图解微流控｜第27期

电化学检测是通过电极将溶液中的待测物的化学信号转变成电信号以实现对待测组分检测的一种分析测试方法。

电化学检测的主要优势是灵敏度高、选择性好、体积小、装置简单、成本低廉，它的兼容性也不错，而且适合微型化和集成化。

根据电化学检测原理的不同，微流控芯片电化学检测可以分为三种检测方法，即安培法、电导法和电势法。

9.6.1 安培检测

安培检测法的原理是在工作电极上施加一个恒定的电极电位以引起待测物质在工作电极上发生氧化还原反应，同时输出在氧化还原过程中产生的电流，其输出的电流与待测物质的浓度成正比。

按照检测器放置位置的不同安培检测法可作如下分类，如图9-25所示^[28] 。

9.6.1.1 柱端安培检测

Mathies等提出了利用鞘流减小毛细管电泳柱端检测峰展宽的方法^[29]（见图9-26），可以实现在通道出口250 μm处对分析物的检测。这种方法由于使用了鞘流技术因而可以采用更粗的分离通道和更高的分离电压，同时减小电流的波动对检测结果的影响。实验者利用这种芯片对儿茶酚进行了检测，检测限可达4.1 μmol/L，通道出口的流速可达50 μm/s。

该便携式芯片电泳电化学检测系统尺寸仅为9.5 cm×11 cm×6.5 cm（宽×长×高），由四部分组成：①检测系统：电化学检测系统采用三电极体系，超低偏移电流精密运放OPA129完成电流电压转换，PGA204对采集来的信号进行放大处理。采用单片机自身的10 bit AD进行模拟数字信号转换，通过采样和数字平均提高分辨率和信噪比。②高压系统：采用两块EMCO HIGHVOLTAGE 公司的C系列高压模块来提供进样和分离电压，电压调节通过12 bit八路DA芯片TLV5630完成，最大可提供电压为4000 V。③芯片平台：采用工业化的印刷线路板工艺，制作微型化的芯片平台。④软件系统：操作软件采用VC++6.0编写，USB驱动程序采用WinDDK编写，可用上位机软件来控制整个系统的操作、参数设置和数据存取等功能。以肾上腺素为样本对系统进行考察，采用芯片电泳对肾上腺素和抗坏血酸进行分离，表明系统能很好的完成从进样、分离到检测的整个过程。连续五次运行电化学检测，迁移时间和峰高的相对标准偏差分别为3.37%和3.61%。采用PDMS芯片对肾上腺素的检测限为2.1 μmol/L。整个系统具有便携化、微型化、操作简便、成本低廉、性能稳定等优点。

9.6.1.2 柱内安培检测

Wu等人采用柱内阵列四电极检测牛胚胎发育过程中氧的消耗量，芯片示意图见图9-28，在该系统中一个牛胚胎可以沿着芯片内的凹槽依次通过四个检测电极，以此在线检测胚胎的耗氧量^[31]。

在芯片上对分散体系进行研究一直是微流控研究领域的一个热点。Lindsay等人建立了一个基于液滴检测的微流控分析平台。在该平台上采用传统的三电极检测模式，对流经液滴进行在线快速检测，见图9-29^[32]。

9.6.1.3 柱后安培检测

柱后安培检测的电极放置方式与柱内安培检测相似，通过电压去耦器实现分离电压在分离通道的末端接地，使峰展宽变小。

Dawoud等人采用纳米金修饰后的电极对混合的多巴胺和儿茶酚进行检测，60 s内完成分离检测，几乎没有峰展宽，对多巴胺和儿茶酚的检测限分别可达到60和110 nmol/L^[33]，芯片示意图见图9-30。

9.6.2 电导检测

电导检测法是根据主体溶液与被测物区带溶液电导率的差别而进行定量的检测方法，被测物的浓度可以对应于电导率的变化。

电导法适于检测无机离子、氨基酸等物质，其中以对无机离子的研究较多，检出限一般可达到10^-6～10^-8 mol/L。

电导检测法根据检测电极是否同溶液接触可以分为接触式电导检测法和非接触式电导检测法。

9.6.2.1 接触式电导检测

接触式电导检测根据电极放置位置的不同又可分为柱端检测和在柱检测两种，柱端检测是将一个电极直接放置在通道出口处，而另一电极则放在距第一个电极很近的位置；在柱检测是在芯片的分离通道上钻出微孔，将两电极放入。现在大部分接触式电导检测的研究工作都是基于在柱检测方式，这主要是因为在柱检测具有制作简便，可实现多个电导检测器同时检测等优点。

9.6.2.2 非接触式电导检测

在微流控芯片检测中，非接触式电导检测法就是将检测用电极直接放置在具有分离通道的芯片外表面，以此对分析物进行检测。该类检测方法的热点问题集中在检测系统设计的优化上。

Lichtenberg等在一块玻璃片上同时刻蚀出微通道和放置电极的凹槽，凹槽和分离通道垂直，它们被15～20 μm厚的玻璃壁分开^[34]。如图9-31所示，电极处于凹槽中解决了具有电极的玻璃芯片难以封接的问题。

Wang等用铝膜作电极在PMMA芯片上制作了一种非接触式电导检测器^[35]，如图9-32 所示。检测器采用两电极体系，电极为矩形的铝膜，两电极平行相对用胶粘在PMMA盖片上。该检测器对K⁺和Cl^-分别在低于20 μmol/L和7 mmol/L的浓度范围内成线性关系，检测10次的相对标准偏差在5%以内，各自的检测限分别为2.8 μmol/L和6.4 μmol/L。

9.6.3 电势检测

电势检测法是利用半透膜两侧因不同的离子活度产生电势差而实现检测的方式，分析物通过一个具有离子选择性的半透膜（即离子选择性电极），在电极外部和内部的溶液由于活度的不同会出现电位差异，这个电位差异将被记录。

需要提及的是电势检测法建立在离子选择性膜的基础上，具有专一性，而芯片电泳中通常涉及到分离、检测多种物质，同时背景溶液在电极上不能具有响应，所以这种检测方法在芯片电泳上的应用不多^[36，37]。

9.6.4 复合式电化学检测

复合式电化学检测法是将多种电化学检测方式联合使用以充分发挥每种检测方式的优点，相互补充，实现更多被分离物的同时检测。

Wang和Pumera发展了一种新型的可以实现非接触式电导和安培检测法同时检测的系统^[38]，如图9-33所示。

文章来源：《图解微流控芯片实验室》林炳承、秦建华 著