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纳米科技前沿丨生物化学微传感器系统及应用

科学出版社 2019-05-14 15:04:19

信息技术是当今世界发展最为迅速的高新技术之一,信息感知(传感技术)、信息传输(通信技术)、信息处理(计算机技术)被誉为信息技术的三大支柱。而传感器是信息探测和信息获取的重要手段,其应用遍及诸多领域,检测对象种类繁多。生物化学微传感器是以生物活性物质或化学物质为检测对象的一类微型传感器。这门新颖的学科利用先进的微加工技术制备微型传感电极,然后结合纳米修饰技术、酶联免疫技术等多种敏感膜制备方法,可以研制诸多性能优异的微传感器。此种类型的传感器在健康监护、环境保护、智能农业等诸多领域都有广泛的应用前景。


随着自动控制技术的成熟和MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)技术的发展,机器人、微型航天器、生物芯片、LOC (Lab On Chip)的发展和需求,近年来国际上激起了人们对生物化学微传感器和微系统的重视,掀起了“传感器热”,在国内也出现重视该学科发展的学术态势。新型生物化学传感器不仅追求高性能、低功耗、低成本,而且向着微型化、集成化、系统化、自动化、智能化、网络化方面发展。


夏善红研究员等编著的《生物化学微传感器系统及应用》是基于她所主持的一系列国家重点科研项目的研究成果,集中围绕葡萄糖、糖化血红蛋白等生理指标和pH值、总磷、总氮、氨氮、化学需氧量、重金属离子等水体污染物指标的检测,系统地总结了生物化学微传感器的概念、国内外的研究动态及其研究团队多年的工作成果,重点介绍了该团队在水环境监测领域所提出的一种基于微传感技术的、多参数无线网络浮标在线监测系统,相关技术不但在防治水污染、维护生态环境方面能够发挥重要作用,并且可以和多种新型传感器节点技术相耦合,应用于智能交通、公共安全、城市云平台等诸多领域,具有较大的发展潜力。


全书共13 章。第1 章简述生物化学微传感器及系统的基本概念和发展概况;第2 章阐述生物化学传感器的基本原理;第3 章介绍微传感器芯片系统制备技术;第4 章阐述生物化学微传感器增敏方法;第5 章~7 章介绍生物医学微传感器及系统;第8~13 章介绍环境监测微传感器及系统。鉴于生物化学微传感器的广泛应用,各种传感器的检测参数不同,难以涵盖各方面的内容,所以本书集中介绍一些具有代表性的传感原理、方法和技术。


重金属离子的分离富集与传感器的微纳集成技术


分离富集技术与传感器技术的紧密结合是必然趋势。以往那种消耗大量试剂及人力以得到精确结果的做法已经不可行,分析技术的发展要求尽量减少试剂的消耗,减少产生有害的废弃物,尽可能循环使用材料,同时减小人工劳动强度。目前的分离富集与传感技术的集成主要以大型仪器为平台。传统的溶剂萃取、蒸馏、离子交换、沉淀过滤等操作都已能自动化实现,比较引人注目的技术是流动注射,它是样品自动化处理的重要技术。

 

随着传感器系统的小型化、微型化发展,与之相匹配的分离富集系统小型化和微型化也是必然的需求。这样不仅使采样量更小,也使测量过程中的各种试剂及能源消耗均实现最小化,使测量工作更加环境友好,并且能更大频度地进行。然而分离富集在微型化方面的进展相对落后于微传感器的发展。目前分离富集的微集成技术尚在研究当中,还没有成熟的产品出现。其中比较重要的进展是微流控芯片和各种微萃取技术。

 

