CN113009225B - 利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，本发明通过将紫外臭氧清洗机产生的紫外臭氧气流导入到微流控芯片内，利用紫外臭氧与集成在微流控芯片中碳电极表面的有机污染物发生化学反应生成挥发性气体，实现微流控芯片中污染碳电极电化学性能的修复，最终确保利用碳电极进行重复性测试时实验数据的准确性。该方法操作简单方便、通用性强、经济性好。
Description
技术领域
本发明涉及电化学检测技术领域，具体涉及一种利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法。
背景技术
碳质材料电极(碳电极)作为电化学传感器，具有背景电流低、电化学窗口宽、易于与微流控芯片相结合等优点，在生物医学、环境监测、药物合成筛选等诸多关系到国计民生的领域中有着广泛的应用。然而，碳电极在电化学测试过程中会有大量的反应物/反应产物吸附在其表面、造成碳电极性能的退化、导致碳电极不能满足重复性测试时数据的准确性要求，该缺点在很大程度上抑制了碳电极在电化学微流控芯片检测领域的进一步发展，因此，迫切需要提出一种能快速祛除微流控芯片内碳电极表面污染物、高效修复污染碳电极电化学性能的方法。
目前，用于修复微流控芯片内污染碳电极电化学性能的方法包括氧等离子体修复法和碱液修复法。尽管氧等离子体能祛除碳电极表面污染物，但大量的氧等离子也会对碳电极本身造成一定程度地刻蚀，因此该方法不适合污染碳电极的多次修复。而碱液修复法属于湿法修复，有些碳电极的参比/对电极通常由铜/银等金属材料制作而成，该方法在去除碳电极表面污染物的同时，也会腐蚀由铜/银等材料组成的参比/对电极。此外，将碱液多次通入到微流控芯片内修复碳电极时，大量的碱液会浸润到微流控芯片内，对碳电极与微流控芯片的结合力造成一定的影响。
由此可见，微流控芯片内碳电极的现行修复方法存在一定的局限性，因此探索一种能够温和去除碳电极表面污染物、操作简单方便、通用性强和运行成本较低的新方法具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种利用利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，包括：
S1、将新的碳电极集成在微流控芯片内，对微流控芯片内所述碳电极在设定频率下的界面阻抗进行测定获得第一界面阻抗值；
使用上述微流控芯片进行重复性电化学实验后，对微流控芯片内所述碳电极在所述设定频率下的界面阻抗进行测定获取第二界面阻抗值，并计算对应频率下碳电极的界面阻抗均值和标准差；
将所述第二界面阻抗值与所述第一界面阻抗值进行比较，判定电化学实验后所述碳电极是否为污染碳电极，若是，执行S2；
S2、将紫外臭氧输入至微流控芯片内以对污染碳电极进行修复处理；
S3、对修复后的微流控芯片进行电活性物质响应测试，获取电活性物质响应电流，通过所述电活性物质响应电流衡量所述微流控芯片碳电极的修复性能。
进一步地，所述S2包括：
S20、在微流控芯片的入口设置真空泵，真空泵的气体输出口通过变径软管与所述微流控芯片的入口连接，真空泵的气体输入口连接塑料软管，所述塑料软管的另一端连接在紫外臭氧清洗机内；
S21、打开紫外臭氧清洗机，利用真空泵将紫外臭氧清洗机内产生的紫外臭氧气流导入到微流控芯片内，对所述微流控芯片内的污染碳电极进行设定时间的紫外臭氧改性修复，然后关闭紫外臭氧清洗机。
进一步地，所述S3包括：
S30、使用100mM的磷酸盐缓冲液配制浓度为1mM的还原型辅酶溶液；
S31、将集成在微流控芯片内的修复后碳电极与电化学工作站相连；
S32、利用注射泵将浓度为1mM的还原型辅酶溶液注入到微流控芯片中，待芯片内充满溶液停止注射；
S33、使用电化学工作站测定修复后碳电极对还原型辅酶溶液的电化学响应，获取电化学响应电流，通过所述电化学响应电流获得碳电极修复性能。
进一步地，所述S33包括以下步骤：
通过公式(1)获取还原型辅酶溶液在碳电极表面发生电化学氧化时的反应速率常数k：
根据所述化学反应速率常数k和电化学响应电流i通过公式(2)和公式(3)获取修复后的碳电极的有效反应面积：
i＝kc (3)
式中，A为反应特征常数；R为气体常数；T为热力学温度；Ea为电化学反应的活化能；n为电化学反应中产生的转移电子个数；S为电极的有效反应面积；F为法拉第常数；D为扩散系数；c为电极表面反应物的浓度；δ为扩散层厚度。
