CN114280113A

CN114280113A - 一种基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片

Info

Publication number: CN114280113A
Application number: CN202111403488.9A
Authority: CN
Inventors: 田辉; 曹仰杰; 牛露; 孙圆圆
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2022-04-05

Abstract

本发明提供了一种基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，包括上基板、针对不同靶标设置的至少两个反应电极和下基板，上基板底面设置有微流道，上基板顶面设置有负压腔和储液池，微流道的两端分别与负压腔和储液池连通，微流道的底壁敞开设置；多个反应电极表面均附着有检测用氧化还原基团，多个反应电极按照顺序排列在微流道的延伸方向上；下基板上表面设置有相交于微流道延伸方向的对电极和多个工作电极，多个工作电极与多个反应电极一一对应连接。该基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片具有能够一次性检测多种生化指标、无需多次取样、能够减轻患者痛苦和经济负担、检测效果好的优点。

Description

一种基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片

技术领域

本发明涉及电化学生物检测芯片领域，具体的说，涉及了一种基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片。

背景技术

电化学检测是将难以测定的化学量变换成容易测定的电参数加以测定的方法。传统的电化学均相检测过程比较简便，通过构建三电极（或两电极）体系就可以实现目标物的检测，但是该方法存在一些不足。其一，由于检测所需溶液用量较大，电极较小，因此响应时间较长，从而检测效率较低；其二，由于检测过程中需要的样本量较大，不适用于如新生儿疾病筛查、骨髓化验等样本量比较珍贵的特殊临床检测场景的应用；其三，大体积反应体系稀释了反应样本，使检测灵敏度降低。因此，目前电化学检测由传统的均相检测向微流控检测领域发展。

但是现有基于电化学检测的微流控装置仍存在一些不足。其一，现有装置仅针对某一种疾病进行单一靶标分析，分析结果只能涵盖某一方面信息，不能反映疾病的全部信息，因此检测结果不充分、不准确；其二，现有的装置针对特殊临床迫切的需求：如对新生儿患者、骨髓化验等特定病患人群和特定疾病珍贵样本取样的场景，一次取样只能实现单一靶标检测，如果需要检测多种生化指标，则需要反复多次取样，给患者带来了痛苦和巨额经济成本；其三，大多使用平面电极，溶液仅从平面电极上直接流过，电极不能将所有的电子都捕获到，因此检测灵敏度不高、准确性不强、响应时间相对较长、检测效率较低，无法满足即时检测的需求。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能够通过一次取样实现多种生化指标检测的基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，该芯片检测方法不仅灵敏度高、检测效率快，而且能减轻患者痛苦和经济负担。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，包括上基板、针对不同靶标设置的至少两个反应电极和下基板，所述上基板底面设置有微流道，所述上基板顶面设置有负压腔和储液池，所述微流道的两端分别与所述负压腔和所述储液池连通，所述微流道的底壁敞开设置；多个所述反应电极表面均附着有检测用氧化还原基团，多个所述反应电极按照顺序排列在所述微流道的延伸方向上；所述下基板上表面设置有相交于所述微流道延伸方向的对电极和多个工作电极，多个所述工作电极与多个所述反应电极一一对应连接。

基于上述，所述微流道的中部对应每个所述反应电极分别拦腰设置有电极安装槽；所述反应电极立着安装在所述电极安装槽内，所述反应电极上设置有流体通道。

基于上述，所述反应电极包括立式基板和包覆在所述立式基板表面的氧化锌纳米线，所述立式基板表面开设有若干微米孔从而形成网状结构，若干所述微米孔构成所述流体通道，所述氧化锌纳米线包覆在所述立式基板表面，所述检测用氧化还原基团附着在所述氧化锌纳米线上。