微流控芯片实验室又称为芯片实验室或微流控芯片,是把化学和生物等领域所涉及的复杂样品的处理集成到芯片上的技术。1995 年国际上出现了首家从事芯片实验室的公司,当时的芯片实验室是以毛细管电泳开始的。1999 年9 月,美国Agilent 公司与Caliper 公司联合推出了世界首台微流路芯片商品化仪器。此后其他公司也陆续将其产品推向市场。2002 年,Science 杂志刊登关于微流控大规模集成芯片的文章,介绍了集成有上千个阀和几百个反应器的芯片,显示了微流控芯片实验室由简单的电泳分离向大规模多功能集成实验室的飞跃。微流控芯片与半导体、MEMS技术相结合是大势所趋。这些技术将使微流控芯片超越简单的流体控制和电泳操作,向着真正的具备复杂预处理和检测功能的微全分析系统迈进。将分离富集在微流控芯片上集成主要涉及了微混合器、微反应器和微分离器的设计,微分离器(micro separator)是其中的难点。目前很多实验室在从事这方面的研究,已有一些微分离器被研发出来,被用于亚微升和纳升量级的油水两相的分离。这些研究设计能够实现非密度作用的、连续流的液液分离。



传统的液液萃取法(liquid-liquid extraction,LLE)是使用分液漏斗以与水不互溶的溶剂按溶解度差异,从水溶性环境或环境样品中提取分析物。近年来,全世界多个研究小组致力于微缩化的液液萃取技术,称为液相微萃取(liquid-phase microextraction,LPME)。1995 年,Liu 和Dasgupta用石英毛细管末端的几微升溶剂液滴收集气体样品中的氨气和二氧化硫,首次提出了单滴液相微萃取(single drop liquid phase micro extraction,SD-LPME)模式。1999 年,Pedersen-Bjergaard等首次建立了中空纤维液相微萃取(hollow fiber liquid phase micro extraction,HF-LPME)技术。体系的核心是用多孔材料的中空纤维作为溶剂的载体,孔壁内填充一定体积的萃取剂,将其置于样品溶液中,在一定的搅拌下实施萃取。其本质是一种微缩化的膜分离液相萃取体系。Rezaee 等在2010 年报道了分散液相微萃取(dispersive liquid phase micro extraction,DLPME)模式。其本质是将萃取溶剂分散成极细小的液滴,形成白色云雾状的微乳浊液对目标化合物进行萃取。萃取结束后,通过离心等方法聚集萃取相并进行分析测定。经过近二十年的快速发展,已证明液相微萃取是一种快速、有效、廉价的样品前处理方法,有毒试剂用量微乎其微。其主要特点如下:

 

(1)应用范围广,可应对各种无机物,有机物,挥发物和半挥发物,离子型、极性和非极性化合物,可适用于环境、临床、食品、饮料、药物等各种各样的样品的分析。


(2)装置廉价,一般仅需样品瓶、进样器、搅拌器等常规装置。


(3)步骤简便,集采样、净化、浓缩为一体,减少了污染和分析物损失。


(4)萃取时间短,可以满足快速分析的需求。


(5)与后续方法相容性好,一般容易直接进样而进入色谱分析仪器,与光谱类仪器也较容易连接。


(6)选择性高,可以按需求选择不同极性、强度、熔沸点的溶剂,特别是离子液体被用于该方法时可提供上万种溶剂的选择余地。


(7)在液相微萃取中相比率很小,样品可以得到很大程度的浓缩,浓缩倍数可高达上千倍。


(8)相比固相萃取,液相微萃取每次采用清洁的溶剂,避免了性能衰减和记忆效应。

 

在传感器的应用实践中,对重金属的检测常常因共存组分的干扰及识别元件本身灵敏度的限制而难以得到准确结果,单纯改进和提高识别元件,容易遇到瓶颈。分析技术领域的经验表明,任何一种方法都具备各自的特点和局限性,要实现精密检测,通常都依赖一系列技术手段的有机结合,以发挥各自特点,弥补不足。

 

分离富集技术应用于样品的前处理阶段,能实现待测物质的浓缩和纯化,可使识别元件实现高灵敏度和可靠性,其与传感技术的集成具有重要的研究价值。

 

分离富集的在线系统实现


在分散液相微萃取领域虽已有很多实施方法,但快速、便捷、经济、绿色的方法仍然是追求的目标。实验中观察到辛基吡啶离子液体在水中的饱和溶解度受到溶液中的共存高氯酸根阴离子影响,本部分据此提出了一种新的分散液相微萃取方法。

