食品分析，环境监控和生理疾病检测等领域提供了保障。

微柱平台可用于高通量电化学分析检测，微柱内可通过注射器注射，嵌入等方式整合成三电极体系，实现微液滴高通量电化学分析检测。将10微升含有5毫摩羟基二茂铁的磷酸盐缓冲溶液滴加在具有阵列化电极的微柱上，在-0.4-0.4V电压下进行循环伏安检测，得到优异的氧化还原曲线，证明电化学可行性。

微柱平台可用于高通量表面拉曼增强检测，微柱平台可通过磁控溅射等方法在微柱表面溅射一种贵金属颗粒，进一步的通过电化学沉积，化学刻蚀等制备具有粗糙结构的贵金属层，可实现高通量表面拉曼增强检测。在微柱表面电化学沉积一层纳米枝状金结构，再滴加10微升5微摩的罗丹明6G溶液，在显微拉曼仪下分析检测，得到具有增强效果的罗丹明6G图谱，证明表面拉曼增强检测的可行性。

微柱平台可用于高通量高灵敏度荧光检测，微柱平台具有微液滴富集作用并有效避免咖啡环效应，将10微升5微摩的罗丹明6G溶液分别滴加在微柱平台与载玻片上，自然蒸发干后罗丹明均匀分布在微柱表面而在载玻片上形成明显的咖啡环，微柱上得到强度更强的荧光信号，证明微柱平台荧光检测可行性。

微柱平台可用于高通量比色检测，微液滴本身可作为检测单元，通过液滴内部反应产生颜色变化，用显微镜或手机等设备提取颜色变化信息，实现高通量比色分析。如通过碘化钾与葡萄糖氧化酶混合，可以与微液滴内的微量葡萄糖反应，使得液滴逐渐变黄，通过这种比色变化实现不同浓度的葡萄糖的定量分析。

在拼接式阵列化微柱芯片上，可以将电化学，荧光，比色，表面拉曼增强检测相结合，在不同位置的微柱表面进行不同检测，多信号耦合分析，利用多种检测方法对同一检测物进行分析，多种信号相互对比，排除假阳性信号，极大地提高了检测的准确性。微柱平台多模检测手段因其广泛的检测种类与极高的检测准确性推动微柱平台在现场的即时检测应用与新一代智能化微柱芯片的商业化发展。

附图说明

图1为本发明一种可实现多信号输出自由组装的微液滴检测芯片的结构示意图。

图2为采用3D打印技术制备微液滴检测芯片的微滴固定单体的示意图。

图3为采用本发明的一种可实现多信号输出自由组装的微液滴检测芯片进行荧光检测对比图。

图4为采用本发明的一种可实现多信号输出自由组装的微液滴检测芯片进行拉曼检测对比图。

图5为采用本发明的一种可实现多信号输出自由组装的微液滴检测芯片进行比色检测对比图。

图6为采用本发明的一种可实现多信号输出自由组装的微液滴检测芯片进行电化学检测对比图。

图中：

1.微滴固定单元，1-1.微滴固定单体，1-11.微柱底座，1-12.微柱，1-13.卡槽，1-14.凸起，2.信号传输单元,3.3D打印机，4.集成电路板。

具体实施方式

本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。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。

本发明提供了一种可实现多信号输出可自由组装拼接拆卸的微滴检测芯片，所述的微液滴检测芯片由微滴固定单元和信号传输单元组成。其中微滴固定单元为若干独立的带有卡槽的小型微柱平台，微柱自身的粘附力可以锚定相当少量的微滴作为检测液，所述信号传输单元可以为电极阵列，微滴内部检测分子，枝状贵金属层等，多种信号输出单元可实现不同信号同时输出，并且精准快速检测。所述自由组装拼接拆卸功能，单个微柱平台可作为独立的传感平台，也可通过类似拼图拼接实现多种信号或多种标志物的同时化分析检测，实现随时随地把不同检测单元拼接于一体，并且可以自由拆卸，实现更高的效率。

其中微柱平台可通过3D打印，铣床加工，模板浇筑等方法制备。

不同微柱平台通过卡槽拼接在一起形成拼图式集成芯片，每个微柱可随意拆卸替换。

微柱平台具有优异液滴固定能力，根据检测液滴大小可设计不同尺寸的微柱直径，在平台倾斜倒置情况下均可完成检测，微柱平台可承载多组分液滴，如果汁，血清，酸碱溶液等，适用于食品检测，环境监控与疾病分析等。

微柱平台可通过多种修饰实现多种模态输出检测：通过在微柱内整合三电极体系可实现电化学分析检测，通过表面制备粗糙贵金属层实现表面拉曼增强检测，通过液滴内反应与平台富集作用可实现荧光和比色等检测。

在拼接式阵列化微柱芯片上，可以将电化学，荧光，比色，表面拉曼增强检测相结合，在不同位置的微柱表面进行不同检测，最后检测结果相互验证结合，排除错误信号，降低假阳性分析，提高检测准确性。

