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纳米科技发展丨生物化学微传感器系统及应用

  

 

  纳米科技的蓬勃发展创造了一系列新颖的、应用于各行各业的功能性纳米材料。随着纳米材料的广泛应用,它们的环境与人类健康效应引起了社会各界的广泛关注。环境毒理学研究着眼于寻找纳米材料理化性质与其环境健康效应间的构效关系,以实现快速而准确的判断各类纳米材料的环境影响,并为环境友好型纳米材料的设计、合成与应用提供新思路,促进纳米科技可持续发展。

  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。

  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。

  

 

  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

  

 

  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。

  

  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

  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。

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