專利名稱：芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電化學檢測器，特別是關(guān)于一種芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器。
背景技術(shù)：
生命科學和環(huán)境科學的發(fā)展對分離和檢測的要求越來越高，就分離本身來講，電泳、電色譜、微柱液相色譜和芯片電泳已能完成的很好，而檢測技術(shù)往往成為制約發(fā)展的瓶頸。電化學檢測(EC)和激光誘導熒光檢測(LIF)是目前使用的最為靈敏的兩種檢測技術(shù)。與LIF相比，EC易于微型化、集成化，特別適合于電泳、電色譜、微柱液相色譜以及芯片電泳的分離檢測，而且EC可用于檢測更多的物質(zhì)，可用于藥物、氨基酸、DNA、糖、肽、蛋白質(zhì)、神經(jīng)傳遞質(zhì)、無機離子、維生素和農(nóng)藥等物質(zhì)的檢測。近年來，微芯片電泳發(fā)展迅猛，最終有可能取代傳統(tǒng)毛細管電泳，而且毛細管電泳中使用的電化學檢測技術(shù)基本上都可以移植到微芯片電泳中，因此，研制微芯片式高靈敏電化學檢測器具有十分重要的意義。電化學檢測器包括安培檢測器，電導檢測器，伏安檢測器和電位檢測器，其中安培檢測器和電導檢測器使用最為廣泛。電導檢測器是根據(jù)帶電組分對溶液電導率的貢獻進行檢測的，只要是離子型組分均有響應，因此是一種通用型檢測器，尤其適合無機離子、氨基酸等小分子化合物的檢測。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、易于微型化、集成化、通用型的特點，在微流控分析系統(tǒng)中極具潛力。
目前微流控芯片上的電導檢測器一般采用在柱(on-column)檢測方式，根據(jù)電極與待測溶液接觸與否，電導檢測器可分為接觸型檢測[Kaniansky D，Masar M，Bielcikova J，et al，Anal.Chem.2000，723596 Grass B，Neyer A，Jonck M，et al，Sens.Actuators B.2001，72249]和非接觸檢測兩種。接觸型電導檢測器由于電極與通道內(nèi)溶液直接接觸，會出現(xiàn)以下問題1、電導檢測往往不能和電泳分離高壓有效隔離，會因為“共地”的原因產(chǎn)生“漏電”干擾，基線噪聲增大。2、電導檢測往往不可避免地使傳感電極與溶液間的電活性物質(zhì)發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生氣泡使基線噪聲增大或污染電極。3、通道流體中的物質(zhì)因吸附造成電極污染。
非接觸型電導檢測器出現(xiàn)于1998年，由于檢測電極同溶液不接觸，解決了傳統(tǒng)電極易污染的難題，目前很受重視。美國的普馬拉(Pumera)等人[Pumera M，WangJ，Operkar F，et al，Anal.Chem.2002，721968]雖曾經(jīng)在毛細管電泳芯片上制作了一種電容耦合非接觸式電導檢測器，但其應用仍存在許多困難。目前文獻報道的最好結(jié)果為對一些無機離子的檢測達到1μM水平，已經(jīng)同直接電導檢測的水平相當，但比安培檢測的檢測限高一到兩個數(shù)量級，還需要進一步提高其檢測靈敏度和降低檢測限。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其可以顯著提高檢測靈敏度、選擇性、信噪比，降低檢測限。
為達到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其包括依序連接的函數(shù)信號發(fā)生器、微流控芯片、信號放大器、信號采集器及信號記錄器；所述微流控芯片包括一基片和一蓋片；所述基片上設(shè)置有一通過分離通道連接的緩沖溶液池和出口溶液池，以及分別連通所述分離通道的樣品池和廢液池；所述蓋片的一面與所述基片對應設(shè)置有緩沖溶液池、出口溶液池、樣品池和廢液池；其特征在于所述蓋片的另一面沿所述基片上的分離通道間隔刻蝕有2～10個凹槽，在每一所述凹槽內(nèi)分別嵌設(shè)有一檢測電極，其中一所述檢測電極連接所述函數(shù)信號發(fā)生器，其它所述檢測電極分別連接所述信號放大器。