基于上述，所述检测用氧化还原基团为检测用氧化酶。

基于上述，所述反应电极共设置有三个，采用的所述检测用氧化酶分别为葡萄糖氧化酶、尿素氧化酶和胆红素氧化酶。

基于上述，所述下基板上表面还设置有相交于所述微流道延伸方向的参比电极。

基于上述，所述参比电极为银-氯化银电极，所述对电极为铂电极，所述工作电极为金电极。

基于上述，所述上基板和所述下基板采用热压键合组装。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明利用所述储液池盛放待测样品、所述负压腔提供负压，使待测样品通过所述微流道，依次与每个所述反应电极接触、反应，由于多个所述反应电极针对的是不同的靶标，通过一次样品流动就可实现对多个生化指标的检测，不仅可实现高灵敏、高准确性的高效检测，也避免了多次重复采样给病患带来的痛苦，通过采用微流控芯片技术，减少了样品用量、进一步提高了检测效率。

进一步地，所述反应电极拦腰设置在所述微流道内，并在所述反应电极上开设流体通道，使得待测样品能够与反应电极充分接触，提高作用面积，所述检测用氧化还原基团通过与待测样品的反应产生电子，使得所述工作电极和所述对电极能够检测到电参数的变化，由于其捕获电子的能力大大加强，因此其与传统的平面电极相比，检测灵敏度更高、相应时间更短、检测准确度更高、所需的样本量也更小，适用于样本珍贵、取样量少的特殊临床检测场景的应用。

进一步地，在所述立式基板上开设若干微米孔，利用若干所述微米孔组成流体通道，简化了结构，便于生产，表面包覆的所述氧化锌纳米线大大提高了所述检测用氧化还原基团的附着量，从而使灵敏度进一步提升；所述参比电极的设置，与所述对电极和所述工作电极组成三电极体系，可使检测结果更准确。

附图说明

图1是本发明中基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片的组装结构图。

图2是本发明中基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片的爆炸图。

图3是本发明中上基板的结构示意图。

图4是本发明中反应电极的结构示意图。

图5是本发明中下基板的结构示意图。

图中：1. 上基板；2. 反应电极；3. 下基板；4. 微流道；5. 负压腔；6. 储液池；7.电极安装槽；8. 立式基板；9. 氧化锌纳米线；10. 微米孔；11. 葡萄糖氧化酶；12. 对电极；13. 工作电极；14. 参比电极。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-5所示，一种基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，包括上基板1、针对不同靶标分别设置的三个反应电极2和下基板3，所述上基板1底面设置有微流道4，所述上基板1顶面设置有负压腔5和储液池6，所述微流道4的两端分别与所述负压腔5和所述储液池6连通，所述微流道4的底壁敞开设置，所述微流道4的中部对应三个反应电极2分别拦腰设置有电极安装槽7。其中，微流道4可采用铣床加工，微流道4的长度为25~27 mm，宽度为1~2 mm，高度为2 mm。

三个所述反应电极2按照顺序立着安装在三个所述电极安装槽7内，具体可为竖向放置，所述反应电极2具体包括立式基板8和包覆在所述立式基板8表面的氧化锌纳米线9，所述立式基板8表面开设有若干微米孔10从而形成网状结构，若干所述微米孔10构成流体通道，所述氧化锌纳米线9包覆在所述立式基板8表面，三个反应电极2的所述氧化锌纳米线9上均附着有检测用氧化酶11，本实施例中，三种检测用氧化酶11分别为葡萄糖氧化酶、尿素氧化酶和胆红素氧化酶。制备时，立式基板8可采用具有微米孔结构的钢丝网，氧化锌纳米线9采用化学沉淀法包覆在立式基板8表面，氧化锌纳米线9表面可吸附大量的检测用氧化酶11。其它实施例中也可以根据检测对象采用其它的检测用氧化酶作为氧化还原基团；也可以采用其它能够形成流体通道的立体结构，例如扇叶形等。

所述下基板3上表面设置有相交于所述微流道4延伸方向的对电极12、三个工作电极13和参比电极14，具体为垂直相交，三个所述工作电极13与三个所述反应电极2底端一一对应连接，从而组成三组三电极检测体系，使检测精度更高；其中，所述对电极12采用铂电极，所述工作电极13采用金电极，所述参比电极14采用银-氯化银电极。