进一步地，所述对微流控芯片内所述碳电极在设定频率下的界面阻抗进行测定包括以下步骤：
S10、配制浓度为10mM的NaCl溶液；
S11、用注射泵将浓度为10mM的NaCl溶液通入到微流控芯片中，待芯片内充满溶液停止注射；
S12、将集成在微流控芯片中碳电极与阻抗谱测量仪相连接，使用阻抗谱测量仪测定碳电极在设定频率下的界面阻抗，获得界面阻抗值；
S13、将芯片内的NaCl溶液排出。
进一步地，所述将所述第二界面阻抗值与所述第一界面阻抗值进行比较，所述判定电化学实验后所述碳电极是否为污染碳电极为计算所述第二界面阻抗值相对于所述第一界面阻抗值增加幅值是否超过设定值，若是，判定电化学实验后所述碳电极为污染碳电极。
进一步地，增加幅值的设定值为20％。
本发明公开的方法具有以下有益效果：该方法使用紫外臭氧清洗机产生紫外臭氧气流，通过将紫外臭氧清洗机内产生的气流导入到微流控芯片内，利用紫外臭氧与集成于微流控芯片内污染碳电极表面的污染物发生化学反应，生成具有挥发性的气体，达到修复微流控芯片中污染碳电极电化学性能的目的。与之前报道的碳电极修复方法相比，该方法比较温和、对设备要求相对较低、不需要额外的气源、完全可以在大气环境下进行，并且，该方法不受限于微流控芯片的制作材料，亦不会破坏碳电极与微流控芯片的结合力，通用性强。
附图说明
图1为本发明用紫外臭氧改性来修复微流控芯片内污染碳电极电化学性能的方法方法流程图；
图2微流控芯片内碳电极的界面阻抗测定结果；
图3为本发明微流控芯片内污染碳电极和修复后碳电极对1mM还原型辅酶溶液的循环伏安响应示意图；
图4紫外臭氧清洗机与微流控芯片的连接示意图；
图5集成碳电极的微流控芯片结构示意图；
图6电化学工作站与微流控芯片连接示意图；
图7注射泵与微流控芯片连接示意图；
图8碳电极结构示意图。
图中，1、电化学工作站，2、微流控芯片，3、电极片，4、注射泵，5、工作电极，6、对电极，7、参比电极，8、微流控芯片的入口，9、微流控芯片的出口，13、PDMS基片，10、PDMS沟道片，11、OCA双面胶，12、检测池。
具体实施方式
本发明采用的技术方案是一种利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，如图5所示，微流控芯片包括PDMS基片13、设置在PDMS基片13上的PDMS沟道片10、设置在PDMS基片13和PDMS沟道片10之间的OCA双面胶11和电极片3，PDMS沟道片10上设有检测池12，如图8所示，电极片上设有由碳电极组成的工作电极5和对电极6，由铜/银等材料组成的参比电极7，在工作过程中，碳电极容易被污染，该方法首先进行污染碳电极标准的定义，然后利用紫外臭氧改性对污染碳电极进行电化学性能修复处理，并进行了实验方法的理论分析计算，最后将修复后碳电极用于微流控芯片内电活性物质的电化学检测，进行了修复方法的实验验证。方法的具体步骤如下：
如图1所示为本发明公开的利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，包括：
S1、将新的碳电极集成在微流控芯片内，对微流控芯片内所述碳电极在设定频率下的界面阻抗进行测定获得第一界面阻抗值；
使用上述微流控芯片进行重复性电化学实验后，对微流控芯片内所述碳电极在所述设定频率下的界面阻抗进行测定获取第二界面阻抗值，并计算对应频率下碳电极的界面阻抗均值和标准差；
将所述第二界面阻抗值与所述第一界面阻抗值进行比较，判定电化学实验后所述碳电极是否为污染碳电极，若是，执行S2；
具体地，所述对微流控芯片内所述碳电极在设定频率下的界面阻抗进行测定包括以下步骤：
S10、配制浓度为10mM的NaCl溶液；
S11、用注射泵将浓度为10mM的NaCl溶液通入到微流控芯片中，待芯片内充满溶液停止注射；
S12、将集成在微流控芯片中碳电极与阻抗谱测量仪相连接，使用阻抗谱测量仪测定碳电极在设定频率(设定频率可以为20至500Hz，例如20、50、75、100、200、300或500Hz)下的界面阻抗，获得界面阻抗值；
S13、将芯片内的NaCl溶液排出。通过上述方法可以获取新的碳电极和电化学实验后的碳电极的界面阻抗值，并通过对两个界面阻抗值进行比较以判断碳电极是否污染，具体地，所述将所述第二界面阻抗值与所述第一界面阻抗值进行比较，判定电化学实验后所述碳电极是否为污染碳电极具体为计算所述第二界面阻抗值相对于所述第一界面阻抗值增加幅值是否超过设定值，本实施例中，增加幅值的设定值为20％，若第二界面阻抗值相对于所述第一界面阻抗值增加幅值超过20％，判定电化学实验后所述碳电极是否为污染碳电极。