所述蓋片上的檢測電極的數(shù)量為4～8個。
所述蓋片上的檢測電極的數(shù)量為5～6個。
連接在所述緩沖溶液池和出口溶液池之間的分離通道為2～10條，所述蓋片上的檢測電極為2個，且分別跨設(shè)在每一所述分離通道上。
所述分離通道為4～8條。
所述分離通道為5～6條。
所述各檢測電極之間沿所述分離通道方向的距離為0.5～2mm。
所述各分離通道之間的距離為0.5～2mm。
所述檢測電極的材料為金、鉑、碳纖維中的一種。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于在微流控芯片的蓋片上表面沿分離通道間隔設(shè)置了多個凹槽，并在每一凹槽內(nèi)分別嵌設(shè)檢測電極，使電極與封合的分離通道不在同一表面，因此有效地解決了電極與分離通道內(nèi)溶液直接接觸帶來的各種問題，同時與現(xiàn)有非接觸型電導檢測器相比，采用本發(fā)明的檢測電極設(shè)置方式，其制作方法簡單，可靠性和穩(wěn)定性均有較大增強。2、本發(fā)明將多個檢測電極中的一個檢測電極作為輸入電極連接函數(shù)信號發(fā)生器，其余的全部作為輸出電極連接信號放大器，因此可以檢測每一個輸出電極與輸入電極之間的信號變化，并將各檢測信號累加，實現(xiàn)提高檢測靈敏度、選擇性、信噪比，降低檢測限的發(fā)明目的。3、本發(fā)明由于在微流控芯片基片上的緩沖溶液池和出口溶液池之間的設(shè)置了多條分離通道，并將兩電極跨設(shè)在每一所述分離通道上，因此可以檢測每一通道兩電極之間的信號變化，并將檢測信號累加，同樣可以達到實現(xiàn)提高檢測靈敏度、選擇性、信噪比，降低檢測限的發(fā)明目的。本發(fā)明可以明顯提供痕量檢測精度，它可以廣泛用于各種毒品分析、生化、環(huán)境等復雜樣品的分離檢測。


圖1是本發(fā)明的組成示意2是本發(fā)明實施例一的微流控芯片整體結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明實施例一的微流控芯片基片結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明實施例一的微流控芯片蓋片結(jié)構(gòu)示意5是本發(fā)明實施例二的微流控芯片結(jié)構(gòu)示意6是本發(fā)明實施例三的微流控芯片結(jié)構(gòu)示意7是電容耦合非接觸電導監(jiān)測器的等效電路圖具體實施方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器包括函數(shù)信號發(fā)生器1、微流控芯片2、信號放大器3、信號采集器4及信號記錄器5。其中函數(shù)發(fā)生器1可以輸出作為信號發(fā)生源的交流電壓信號，微流控芯片2上設(shè)置有檢測電極15，由檢測電極15輸出的電流信號經(jīng)過信號放大器3輸出電壓模擬信號，再由信號采集器4將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號提供給信號記錄器5進行數(shù)據(jù)采集和處理。本發(fā)明的特點主要體現(xiàn)在微流控芯片2上，下面通過幾個實施例進行詳細說明。
實施例一如圖2所示，微流控芯片2由一具有分離通道14的基片10(如圖3所示)與一集成有檢測電極15的蓋片20(如圖4所示)組成。如圖3所示，基片10的一端設(shè)置有緩沖溶液池11，另一端設(shè)置有出口溶液池16，二者之間通過分離通道14連接。在靠近緩沖溶液池11的分離通道14兩側(cè)分別設(shè)置有與分離通道14連通的廢液池12與樣品池13。如圖4所示，蓋片20的兩個面，其下表面與基片10封合，且與基片10對應設(shè)置有緩存溶液池11、廢液池12、樣品池13和出口溶液池16。蓋片20的上表面刻蝕有兩個凹槽，在兩個凹槽內(nèi)分別嵌設(shè)一檢測電極a、b，電極的材料可以是液體的金、鉑等金屬澆鑄在凹槽內(nèi)，也可以是鑲嵌在凹槽內(nèi)的碳纖維等。兩個檢測電極a、b可以平行排列在分離通道14的一側(cè)(圖中未示出)，也可以分別位于分離通道14的兩側(cè)(如圖4所示)，兩個檢測電極a、b之間沿分離通道14的方向相距0.5～2mm，例如0.8mm、1.2mm、1.5mm等，其中一個檢測電極a作為輸入電極連接信號發(fā)生器1，另一個檢測電極b作為輸出電極連接信號放大器3，從而組成了兩個電極體系的單通道微流控芯片2的結(jié)構(gòu)。
