微流控芯片安培檢測(cè)分析方法的研究進(jìn)展

宋千會(huì) 鹿愛(ài)娟 陳俊芳 陳傳品

摘要： 微芯片毛細(xì)管電泳安培檢測(cè)系統(tǒng)，具有高靈敏度、低成本、易于微型化等特點(diǎn)，且適用于氧化還原特性的分子，今年來(lái)的得到了人們廣泛的關(guān)注。本文綜述了安培檢測(cè)系統(tǒng)研究在檢測(cè)器設(shè)計(jì)、電極材料和應(yīng)用等方面的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：安培檢測(cè)；微芯片毛細(xì)管電泳；檢測(cè)器

Abstract： Recently microchip capillary electrophoresis amperometric detection system had attracted more and more concentration，with some advantages，like high sensitivity，low cost，easy to miniaturization and so on.This paper reviews the progress of amperometric detection systems in detector design， electrode materials and applications.

Keywords：Amperometric Detection； Microchip Capillary Electrophoresis； Detector

在毛細(xì)管電泳（Capillary Electrophoresis， CE）分離技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的微全分析系統(tǒng)（Micro total analysis system，TAS），因其操作簡(jiǎn)單、試樣消耗量少、分析速度快、分離效率高、易于微型化等優(yōu)點(diǎn)，一直呈現(xiàn)爆炸式的快速發(fā)展[1]。作為？TAS關(guān)鍵技術(shù)——檢測(cè)方法，也得到了快速的發(fā)展，各種分析方法被用于微芯片毛細(xì)管電泳（Microchip Capillary Electrophoresis， MCE），如激光誘導(dǎo)熒光，質(zhì)譜和電化學(xué)檢測(cè)（Electrochemical Detection， ECD）等[2， 3]。其中，ECD因其具有易于微型化，低成本，高效能和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為MCE應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)手段[4， 5]。

根據(jù)檢測(cè)原理，ECD可以分為安培檢測(cè)（Amperometric detection，AD），電導(dǎo)檢測(cè)和電位檢測(cè)三種模式。其中，AD依靠待分析物在工作電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流作為電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)，比電導(dǎo)檢測(cè)和電位檢測(cè)有更高的靈敏度和選擇性。適用于分析無(wú)機(jī)離子、氨基酸、酚類(lèi)物質(zhì)以及胺類(lèi)物質(zhì)，和易于微型化、集成化等優(yōu)點(diǎn)，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。?998年，Wolly 等首次成功的把CEAD系統(tǒng)集成于玻璃，引起了全球越來(lái)越多研究者的興趣[6]。

雖然CEAD分析技術(shù)是最常用的電化學(xué)檢測(cè)方法，兩個(gè)缺點(diǎn)限制了其商業(yè)應(yīng)用。首先，分離高電壓會(huì)破壞檢測(cè)器，并且會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生干擾降低檢測(cè)器性能；其次，WE（Working Electrode， WE）電極的穩(wěn)定性及其位置會(huì)影響AD的重現(xiàn)性?？朔@些障礙后，CEAD便攜式設(shè)備才會(huì)更有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，國(guó)內(nèi)外所涉及的研究?jī)?nèi)容主要包括芯片通道和檢測(cè)池的設(shè)計(jì)，各種集成化微電極的制備，分離電壓干擾的消除，微型安培檢測(cè)器的研制，以及在生命、環(huán)境、反恐等熱點(diǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用等。

1 檢測(cè)器的設(shè)計(jì)

檢測(cè)器的設(shè)計(jì)會(huì)影響微芯片的性能，特別是，WE的位置對(duì)CEAD譜帶增寬和分離高壓的隔離具有顯著影響。為了尋找一種具有高分辨率，持久穩(wěn)性，簡(jiǎn)單處理性和可以承受多次分離的檢測(cè)器，研究者改變WE相對(duì)于電滲流的位置，把AD分為在柱內(nèi)檢測(cè)，柱端檢測(cè)和離柱檢測(cè)[7]。

柱端檢測(cè)是將WE放置于毛細(xì)管柱末端分離通道末端幾十微米處，芯片制作簡(jiǎn)單，操作方便，是CEAD系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一中檢測(cè)模式[8]。離開(kāi)分離通道后分離電場(chǎng)會(huì)迅速降低，在一定程度上減小AD檢測(cè)過(guò)程中分離電壓的干擾[9]。但是檢測(cè)池中會(huì)有殘余電場(chǎng)的存在，不能完全隔離分離電壓，從而降低分離效率和檢測(cè)靈敏度，導(dǎo)致譜帶增寬[10]