 

经测量,[OPy][BF4]的饱和溶解度与高氯酸钠浓度近似为负指数关系。随着高氯酸根浓度增加,离子液体饱和溶解度呈负指数下降。在已饱和的离子液体溶液中加入高氯酸钠,则会使离子液体过饱和,析出成为微小液滴,使溶液呈乳浊液状态,如图1 所示。之后将此乳浊液离心,可在离心管底部收集到少量的析出离子液体。这种方法我们称之为盐控分散液相微萃取,该方法只需要简单混合两种液体,萃取速度快,操作便捷,适合微系统集成。


图1 盐控离子液体分散液相微萃取过程

(a)含有待萃取物(苏丹红)的饱和离子液体原液;(b)加入高氯酸钠瞬间;(c)混合均匀的乳浊液;(d)离心后


图2 在线盐控离子液体分散液相微萃取及分离和检测机构示意图

 

采用了六种常见染料对在线萃取系统进行性能验证。染料为有机大分子,通常含有多个碳环作为显色基团,其溶液浓度可通过分光光度计测定。

 

以日落黄为例,分光光度计所读取的洗脱曲线如图3(a)所示。曲线首先快速上升,出现明显的尖峰,随后缓慢下降。说明大部分离子液体是由有机溶剂的最初段冲洗下来的,其中携带了大部分的待测物日落黄。将吸光度峰值与日落黄浓度作图可得在线系统的分析曲线如图3(b)所示。


图3 在线萃取系统对日落黄的吸光度洗脱曲线(a)及由吸光度峰值拟合的分析曲线(b)


表1 在线盐控微萃取-流动池分光光度检测系统对六种色素分子的分析性能,与同光程比色皿测量对比


用于铜、铅、锌同时检测的环保型微传感芯片研究


重金属微传感芯片制备


电极是电化学传感器的核心元件,电极的结构设计决定传感器的性能。常用的固体电极材料多为贵金属材料和各种碳电极,如金电极、铂电极、银电极、玻碳电极、石墨电极等。金、铂电极易与微电极加工技术相结合,因此被广泛应用于微电极的制备。


图4 铂电极和金电极在0.1mol/L 醋酸缓冲溶液(pH=4.5)中的循环伏安表征图

 

金电极在﹣0.8~1.0V 电位范围内所得循环伏安曲线平滑,无氢气的析出,而铂电极在负电位范围内无平滑的曲线。因此,与铂电极相比,金电极更适合宽电位范围的研究。对电极的面积一般比工作电极大,这样可降低对电极的电流密度,使其在测量过程中基本上不被极化。由于铂的电化学性质稳定,因此常用铂电极作为对电极。参比电极是决定工作电极电位的重要因素,用于稳定工作电极电位并确定电流-电压曲线中的峰电位,常用的参比电极有饱和甘汞电极和 Ag/AgCl电极。一般的电化学体系中使用的都是商品化的外置参比电极,将参比电极集成于微电极上的报道相对较少。本实验的工作电极采用金电极作为基底电极,参比电极采用外置饱和甘汞电极或饱和Ag/AgCl 参比电极,对电极采用片上铂电极。

 

用于电化学检测的电极形状也多种多样,常用的电极有圆盘电极、球形电极、柱形电极、条形电极、圆环电极等。对于电化学反应系统,为了得到优异的电化学特性,要求工作电极的各个工作点相对于对电极具有较为均匀的电流密度分布,即具有较为均匀的电场分布。近年来随着微加工工艺的发展,电极微型化引起了研究者的兴趣。因为传统电化学电极存在一些缺点,如体积大、无法批量生产、制作成本高、电极一致性差和三电极不易集成等。微电极不仅可以节约电极材料和测试试样,还可以将三电极体系集成在同一基体上,满足特殊场合下的测试需要。

 