如图1所示，本发明一种可实现多信号输出自由组装的微液滴检测芯片，所述微液滴检测芯片包括微滴固定单元1和信号传输单元2(图上未显示)；

其中，微滴固定单元，用于作为所述信号传输单元的传感平台；

所述信号传输单元2，用于实现多种信号相互对比，排除假阳性信号，不同信号同时输出；

所述微滴固定单元1包括若干微滴固定单体1-1，每个微滴固定单体1-1上均修饰有所述信号传输单元，且若干独立微滴固定单体之间可自由组装拼接。

所述微滴固定单体包括微柱底座和微柱，

其中，所述微柱底座1-11的四周侧上设有用于拼接的卡槽1-13与凸起1-14，所述微柱1-12设置在所述微柱底座1-11上。

所述微柱1-12的材质为具有表面结构与自身粘附性能的聚合物。

所述聚合物包括PMMA,PDMS和PLA。

所述信号传输单元2为阵列化电极、微滴内部检测分子或枝状贵金属层。

列化电极、微滴内部检测分子或枝状贵金属层。

多种所述信号传输单元能够同时修饰在多个微滴固定单体上。

本发明的另一目的是提供一种使用上述的微液滴检测芯片的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1)微液滴检测芯片的制备；

S2)将待检测物滴加在S1)得到的微液滴检测芯片上，微液滴检测芯片将分析结果输出，即得到检测结果。

所述S1)的具体步骤如下：

S1.1)微柱平台的制备，采用3D打印技术、模板脱模技术或铣床加工技术制备，得到具有卡槽结构的微滴固定单体，

S1.2)微柱平台的修饰：将阵列化电极、微滴内部检测分子或枝状贵金属层通过多功能修饰在所述S1.1)得到的微滴固定单体的顶部。

所述S1)中还包括微柱平台的拼接与拆卸：得到具有卡槽结构的微滴固定单体根据检测需求拼接成可双模态，三模态或更多的微液滴检测芯片。

所述S1)还包括微液滴检测芯片的微滴固定单体进行液滴承载分析步骤，具体如下：

微柱液滴固定能力分析：将液滴滴加在微液滴检测芯片的微滴固定单体表面，再将微液滴检测芯片倾斜，倒置，晃动如果液滴均不会脱落，则微液滴检测芯片具有优异固定液滴能力；

多组分液滴固定能力分析：将不同种类液滴分别滴加在微液滴检测芯片的微滴固定单体上，如果液滴能够稳定存在微滴固定单体表面不会脱落，则微液滴检测芯片具有优异固定液滴能力；

对液滴蒸发富集影响：将具有染料的液滴分别滴加在载玻片与微液滴检测芯片的微滴固定单体上，在自然蒸发后，能够在载玻片上形成边缘富集的咖啡环，微滴固定单体形成均一的染料层。

实施例1

一种可实现多模态输出的自由组装拼接式微液滴检测芯片的制备方法，包括：

步骤一：微柱平台的制备：通过3D Max设计不同具有卡槽1-13与凸起1-14微柱底座1-11和微柱1-12(如图1所示)，微柱1-12底座直径在1-2厘米，微柱1-12的直径在1-5毫米，将设计的模型导入到3D打印机3内，打印出多种卡槽结构的微滴固定单体1-1，一部分微柱1-12内部具有贯穿的三个阵列孔，便于后续电化学修饰，将微滴固定单体1-1拼接可得到集成化可拼接微液滴固定芯片(如图2)。

步骤二：微柱平台的修饰：将具有阵列孔的微柱平台内嵌入金，银，铂线作为三电极体系，使得每个微柱都是一个独立的三电极电化学检测单元，再将设计的集成电路板4与微柱匹配，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形成阵列化电化学平台。通过磁控溅射在微柱表面沉积一层金层，再以微柱为工作电极，氯金酸溶液为电解液，外置银/氯化银电极作为参比与对电极，在-1.0V电压下进行电沉积，在微柱表面得到纳米枝状金层，其粗糙的结构可实现表面拉曼增强检测。微柱平台可有效避免咖啡环效应，可将酶等底物通过溶液蒸发与静电吸附等均匀修饰到基底完成后续比色与荧光检测。

步骤三：微柱平台的拼接与拆卸：得到具有卡槽结构的微柱平台可根据检测需求拼接成可双模态，三模态或更多的检测芯片，每个平台单独完成分析检测，多种信号结果对比分析可以有效验证结果准确性，在出现差异信号的微柱可进行拆卸并组装一个新的平台进行进一步分析验证。

实施例2

微柱平台对液滴承载分析，包括：

步骤一：微柱液滴固定能力分析：将液滴滴加在微柱表面，将平台倾斜，倒置，晃动液滴均不会脱落，说明微柱优异固定液滴能力。

步骤二：多组分液滴固定能力分析：将不同种类液滴包括果汁，血清，酸碱溶液分别滴加在微柱平台上，液滴均稳定存在微柱表面不会脱落，说明微柱平台可用于复杂溶液相检测。

步骤三：微柱对液滴蒸发富集影响：将具有染料的液滴分别滴加在载玻片与微柱平台上，在自然蒸发后，载玻片上形成边缘富集的咖啡环，微柱平台形成均一的染料层，证明微柱具有较优异的富集和液滴分散性能，方便后续荧光与比色检测。