本实施例在上基板1、三个反应电极2和下基板3对接好后，所述上基板1和所述下基板3采用热压键合的方式组装在一起。

工作原理：

利用所述储液池6盛放待测样品、所述负压腔5提供负压，使待测样品通过所述微流道4，三个所述反应电极2拦腰设置在所述微流道4内，使待测样品从微米孔10中穿过，使得待测样品依次与每个反应电极2充分接触，提高作用面积，葡萄糖氧化酶与葡萄糖发生氧化还原反应、尿素氧化酶与尿素发生氧化还原反应、胆红素氧化酶与胆红素发生氧化还原反应，产生电子，使得所述对电极12、所述工作电极13和所述参比电极14能够检测到电参数的变化，一次进样实现对这三种指标的检测，由于其捕获电子的能力大大加强，因此其与传统的平面电极相比，检测灵敏度更高、相应时间更短、检测准确度更高、所需的样本量也更小，适用于样本量比较珍贵的特殊临床检测场景的应用。

该基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片检测尿液中葡萄糖、尿素、胆红素含量的步骤举例说明如下：

（1）将负压腔5与负压泵连通；

（2）在恒定电位为0.4 V的条件下，向储液池6中加入含有300 μmol/L尿液做为反应试剂；

（3）打开负压泵，使待检尿液流经微流道4；

（4）尿液中的葡萄糖在葡萄糖氧化酶和外部激励电压的作用下，生成葡萄糖酸内酯和还原态的葡萄糖氧化酶，同时将释放电子，电子的数量则与葡萄糖浓度有关；浓度越高，产生的电子则越多。系统中的检测装置实现计时电流法，并对反应所产生的电流计算为葡萄糖浓度。

（5）尿液中的尿酸被尿酸氧化酶基团直接催化，生成尿囊素，并伴随电子的生成。在三电极体系下，同样利用计时电流法对尿酸的浓度进行定量测定。

（6）尿液中的胆红素被胆红素氧化酶基团直接催化，生成胆绿素，并伴随电子的生成。在三电极体系下，同样利用计时电流法对胆红素的浓度进行定量测定。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，其特征在于：包括上基板、针对不同靶标设置的至少两个反应电极和下基板，所述上基板底面设置有微流道，所述上基板顶面设置有负压腔和储液池，所述微流道的两端分别与所述负压腔和所述储液池连通，所述微流道的底壁敞开设置；多个所述反应电极表面均附着有检测用氧化还原基团，多个所述反应电极按照顺序排列在所述微流道的延伸方向上；所述下基板上表面设置有相交于所述微流道延伸方向的对电极和多个工作电极，多个所述工作电极与多个所述反应电极一一对应连接。

2.根据权利要求1所述的基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，其特征在于：所述微流道的中部对应每个所述反应电极分别拦腰设置有电极安装槽；所述反应电极立着安装在所述电极安装槽内，所述反应电极上设置有流体通道。

3.根据权利要求2所述的基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，其特征在于：所述反应电极包括立式基板和包覆在所述立式基板表面的氧化锌纳米线，所述立式基板表面开设有若干微米孔从而形成网状结构，若干所述微米孔构成所述流体通道，所述氧化锌纳米线包覆在所述立式基板表面，所述检测用氧化还原基团附着在所述氧化锌纳米线上。

4.根据权利要求3所述的基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，其特征在于：所述检测用氧化还原基团为检测用氧化酶。

5.根据权利要求4所述的基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，其特征在于：所述反应电极共设置有三个，采用的所述检测用氧化酶分别为葡萄糖氧化酶、尿素氧化酶和胆红素氧化酶。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，其特征在于：所述下基板上表面还设置有相交于所述微流道延伸方向的参比电极。

7.根据权利要求6所述的基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，其特征在于：所述参比电极为银-氯化银电极，所述对电极为铂电极，所述工作电极为金电极。

8.根据权利要求1、2、3、4、5和7任一项所述的基于电极阵列的多重电化学生物检测微流控芯片，其特征在于：所述上基板和所述下基板采用热压键合组装。