图5 微电极芯片制备过程及封装后的电极芯片实物图


采用标准MEMS 工艺在玻璃基底上制备微传感电极芯片,制备过程及封装好的电极照片如图5 所示。采用了光刻、溅射、剥离等标准微纳米加工工艺,工作电极为金电极,对电极和准参比电极为铂电极。电极芯片系统采用“圆-圆环-圆环”同心式分布,具有电极表面电位和电场分布均匀的特点。该结构的电场与电极表面溶液扩散方向一致,可较好地抑制电流噪声,改善传感器的响应性能。为了精确控制工作电极的敏感面积,采用SU-8 层为绝缘层,绝缘后芯片中心圆形工作电极面积为1mm2。后经划片、金丝球压焊和封装,制得重金属微传感电极芯片。电化学检测实验均在三电极体系下完成,工作电极和对电极为采用MEMS技术制备的微传感电极,由于芯片上的准参比电极不能维持准确的电极电位,采用外置的饱和甘汞电极或饱和Ag/AgCl 电极作为参比电极。

 

Sn/GNPs/微传感电极芯片的实验参数优化


考察了纳米金沉积时间[图6(a)]、Sn 离子浓度[图6(b)]、富集时间[图6(c)]及富集电位[图6(d)]对500μg/L Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)标准溶液的方波溶出伏安响应的影响。


图6 Sn/GNPs/微传感电极芯片的实验条件优化

(a)纳米金沉积时间;(b)Sn 离子浓度;(c)富集时间;(d)富集电位

 

分别考察了纳米金沉积时间为60s、180s、300s、420s 和540s 时,Sn/GNPs/微传感电极芯片对500μg/L Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)标准溶液的方波溶出伏安响应。随着纳米金沉积时间的增加,响应逐渐增强,300s 后响应趋于平缓,因此选择纳米金的沉积时间为300s。


图7 溶液酸度对Sn/GNPs/微传感电极芯片的影响

(a)不同酸度下的溶出伏安曲线;(b)不同酸度与峰电流的关系图

  

高灵敏度和低检测限的超微电极阵列传感器芯片研究


重金属超微电极阵列传感器芯片制备


近年来随着微电极工艺的发展,电极微型化引起了研究者的兴趣。随着电极半径的减小,扩散传质速率越来越高,因此从超微电极上可获得比常规电极更高的电流密度。超微电极具有高的传质速率,较大的法拉第电流,而其双电层充电电流却较小,因此信噪比较高,可明显提高分析的灵敏度,降低检测限。使用常规电极时,考虑到IR 降的影响,扫描速率不能过快,而在超微电极上,流过电极的电流极微,IR 降极低,因此有利于高阻抗介质或无支持电解质溶液中的电化学研究。与传统的电化学电极相比,超微电极具有传质速率高,IR 降低,小的时间常数和信噪比高等优点,非常适合电化学快速有效检测,易于实现自动化,为现场检测水质污染物开辟了新的前景。

 

与常规电极的一维扩散理论不同,超微电极的电化学理论建立在多维扩散理论基础之上。沿着半径方向的扩散作用称为非线性扩散或径向扩散,垂直于电极表面的扩散作用称为线性扩散。对于有限尺寸的电极,电流经过一定时间衰减后达到稳态,这个稳态电流来自非线性扩散。随着电极尺寸的减小,物质的扩散变得与电极的大小和几何形状有关。半径很小的超微电极,其半径与扩散层的厚度相差不大,在电极的表面能形成半球形的扩散层,非线性扩散(即边缘效应)起主导作用,线性扩散只起次要作用,因而所得的电流在短时间内即可能达到稳态,而且具有很大的电流密度。所谓超微电极上存在强烈的边缘效应,从本质上讲就是具有较大的径向扩散作用,超微电极传质速率很高,具有较大的法拉第电流if,而其双电层充电电流ic却较小,所以信噪比较高(S/N=if/ic)。流经超微电极的电流为法拉第电流与充电电流的加和,超微电极上的法拉第电流密度很大,而且充电电流衰减得很快,有助于提高法拉第电流与充电电流的比值,增大信噪比,可明显提高分析的灵敏度,降低检测限。

