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《浙江大学》 2008年
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高性能集成化毛细管电泳柱端安培检测芯片的研制

王钰蓉  
【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或质谱检测器体积庞大,不利于实现微型化的目标,且价格昂贵,难以得到普及。电化学检测的安培检测器是芯片分析的常用检测方法,它具有高灵敏度、许多物质无需衍生、易微型化和集成化、设备低廉等特性。 芯片毛细管电泳.安培检测系统中,分离电压对安培检测的耦合干扰是一个迫切需要解决的问题。比较彻底消除分离电压干扰的的方法是采用电压去耦器的离柱检测模式,或采用独立供电恒电位仪的在柱检测模式。但是这两种方法都增加了检测器的复杂性。目前更为常用的是采用工作电极离开通道出口的柱端检测模式。该模式最大优势是其芯片结构比离柱和在柱模式简单得多,但却不能完全消除分离电压的干扰。 本文以玻璃或高聚物为基本材料,研制高性能集成化毛细管电泳柱端安培检测芯片,并对芯片的分析性能进行研究。围绕最大程度地减小分离电压对柱端安培检测的干扰这一目标,重点研究:集成化电极的制备,芯片的通道结构参数和电极的几何参数等因素对分离电压耦合干扰及芯片分离检测性能的影响,并应用于多巴胺和儿茶酚的分离分析。在此基础上,进行双通道毛细管电泳安培检测阵列芯片的可行性研究。 全文共分四章: 第一章,评述了近年来芯片毛细管电泳-安培检测的进展。主要涉及芯片的设计、集成化电极的制备、分离电压干扰的消除、阵列电极和阵列通道、利用分离电场拓展检测范围等研究成果,以及芯片毛细管电泳-安培检测系统的分析应用。 第二章,采用玻璃芯片,以多巴胺(DA)和儿茶酚(CA)作为待测物,系统考察了芯片毛细管电泳-柱端安培检测系统中,分离通道横截面积、工作电极与通道出口间距等实验参数对分离电压耦合干扰的影响,和对芯片分离与检测性能的影响。实验表明,通道截面积越小,剩余的分离电压对安培检测的影响就越小,工作电极靠近分离通道所遭遇的分离电压干扰就越小。当采用具有最小通道横截面积的芯片(312μm~2,上宽37.3μm,深8.9μm),同时保证电极与通道出口间距20μm的情况下进行检测,得到DA的检测限为0.46μmol/L,理论塔板数为9.1×10~3 m~(-1),峰高的相对标准偏差1.3%。 第三章,研制了一种集成了三电极体系的高性能毛细管电泳-柱端安培检测聚碳酸酯(PC)芯片。首次采用光诱导选择性化学镀法结合电镀法在PC基片制备由金膜工作电极、Ag/AgCl膜参比电极和铂膜对电极所组成的集成化三电极检测体系。在芯片设计上提出了以下创新思路:将工作电极直接放置在与通道出口齐平处,以减小柱后的谱带扩张;同时通过减小工作电极与参比电极间距,降低由于工作电极齐平通道出口而引起的分离电压对安培检测的干扰。实验表明,采用上述设计,当工作电极与参比电极间距为100μm时,分离电压干扰明显降低。DA和CA的检测限分别达到132 nmol/L和164 nmol/L,较文献报道过的同类毛细管电泳柱端安培检测芯片的检测限都低,DA的理论塔板数为2.5×10~4 m~(-1),DA和CA峰高的相对标准偏差(n=5)分别为1.2%和3.1%。 第四章,研制了带有集成化三电极系统的PC毛细管电泳安培检测双通道阵列芯片。用DA和CA做模型待测物,在优化的分离条件下,进行了双通道毛细管电泳安培检测同时分离分析的可能性研究。实验观察到,两通道平行进样后所得到的电泳谱图中,不同通道中待测物的迁移时间、峰高、半峰宽有比较明显的差异。经过分析,两通道在分离和检测性能上差异主要源于电渗流的差异和电压耦合干扰程度上的差别,而它们又是因为所加工的芯片在两个通道横截面上的差异、工作电极与分离通道出口对准精度的差异所造成的。所以本初步研究表明,采用柱端检测模式时,双通道芯片加工过程中,确保一致的通道形貌、工作电极与通道出口的高精度对准,是实现高质量双通道平行分离分析的关键。 本论文的主要创新点: 1.首次研究了通道横截面积的大小和分离电压干扰的关系,提出了使用具有较小通道横截面积的芯片,可以使工作电极相当靠近通道出口,从而改善芯片毛细管电泳安培检测系统的分离检测性能的见解。 2.首次利用化学镀结合电镀的技术在PC片上制备了集成化三电极安培检测体系,结合热压微流控通道和热压封合技术,建立了在一般分析实验室即可加工集成化毛细管电泳安培检测高聚物芯片的方法和工艺。 3.提出了工作电极直接放置在与通道出口齐平处以减小柱后谱带扩张,使用充分靠近工作电极的集成化参比电极,减小由工作电极靠近通道出口引起的高压电场干扰的设计思路,以此为基础研制成功高性能集成化毛细管电泳柱端安培检测高聚物芯片,应用于DA和CA的分离分析,分析性能超过了文献所报道的同类芯片。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:O658.9

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