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在聚碳酸酯微流控芯片上制备集成化微电极及其应用于芯片毛细管电泳安培检测系统的研究

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第一章文献综述

1.1芯片毛细管电泳安培检测器

1.2高聚物芯片

参考文献

第二章 用光敏化选择性化学镀法在聚碳酸酯(PC)基片上制作金属微电极

第三章 集成化聚碳酸酯(PC)毛细管电泳-安培检测芯片的制备及在神经递质分离分析中的应用

第四章 用光胶做挡光层的紫外光刻掩膜及应用于高聚物芯片表面的选择性光化学改性

第五章 导电高聚物-聚苯胺(PAn)修饰的高灵敏金膜微电极

致谢

附录:

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摘要

近年来，以分析仪器微型化、集成化、便携化为最终目标的微全分析系统的研究得到了迅猛的发展。检测器是微全分析系统必不可少的单元。通常使用的激光诱导荧光(LIF)或质谱(MS)检测器体积庞大，不利于实现微型化的目标，且价格昂贵，难以得到普及。电化学安培检测是一大类常用的分析测试方法，具有灵敏度高、传感电极易于集成在芯片之上，且信号处理系统等外围设备比较简单，易于实现微型化。 制备微流控芯片的材料通常是玻璃或石英。然而石英与玻璃加工困难，大批量生产成本较高，且玻璃在湿法刻蚀中的各向同性使微通道难以得到较高的深宽比。高分子材料具有品种多、可供选择的余地大、加工成型方便、价格便宜等优点，非常适合于大批量制作一次性微流控芯片。 本文研究在高聚物基片上制备安培检测微电极的方法、技术和原理，在此基础上，研制全高聚物的毛细管电泳-安培检测芯片，并应用于生物活性物质的分离分析。 全文共分五章： 第一章，对芯片毛细管电泳安培检测系统和高聚物微流控芯片的发展进行了评述。 第二章，研究了以选择性光化学改性与化学镀相结合在聚碳酸酯(PC)表面制作金属膜微电极的方法、技术及相关原理。以低压汞灯为辐射源，通过掩膜对PC表面选择性区域进行光化学改性，光照区域(电极图形)所生成的活性基团经过一系列的化学反应，形成了化学镀所必须的催化中心，最后经化学镀即可在PC表面选择性地镀上金或铜膜微电极。研究了光源种类、光照时间等因素对光化学反应的影响，采用多种技术对经历光化学反应和化学反应的PC表面进行表征。针对化学镀过程中出现的过镀现象，提出了用硫氰酸钾溶液超声清洗的抑制过镀的方法。采用本法制备的金膜微电极尺寸精确，边缘平整，具有与金盘电极相似的电化学性质，而且整个制备过程无须洁净室和贵重的设备，可以在普通的化学实验室中完成。 第三章，在第二章的基础上，研究制备了毛细管电泳-安培检测PC芯片，并在该芯片上分离检测了神经递质多巴胺(DA)和儿茶酚(CA)。将镀有金膜微电极的PC盖片和带有十字通道的PC基片在显微镜下对准，使电极和通道出口的距离保持在20±5μm，用二氯甲烷滴加在芯片四角，实现PC基片和盖片的暂时固定，夹紧后，于150℃热封合，制备成带有集成化工作电极的毛细管电泳-安培检测PC芯片。 以MES作为分离缓冲液，应用所研制的集成化毛细管电泳-安培检测PC芯片成功分离和检测了多巴胺(DA)和儿茶酚(CA)。分离效率分别为1.4×104和3.4×104塔板/m，检测限(3σ)分别为0.65和1.03μmol/L，五次连续进样分离测定，迁移时间的RSD分别为1.5％和5.4％。与PDMS和玻璃组成的“杂交”式同类芯片相比，分析性能明显改善。所制备的金膜工作电极可以工作4个小时左右，通常情况下，使用寿命可达100次以上。 第四章，研究用涂覆AZ-4620正性光胶的石英板代替镀铬石英板作为掩膜，用于以低压汞灯(主要辐射254nm紫外光)为辐射源的PC表面选择性区域的光化学改性。曝光显影后的AZ正性光胶对远紫外光有强烈的吸收，其中200-285nm区域内的紫外光几乎不能透过厚度为10μm以上的光胶层。因此，将AZ光胶涂覆于石英板后，经光刻、显影等简单的步骤制备的涂AZ光胶石英掩膜，可用以替代镀铬石英板对PC片进行选择性区域的光化学改性。试验表明，使用该涂AZ光胶石英掩膜对PC进行选择性光化学改性，再结合化学镀技术制作的金微电极与采用镀铬石英掩膜所制备的电极精度相似。对由于非准直紫外光衍射而造成的金属微结构展宽现象进行了详细的研究，提出了防止金属微结构展宽的方法。应用该掩膜在PC片上制备了为芯片毛细管电泳-安培检测系统设计的单个工作电极和阵列三电极。 第五章，研究了用导电高分子聚苯胺修饰以光化学改性/化学镀法在PC片基上制备的金膜微电极。采用循环伏安法在金膜微电极的传感部分沉积了一层聚苯胺。不同pH值下的循环伏安实验表明聚苯胺修饰电极的电化学活性随pH的升高而下降，当pH值在5以上时，聚苯胺已基本没有电化学活性。在实验所使用的缓冲溶液的pH值范围内，聚苯胺修饰电极具有良好的电化学可逆性。循环伏安实验表明，多巴胺(DA)在聚苯胺修饰金微电极上的氧化电位比在裸金微电极上的氧化电位向负方向移动了70毫伏，而氧化电流却比在裸金微电极了大了～100倍。这显示了聚苯胺修饰金膜电极用于PC芯片毛细管电泳-电化学检测时在减少干扰、降低检测限方面的巨大潜能。 本论文的主要创新点： 1，创立以光化学改性/化学镀技术在聚碳酸酯(PC)表面的指定区域制作金和铜膜微电极的方法和工艺，以此为基础，研制成功集成有金膜微电极的聚碳酸酯毛细管电泳-安培检测芯片并用于多巴胺(DA)和儿茶酚(CA)的分离检测，分析性能优于PDMS/玻璃“杂交”式芯片。 2，发明了简易实用的涂AZ光胶石英掩膜，用此掩膜可代替镀铬石英掩膜对PC进行表面选择性区域的光化学改性。 3，通过电化学氧化，在以光化学改性/化学镀技术制备的金膜微电极上修饰了聚苯胺，提出将此修饰电极用于芯片毛细管电泳-安培检测的设计思想。

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