 

单个超微电极的电流非常低,为皮安至纳安级,大量超微电极组成的超微传感阵列电极可在降低信噪比、提高测量灵敏度的基础上,获得翻倍的电流信号,而且保持单一超微电极的优良特性,因此常常使用的是超微电极阵列(ultramicroelectrode array,UMEA)。超微电极阵列的扩散理论与单一超微电极有所不同,超微电极阵列的扩散形式与相邻两电极单元的间距、扩散时间和电压扫描速率有关。在足够长的时间下,扩散层相互重叠,电极行为就如同几何表面积相同的整体电极一样。扩散层从孤立到混合的精确时间范围取决于独立超微电极的间隙及其尺寸。超微电极阵列上超微电极之间的距离必须保持一定数值,保证各个超微电极之间扩散层没有重叠,才能得到最大的传质速率。另外,电极间的距离过大会导致阵列电极的整体尺寸变大或者电极阵列中所含有的阵列元素数目减小,增加制作成本。所以,找出相邻电极之间的最佳距离尤为关键,这个距离通常不应对超微电极阵列的电化学性质产生影响。实际经验表明,一般电极间距大于超微电极半径的十倍时,超微电极阵列可取得理想效果。

 

重金属超微电极阵列传感器芯片表面修饰方法


金属纳米粒子与块体材料相比的优势在于,界面的粗糙化增大了导电性能、有效表面积和催化性能,并提高了传质速率。沉积或修饰在电极表面的金属纳米粒子可能起到充当无序超微电极阵列的作用。金属纳米粒子的合成方法不同、粒子尺寸不同、体系pH 和支持电解质等因素都会对电极的性能造成影响。金纳米粒子(AuNPs)由于具有大的比表面积及良好的稳定性被广泛用作电极修饰材料,研究采用电沉积纳米金的方法对超微电极阵列进行了表面修饰,沉积溶液为1mmol/L HAuCl4溶液,沉积电位为﹣0.3V,沉积时间为15s,15s 后纳米金开始向超微电极外侧生长,增大了超微电极的半径,减小了超微电极之间的间距,间距与半径之比减小,影响电极的传质速率。

 

纳米金修饰超微电极阵列的形貌分析


 图8 纳米金修饰UMEA-20 的SEM 表征图(a)及局部放大图(b)


图8 为沉积纳米金后,超微电极的SEM 表征图及局部放大图,微观形貌表明,纳米金粒子已成功组装到电极的表面,粒径约为30nm,而且超微电极的电极结构未受到破坏。



本文摘编自夏善红,周宜开等著《生物化学微传感器系统及应用》第12章部分内容,略有删减改动。



生物化学微传感器系统及应用

作者:夏善红,周宜开 等

责任编辑:张淑晓,孙曼

北京:科学出版社,2018.3

ISBN:978-7-03-055222-8


生物化学微传感器系统及应用基于作者在生物化学微传感器领域多年的研究工作而撰写,阐述了生物化学微传感器的基本原理、制备技术、增敏方法、样品预处理、系统集成及应用等方面的内容,总结了科研团队承担国家自然科学基金重点项目“生物微传感集成化芯片系统基础研究”、973 计划项目“水环境监测无线网络微传感器芯片系统基础研究”和“超灵敏微纳生物化学传感器集成自治系统基础研究”、863 计划项目“基于微纳制造技术的高性能传感器集成芯片系统”等一系列国家科研项目的研究成果。作者力图结合自身的科研经历撰写一本有关生物化学微传感器系统及应用的书,将一些研究体会和经验与读者分享。


全书阐述了生物化学微传感器及系统的基本概念、工作原理、关键技术等;介绍了本学科领域的发展概况和研究动态;以生物医学、环境监测等方面的应用为例,论述了新型生物化学微传感器系统研制所涉及的一些研究方法与核心研究内容,包括微纳结构、敏感材料、增敏方法、样品预处理、加工、封装、系统集成、无线组网、在线监测等。


(本期编辑:小文)

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