S2、将紫外臭氧输入至微流控芯片内以对污染碳电极进行修复处理；
具体地，所述S2包括：
S20、在微流控芯片的入口设置真空泵，真空泵的气体输出口通过变径软管与所述微流控芯片的入口连接，真空泵的气体输入口连接塑料软管，所述塑料软管的另一端连接在紫外臭氧清洗机内，连接后的结构如图4所示；
S21、打开紫外臭氧清洗机，利用真空泵将紫外臭氧清洗机内产生的紫外臭氧气流导入到微流控芯片内，对所述微流控芯片内的污染碳电极进行设定时间的紫外臭氧改性修复，本实施例中设定时间为5分钟，然后关闭紫外臭氧清洗机。与微流控芯片内常规的碱液/弱酸等湿法修复相比，本方法的优点是在去除碳电极表面污染物的同时，不会腐蚀由铜/银等材料组成的参比电极，亦不会破坏碳电极与微流控芯片的结合力；此外，本方法的巧妙之处在于微流控芯片内碳电极的修复不会受到芯片制作材料紫外光透射率的限制，本方法可修复集成在常见微流控芯片制作材料内的污染碳电极，具有很强的通用性。
在对污染碳电极进行修复处理后可以通过对微流控芯片内修复后碳电极的阻抗谱测定，获取修复后的碳电极的界面阻抗值，判断修复后的碳电极性能，具体过程参照S1中测定样本中微流控芯片内碳电极的界面阻抗的步骤。
样本中微流控芯片内的碳电极在不同频率的界面阻抗测定结果如图2所示。
从图2可以看出，新碳电极的界面阻抗较小；污染碳电极的界面阻抗明显增大；在频率为20-100Hz时，修复后碳电极的界面阻抗比新电极的阻抗还要低，在频率为100-500Hz时，修复后碳电极的界面阻抗与新电极的阻抗值持平。
S3、对修复后的微流控芯片进行电活性物质响应测试，获取电活性物质响应电流，通过所述电活性物质响应电流衡量所述微流控芯片碳电极的修复性能。
具体地，所述S3包括：
S30、使用100mM的磷酸盐缓冲液配制浓度为1mM的还原型辅酶溶液；
S31、将集成在微流控芯片内的修复后碳电极与电化学工作站相连；
S32、利用注射泵将浓度为1mM的还原型辅酶溶液注入到微流控芯片中，待芯片内充满溶液停止注射；
S33、使用电化学工作站测定修复后碳电极对还原型辅酶溶液的电化学响应，获取电化学响应电流，通过所述电化学响应电流获得碳电极修复性能。电化学工作站与微流控芯片连接的示意图如图6所示，图7为注射泵与微流控芯片连接示意图。
微流控芯片内修复后碳电极电化学性能增强的实验验证是利用循环伏安法测定了样本中修复后碳电极对还原型辅酶溶液的电化学响应，其测定结果如图3所示。
鉴于电极表面的电化学反应速率常数是衡量电极性能的重要技术指标，还原型辅酶溶液在碳电极表面发生电化学氧化时的反应速率常数k可用公式(1)表示：
式中，A为反应特征常数；R为气体常数；T为热力学温度；Ea为电化学反应的活化能。
由公式(1)可知，在A、R和T保持不变的条件下，通过降低Ea，可增大反应速率常数的值。
本专利中，在使用紫外臭氧对碳电极进行改性修复时，利用紫外臭氧的氧化特性可产生两方面的作用：(a)使电极表面的碳单质产生氧化反应，增加电极表面含氧官能团(如C-O、C＝O等)的数量。碳电极表面的含氧官能团可在对氧含量比较敏感的电化学氧化体系中(如：还原型辅酶、铁氰化钾等)起到催化剂的作用，通过改变反应历程相对降低反应体系的电化学活化能，最终增加电极的电化学反应速率常数。(b)使碳电极表面的污染物发生氧化，利用化学反应去除电极表面的污染物，增大电极的有效反应面积。
根据所述化学反应速率常数k和电化学响应电流i通过公式(2)和公式(3)获取修复后的碳电极的有效反应面积：
i＝kc (3)
式中，A为反应特征常数；R为气体常数；T为热力学温度；Ea为电化学反应的活化能；n为电化学反应中产生的转移电子个数；S为电极的有效反应面积；F为法拉第常数；D为扩散系数；c为电极表面反应物的浓度；δ为扩散层厚度。通过联立公式(2)和(3)可知，在其它参数保持不变，电极有效反应面积S变大的情况下，可直接增大电极的反应速率常数。即通过紫外臭氧处理可间接降低电化学反应体系的电化学反应活化能(Ea)，并增大电极的有效反应面积(S)。
由以上可知，紫外臭氧处理可相对降低反应体系的电化学反应活化能(Ea)，并增大电极的有效反应面积(S)。也就是说，当用紫外臭氧对碳电极进行改性修复后，可直接增大电极的化学反应速率常数，增强电极的电化学性能。
根据测定结果，分析了修复后碳电极和污染碳电极对同浓度还原型辅酶溶液的氧化峰值电流响应。结果表明：紫外臭氧修复后碳电极对同浓度还原型辅酶溶液的氧化峰值电流从14.52μA增加至15.89μA，电流的增加幅值为9.41％。并且，修复后碳电极的电流响应值与新碳电极的氧化峰值基本一致。