实施例3

自由组装拼接式微液滴检测芯片的多模态分析检测:

步骤一：自由组装拼接式微液滴检测芯片荧光分析检测：将10微升罗丹明6G滴加在未做任何修饰的微柱平台上，在室温下蒸发过夜，罗丹明6G均匀分布在微柱表面，在荧光显微镜下用绿光激发得到具有红色荧光的信号，利用荧光分析软件得到荧光强度，完成平台的荧光分析检测(如图3所示)。

步骤二：自由组装拼接式微液滴检测芯片表面拉曼增强分析检测：在修饰纳米枝状金的微柱表面滴加10微升罗丹明6G，室温蒸发过夜后在532nm激光下进行拉曼检测，如图4所示得到具有罗丹明6G特征峰的拉曼增强图谱，完成平台的拉曼增强分析检测。

步骤三：自由组装拼接式微液滴检测芯片比色分析检测：在微柱表面加入葡萄糖氧化酶与碘化钾溶液，待溶液完全蒸发干后，在微柱表面加入不同浓度的葡萄糖溶液，在葡萄糖酶分解葡萄糖的过程中伴随着碘离子的还原，溶液逐渐变黄，随着加入葡糖糖浓度增强，液滴颜色逐渐加深，用拍照设备记录液滴变色情况并用软件读取灰度值，随着浓度增加，灰度值逐渐增强，由此微柱阵列完成葡萄糖比色检测(如图5所示)。

步骤四：自由组装拼接式微液滴检测芯片比色分析检测：在电化学检测区域的微柱上滴加葡萄糖氧化酶溶液，溶液蒸发干后，用2.5％的戊二醛溶液滴加在微柱上使酶与工作电极连接并固定。葡萄糖氧化酶将葡萄糖氧化分解产生过氧化氢，过氧化氢在铂工作电极的催化下分解成水与氧气并伴随着电流波动。在阵列微柱上滴加不同浓度的葡萄糖溶液，如图6所示，随着浓度增加，电流信号逐渐增大，由此微柱阵列完成葡萄糖的电化学检测。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可实现多信号输出自由组装的微液滴检测芯片，其特征在于，所述微液滴检测芯片包括微滴固定单元和信号传输单元；

其中，微滴固定单元，用作所述信号传输单元的传感平台；

所述信号传输单元，用于实现多种信号相互对比，排除假阳性信号，不同信号同时输出；

所述微滴固定单元包括若干微滴固定单体，每个微滴固定单体上均修饰有所述信号传输单元，且若干独立微滴固定单体之间可自由组装拼接。

2.根据权利要求1所述的微液滴检测芯片，其特征在于，所述微滴固定单体包括微柱底座和微柱，

其中，所述微柱底座的四周侧上设有用于拼接的卡槽和凸起，所述微柱设置在所述微柱底座上。

3.根据权利要求2所述的微液滴检测芯片，其特征在于，所述微柱为具有表面结构与自身粘附性能的聚合物。

4.根据权利要求3所述的微液滴检测芯片，其特征在于，所述聚合物为PMMA,PDMS或PLA。

5.根据权利要求1所述的微液滴检测芯片，其特征在于，所述信号传输单元为阵列化电极、微滴内部检测分子或枝状贵金属层。

6.根据权利要求5所述的微液滴检测芯片，其特征在于，多种所述信号传输单元能够同时修饰在多个微滴固定单体上。

7.一种使用如权利要求1-6任意一项所述的微液滴检测芯片的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1)制备微液滴检测芯片；

S2)将待检测物滴加在S1)得到的微液滴检测芯片上，微液滴检测芯片将分析结果输出，即得到检测结果。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述S1)的具体步骤如下：

S1.1)微柱平台的制备，采用3D打印技术、模板脱模技术或铣床加工技术制备，得到具有卡槽结构的微滴固定单体，

S1.2)微柱平台的修饰：将阵列化电极、微滴内部检测分子或枝状贵金属层通过多功能修饰在所述S1.1)得到的微滴固定单体的顶部，得到微液滴检测芯片。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述微液滴检测芯片能够根据检测需求拼接成双模态，三模态或更多模态的微液滴检测芯片。

10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述S1)中还包括S1.3)微液滴检测芯片的微滴固定单体进行液滴承载分析步骤，具体如下：

微柱液滴固定能力分析：将液滴滴加在微液滴检测芯片的微滴固定单体表面，再将微液滴检测芯片倾斜，倒置，晃动如果液滴均不会脱落，则微液滴检测芯片具有优异固定液滴能力；

多组分液滴固定能力分析：将不同种类液滴分别滴加在微液滴检测芯片的微滴固定单体上，如果液滴能够稳定存在微滴固定单体表面不会脱落，则微液滴检测芯片具有优异固定液滴能力；

对液滴蒸发富集影响：将具有染料的液滴分别滴加在载玻片与微液滴检测芯片的微滴固定单体上，在自然蒸发后，能够在载玻片上形成边缘富集的咖啡环，微滴固定单体上形成均一的染料层。

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