基于微芯片电泳非接触电导检测的阴阳离子同步检测技术研究

发布时间：2020-06-28 04:46

【摘要】：阴阳无机小离子的同步测定在许多领域都至关重要,如土壤养分检测、农田面源污染监测、水肥一体化灌溉监测、空气颗粒物(PM)监测、药物制剂检测等。新兴的微芯片电泳非接触电导检测技术(ME-C4D)有多离子同步快速检测、样品和试剂用量少,检测成本低等诸多优点,但由于现有微电泳技术的局限,目前尚不能广泛地应用于阴阳离子的同步检测。此外,国内外都没有成熟的、适合野外现场检测的便携化仪器产品,使这项有巨大应用潜力的技术目前尚不能大规模推广应用。鉴于此,本文着重研发可对多种阴阳离子进行同步快速检测的ME-C4D技术,并进行技术集成和轻量化研究,研制便携式离子速测仪。本文借鉴毛细管电泳阴阳离子同步检测技术,结合ME-C4D技术的特点,在深入研究微芯片电泳和非接触电导检测理论原理的基础上,提出了利用弯曲和Y型的微电泳管道实现阴阳离子同步检测的两种方法,分别研制了相关的ME-C4D系统,并实验验证了这两种检测方法的可行性。本文对ME-C4D技术用于阴阳离子同步检测的方法进行了深入研究。首先尝试将电渗流驱动的毛细管电泳方法移植到微芯片电泳,实验证明该方法仅适用于荷质比相差较大的阴阳离子的检测。我们提出的基于弯曲的电泳微管道的阴阳离子同步检测方案,使用CTAB试剂抑制电泳微管道中的电渗流,并利用自主研发的程控高压发生电路,实现阴阳离子在电泳微管道中串行朝同一方向以不同的速度迁移,从而实现同一微电泳管道中阴阳离子同步检测。针对该方案存在的阳离子“回迁”问题,我们提出基于Y型电泳微管道的新检测方案,使阴阳离子在经过检测位置后进入不同的微管道分支,彻底消除离子“回迁”现象。实验证明了两种方案均可在140秒内完成对K+,Na+,Li+,Cl-,F-和PO43-的同步串行检测。针对目前电泳微流控芯片普遍存在的制作工艺复杂、依赖昂贵的微加工设备的问题,本文提出了一种制作工艺极其简单的、便于大规模生产的可拆卸式微电泳芯片,并研制了配套的非接触电导检测电路,构成完整的新型ME-C4D系统。通过对该非接触电导检测系统各模块深入分析和电泳检测参数优化研究,成功完成了土壤养分离子及重金属离子的检测。在此基础上,对ME-C4D系统进行了技术集成和轻量化,研制出了可野外现场使用的便携式离子速测仪原理样机。本文研究工作解决了当前微芯片电泳阴阳离子同步检测技术的缺陷,实现了同一微电泳管道中多种阴阳离子同步串行快速检测,研制出适合野外现场检测的便携式离子速测仪样机,对ME-C4D技术的实用化和走向大规模商业化应用具有重要的推动作用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O652
【图文】：

等效电路图,微流体,等效电路,电容

逦Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ逡逑Ｖ／Ｏ＾－Ｒｊｆｔ）逦Ｉ邋Ｙ／ｔ）＝－Ｒｉ（ｔ）逡逑图１－１邋（ａ）接触和（ｂ）非接触电导检测之间的比较。电流ｉ（ｔ）与电极间的电导成比逡逑例，并且该电流可以通过使用电流－电压转换器（也称为跨导放大器）被转化为电逡逑压邋Ｖｏ（ｔ）。逡逑在接触电导中，如图ｌ－ｌ（ａ）所示，由于电极与溶液直接接触，只需将一个逡逑小幅度的低频率交变信号（例如正弦波）施加到两个惰性电极上。因为双电层逡逑（ＥＤＬ）的电容相对较高，大约为每平方厘米几个ｐＦ［３５］，交流信号的使用也使逡逑对电导率测量的电解效应最小化。如果电极放置在容器外（图ｌ－ｌ（ｂ）），容器壁的逡逑电容将对信号传输施加一个极高的阻抗或更准确地说是一个极高的容抗（Ｘｃ），逡逑Ｘｃ与工作频率和容器壁的电容（Ｃｗ）成反比，由于Ｃｗ非常小，因此必须向电极逡逑施加高频信号以克服该容器壁的容抗。逡逑（Ａ）逦ｉ（Ｂ）ｉ．以丨ｉ邋Ｉ逡逑＾邋ｊｒ逡逑图１－２邋（Ａ）具有典型Ｃ４Ｄ微单元的微流体系统的构成层和（Ｂ）其等效电路。逡逑在（Ａ）中，基底分别在其底部和顶部表面包含微通道和电极。Ｃｗ，Ｃ0和Ｒｓ分别逡逑代表壁电容

电导检测,微流体,溶液电阻,杂散电容

逦ｉ（Ｂ）ｉ．以丨ｉ邋Ｉ逡逑＾邋ｊｒ逡逑图１－２邋（Ａ）具有典型Ｃ４Ｄ微单元的微流体系统的构成层和（Ｂ）其等效电路。逡逑在（Ａ）中，基底分别在其底部和顶部表面包含微通道和电极。Ｃｗ，Ｃ0和Ｒｓ分别逡逑代表壁电容，杂散电容和溶液电阻。逡逑１０逡逑

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