離柱檢測(cè)是把WE設(shè)置電壓去耦器之后，使分離電流提前旁路到地，這樣WE所處的通道內(nèi)不在有分離電流通過(guò)，從而減小分離電壓的干擾。因此去耦器的性能會(huì)影響到檢測(cè)器的性能[11]。Rossier等人在微芯片上制作了直徑為510μm的微孔陣列作為去耦器，使得檢測(cè)響應(yīng)電流為5 nA分析物在50 V/cm的電場(chǎng)下半波電位偏移僅為15 mV[12]。Chen等在PMMA微芯片中放置了一個(gè)鈀（Pd）去耦器，并用于兒茶酚胺的檢測(cè)，LOD為0.29μM[13]。Lai等和Lacher等對(duì)Pb去耦器膜的厚度及距離通道出口的距離進(jìn)行優(yōu)化[14， 15]，但是這種金屬去耦器的壽命較短，不能完全的隔離分離電壓。

柱內(nèi)檢測(cè)，WE直接放置在分離通道上，并且使用電氣隔離使分離電流和檢測(cè)電流自成回路，互不干擾[16]。這種檢測(cè)模式，分析物在電極上傳遞的同時(shí)又被限制在分離通道內(nèi)，從而消除了末端檢測(cè)中存在的譜帶增寬，提高柱效。而且此法與末端檢測(cè)相比峰的偏斜和拖尾的情況會(huì)顯著改善。但是，柱內(nèi)檢測(cè)模式的主要缺點(diǎn)是分離高壓會(huì)導(dǎo)致WE上面電位偏移，從而影響檢測(cè)的重現(xiàn)性。為了克服這些缺點(diǎn)，Martin等在通道內(nèi)放置了一個(gè)電隔離的恒電位儀[16]。Chen等提出了一種并行雙通道的設(shè)計(jì)，把工作電極（Working electrode， WE）和參比電極（Reference electrode， RE）分別放置在分離通道和參比通道內(nèi)，使WE和RE處于等電位，能夠最大程度上消除來(lái)自分離電壓的干擾。

2 電極材料

電極材料會(huì)對(duì)檢測(cè)器的性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。工作電極的選擇主要取決于目標(biāo)分析物的特性和施加電位區(qū)的背景電流。目前，在CEECD的檢測(cè)其中使用較多的電極材料有碳[1719]，鉑[20]和金[21]是最常見(jiàn)的CEECD的電極材料。不同的電極材料或電極的形態(tài)會(huì)顯示不同的電學(xué)特性，所以不同的材料在CEECD中檢測(cè)性能也會(huì)不同。根據(jù)應(yīng)用于MCE的電極的材料和制作方法的不同，可以把電極分為碳電極、金屬電極、修飾電極。

考慮到電催化表面可以通過(guò)加速物質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)提高分析物的反應(yīng)活性，進(jìn)而提高AD檢測(cè)器的性能。所以，電極材料的進(jìn)一步改進(jìn)集中在研究可以和MCE耦合的電催化材料修飾的電極。

近來(lái)，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米材料展現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，如增強(qiáng)傳導(dǎo)性，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，提高分析靈敏度和選擇性，進(jìn)而納米粒子修飾的電極的結(jié)構(gòu)，尺寸及形態(tài)特征的不同展現(xiàn)出不同的電化學(xué)特性[22， 23]。其中，金納米顆粒和碳納米管，具有穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，電化學(xué)催化活性，較小的粒子直徑等特性，成為是最常見(jiàn)的修飾電極的納米材料[24， 25]。

3 應(yīng)用

隨著人們對(duì)環(huán)境和健康問(wèn)題越來(lái)越重視，對(duì)如何快速準(zhǔn)確的檢測(cè)有害物質(zhì)及殘留的監(jiān)測(cè)的興趣也急劇增加。微流控芯片技術(shù)具有高效、快速、便攜式等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用到化學(xué)、生物、臨床、環(huán)境監(jiān)測(cè)、免疫監(jiān)測(cè)和即時(shí)檢測(cè)等領(lǐng)域[2628]。特別是MCEAD分析技術(shù)，適用于具有氧化還原特性的物質(zhì)，如DNA片段，神經(jīng)遞質(zhì)，人體代謝產(chǎn)物，氨基酸，糖，炸藥及環(huán)境污染物等，這些物質(zhì)的分析與生活息息相關(guān)[29]。

4 總結(jié)與展望

隨著CEECD分析技術(shù)的發(fā)展，在接下引進(jìn)新的修飾電極，檢測(cè)器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的低成本、便攜式、可用于即時(shí)檢測(cè)的檢測(cè)器的研究將會(huì)有重大進(jìn)展，并對(duì)給毒性藥物、污染物、有機(jī)農(nóng)藥、生物、抗生素及其殘留物等的分析檢測(cè)提供更有利的支持。

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