實施例二如圖5所示，微流控芯片2的基片10上的分離通道14為一條，而與分離通道14配合的檢測電極15卻包括設(shè)置在蓋片20上的五個檢測電極a、b、c、d、e，五個檢測電極15可以都設(shè)置在分離通道14的一側(cè)，也可以檢測電極a與其它檢測電極b、c、d、e分列在分離通道14的兩側(cè)，其中一個檢測電極a作為輸入電極連接信號發(fā)生器1，另外四個檢測電極b、c、d、e作為輸出電極分別連接信號放大器3，從而組成了多電極體系的單通道微流控芯片2的結(jié)構(gòu)。
上述實施例中，電極的材料和制作方法，以及各檢測電極15之間沿分離通道14的方向的間距與實施例一相同，檢測電極15的數(shù)量還可以是6個、或4～8個、或3～10個。
實施例三如圖6所示，微流控芯片2的基片10上的緩沖溶液池11與出口溶液池16之間連接有5條分離通道141、142、143、144、145，而在蓋片20上僅設(shè)置兩個檢測電極a、b，且兩個電極a、b分別跨設(shè)各分離通道141、142、143、144、145，信號發(fā)生器1連接在檢測電極a上，檢測電極b連接信號放大器3，從而形成兩個電極體系的多通道芯片結(jié)構(gòu)。
上述實施例中，電極的材料和制作方法，以及各檢測電極15之間沿分離通道14的方向的間距與實施例一相同，分離通道的數(shù)量還可以是6條、或4～8條、或2～10條。
本發(fā)明芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器的工作原理和方式如下如圖2所示，將設(shè)置有檢測電極15的蓋片20和具有分離通道14的基片10封合即制作成非接觸型電導檢測器，即兩個電極a、b和其間的通道14以及其中的溶液組成了電容器，當在兩個檢測電極a、b之間施加高頻交流電時，溶液中離子會發(fā)生遷移，產(chǎn)生電導電流；另外，離子、偶極分子內(nèi)部的電荷在高頻電場的作用下產(chǎn)生瞬時定向極化和變形極化形成極化電流，這種極化電流在交流電頻率達到1MHz時，即可與電導電流達到同一數(shù)量級。當交流電頻率很高時，慣性離子的遷移速度往往跟不上外加電場頻率的變化。因此，總存在一個交流電頻率范圍，使得電導響應最佳。如圖7所示，當函數(shù)信號發(fā)生器1施加正弦交流信號時，微流控芯片2的兩個檢測電極a、b分別同分離通道14內(nèi)的溶液構(gòu)成一個電容Cw，兩個檢測電極a、b之間的溶液相當于一個電阻R。兩個檢測電極a、b在高頻交流電作用下，通過通道內(nèi)的溶液耦合形成閉合回路，回路中電流滿足歐姆定律Ip-p＝Vp-p/Ztotal(Ztotal＝R+Zc))，當樣品流經(jīng)檢測電極a、b時，由于樣品和背景緩沖溶液電導的差別，引起電阻R的改變，使得的總阻抗Ztotal發(fā)生變化，改變了回路中電流的大小，電流的改變ΔIp-p即是反映樣品濃度的信息。
如圖5所示，對于單通道多電極體系，由于只有一個分離通道14，卻具有n根(n大于2)平行檢測電極15的排列組合方式，因此當一種被分析物質(zhì)信號到達檢測電極a、b之間時，可以記錄1次信號，當信號到達檢測電極a、c之間時，又可以記錄1次信號，當信號到達檢測電極a、d之間時，還可以記錄1次信號…，以此類推，最后再將各信號累加(可進行n-1次累加)，進而達到增加信號值，降低隨機噪聲的作用，提高檢測靈敏度，降低檢測限的目的，同時可以提高痕量樣品的電導檢測能力。與實施例一相比，本實施例采用單通道5電極體系，信號增加近2倍。
如圖6所示，對于兩個電極的多通道芯片體系，由于存在多個分離通道(m大于2)，卻只有兩個檢測電極a、b，當各分離通道141、142、143、…等相同時，對任何一種被分析物質(zhì)，當樣品信號到達兩個檢測電極a、b之間時，由于R為一個通道的1/m，所以可以起到信號累加的效果(可進行m-1次累加)，同樣可以達到增加信號值，降低隨機噪聲的作用，提高檢測靈敏度，降低檢測限的目的，提高痕量樣品的電導檢測能力。與實施例一相比，本實施例采用5通道兩電極體系，信號增加近2倍。