本发明的有益效果是通过将紫外臭氧清洗机产生的紫外臭氧气流导入到微流控芯片内，利用紫外臭氧与集成在微流控芯片中碳电极表面的污染物发生化学反应生成挥发性气体，实现微流控芯片中污染碳电极电化学性能的修复，最终确保利用碳电极进行重复性测试时实验数据的准确性。该方法操作简单方便、通用性强、经济性好。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，其特征在于：包括：
S1、将新的碳电极集成在微流控芯片内，对微流控芯片内所述碳电极在设定频率下的界面阻抗进行测定获得第一界面阻抗值；
使用上述微流控芯片进行重复性电化学实验后，对微流控芯片内所述碳电极在所述设定频率下的界面阻抗进行测定获取第二界面阻抗值，并计算对应频率下碳电极的界面阻抗均值和标准差；
将所述第二界面阻抗值与所述第一界面阻抗值进行比较，判定电化学实验后所述碳电极是否为污染碳电极，若是，执行S2；
S2、将紫外臭氧输入至微流控芯片内以对污染碳电极进行修复处理；
所述S2包括：
S20、在微流控芯片的入口设置真空泵，真空泵的气体输出口通过变径软管与所述微流控芯片的入口连接，真空泵的气体输入口连接塑料软管，所述塑料软管的另一端连接在紫外臭氧清洗机内；
S21、打开紫外臭氧清洗机，利用真空泵将紫外臭氧清洗机内产生的紫外臭氧气流导入到微流控芯片内，对所述微流控芯片内的污染碳电极进行设定时间的紫外臭氧改性修复，然后关闭紫外臭氧清洗机；
S3、对修复后的微流控芯片进行电活性物质响应测试，获取电活性物质响应电流，通过所述电活性物质响应电流衡量所述微流控芯片碳电极的修复性能。
2.根据权利要求1所述的利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，其特征在于：所述S3包括：
S30、使用100mM的磷酸盐缓冲液配制浓度为1mM的还原型辅酶溶液；
S31、将集成在微流控芯片内的修复后碳电极与电化学工作站相连；
S32、利用注射泵将浓度为1mM的还原型辅酶溶液注入到微流控芯片中，待芯片内充满溶液停止注射；
S33、使用电化学工作站测定修复后碳电极对还原型辅酶溶液的电化学响应，获取电化学响应电流，通过所述电化学响应电流获得碳电极修复性能。
3.根据权利要求2所述的利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，其特征在于：所述S33包括以下步骤：
通过公式(1)获取还原型辅酶溶液在碳电极表面发生电化学氧化时的反应速率常数k：
根据所述反应速率常数k和电化学响应电流i通过公式(2)和公式(3)获取修复后的碳电极的有效反应面积：
i＝kc (3)
式中，A为反应特征常数；R为气体常数；T为热力学温度；Ea为电化学反应的活化能；n为电化学反应中产生的转移电子个数；S为电极的有效反应面积；F为法拉第常数；D为扩散系数；c为电极表面反应物的浓度；δ为扩散层厚度。
4.根据权利要求1所述的利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，其特征在于：所述对微流控芯片内所述碳电极在设定频率下的界面阻抗进行测定包括以下步骤：
S10、配制浓度为10mM的NaCl溶液；
S11、用注射泵将浓度为10mM的NaCl溶液通入到微流控芯片中，待芯片内充满溶液停止注射；
S12、将集成在微流控芯片中碳电极与阻抗谱测量仪相连接，使用阻抗谱测量仪测定碳电极在设定频率下的界面阻抗，获得界面阻抗值；
S13、将芯片内的NaCl溶液排出。
5.根据权利要求1所述的利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，其特征在于：所述将所述第二界面阻抗值与所述第一界面阻抗值进行比较，所述判定电化学实验后所述碳电极是否为污染碳电极为计算所述第二界面阻抗值相对于所述第一界面阻抗值增加幅值是否超过设定值，若是，判定电化学实验后所述碳电极为污染碳电极。
6.根据权利要求5所述的利用紫外臭氧修复微流控芯片内碳电极电化学性能的方法，其特征在于：增加幅值的设定值为20％。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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