權(quán)利要求
1.一種芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其包括依序連接的函數(shù)信號發(fā)生器、微流控芯片、信號放大器、信號采集器及信號記錄器；所述微流控芯片包括一基片和一蓋片；所述基片上設(shè)置有一通過分離通道連接的緩沖溶液池和出口溶液池，以及分別連通所述分離通道的樣品池和廢液池；所述蓋片的一面與所述基片對應設(shè)置有緩沖溶液池、出口溶液池、樣品池和廢液池；其特征在于所述蓋片的另一面沿所述基片上的分離通道間隔刻蝕有2～10個凹槽，在每一所述凹槽內(nèi)分別嵌設(shè)有一檢測電極，其中一所述檢測電極連接所述函數(shù)信號發(fā)生器，其它所述檢測電極分別連接所述信號放大器。
2.如權(quán)利要求1所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述蓋片上的檢測電極的數(shù)量為4～8個。
3.如權(quán)利要求2所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述蓋片上的檢測電極的數(shù)量為5～6個。
4.如權(quán)利要求1所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于連接在所述緩沖溶液池和出口溶液池之間的分離通道為2～10條，所述蓋片上的檢測電極為2個，且分別跨設(shè)在每一所述分離通道上。
5.如權(quán)利要求4所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述分離通道為4～8條。
6.如權(quán)利要求5所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述分離通道為5～6條。
7.如權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述各檢測電極之間沿所述分離通道方向的距離為0.5～2mm。
8.如權(quán)利要求4或5或6所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述各分離通道之間的距離為0.5～2mm。
9.如權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述檢測電極的材料為金、鉑、碳纖維中的一種。
10.如權(quán)利要求7所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述檢測電極的材料為金、鉑、碳纖維中的一種。
11.如權(quán)利要求8所述的芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其特征在于所述檢測電極的材料為金、鉑、碳纖維中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種芯片式電容耦合非接觸型電導檢測器，其包括依序連接的函數(shù)信號發(fā)生器、微流控芯片、信號放大器、信號采集器及信號記錄器；微流控芯片包括一基片和一蓋片；基片上設(shè)置有一通過分離通道連接的緩沖溶液池和出口溶液池，以及分別連通分離通道的樣品池和廢液池；蓋片的一面與基片對應設(shè)置有緩沖溶液池、出口溶液池、樣品池和廢液池；其中，蓋片的另一面沿基片上的分離通道間隔刻蝕有2～10個凹槽，在每一凹槽內(nèi)分別嵌設(shè)有一檢測電極，其中一檢測電極連接函數(shù)信號發(fā)生器，其它檢測電極分別連接信號放大器。本發(fā)明可以顯著提高檢測靈敏度、選擇性、信噪比，降低檢測限，可應用于毒品分析、生化、環(huán)境等痕量復雜樣品的分離檢測。
文檔編號G01N27/30GK1804607SQ20051006834
公開日2006年7月19日 申請日期2005年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者羅國安, 陳令新, 馬賽, 姚波, 王義明 申請人:清華大學