专利名称：一种用于重金属离子现场检测的无动力微流控芯片及其制作和使用方法
技术领域：
本发明涉及微流控芯片领域，特别涉及一种无需外部能量进样的微流控 芯片和该芯片的制作方法，以及其用于重金属离子检测的使用方法。
背景技术：
长期以来，重金属污染受到人们的广泛关注，工业活动导致的汞、铅、 镉、铬等重金属污染的生物毒性非常显著，给人类健康和环境造成极大危害。
以汞为例，全世界汞的年排放量约1.5万吨，主要来源于汞矿、冶金、氯碱 工业、电器工业和矿物燃料的燃烧。这些无机汞进入大气循环和水体循环系 统后，在生物体内转化成有机汞(甲基汞、乙基汞)，毒性大大增强。最终在 食物链的各个环节中累积，给人类的健康和生存带来巨大威胁。因此，对环 境重金属离子的监测十分重要。常规的检测仪器包括电感耦合等离子质谱仪、 原子光谱法、分光光度法等，这些大型仪器需要复杂样品前处理，仪器笨重 昂贵，不适合快速、实时、现场检测，所以开发具有此功能的微型化检测器 件势在必行。
微流控芯片又称芯片实验室，是由微通道(几十至几百微米)网络构成 的、对微量流体(1(^L至10"8L)进行操纵的微型器件。在微流控芯片上可 以实现样品的预处理、反应、分离、检测等步骤的集成化。微流控芯片与常 规化学或生物实验仪器相比，具有样品和试剂消耗少、反应速度快、价格低 廉等优势。
目前，大部分的微流控芯片的进样都需要外部能量，如注射泵、电渗泵 等。这种外部功能仪器的使用不利于芯片的集成化和微型化，特别不利于芯 片的现场、实时检测。国际上有研究组开始尝试利用聚二甲基硅氧烷(PDMS) 制成的芯片实现无动力进样并用于DNA分析(参见Lab Chip, 2004, 4， 181-185)。中国专利申请200610054308.X提供了一种利用PDMS制作微流 控芯片的方法。但尚无研究人员尝试将无动力的芯片模式用于样品体系更加 复杂(例如含有较多干扰物质的样品，如污染地实际采集样品)的重金属现 场实时检测。另一方面，近年出现了多种针对重金属检测的纳米探针，其中以纳米金 探针的研究最为广泛。纳米金颗粒具有优异的光学性质、电学性质、化学活
性和生物兼容性；纳米金经生物修饰后形成纳米金探针，其处于溶液状态， 纳米金溶液的颜色与纳米金颗粒的间距以及纳米金聚集体的大小有关，例如， 特定种类的重金属离子(如汞离子)可以与修饰在纳米金上生物物质结合并 进而把纳米金拉近。特定重金属离子浓度越大，被拉近的纳米金就越多，聚 集现象就越严重。利用这种性质，可以设计各种传感器，从而实现对多种重 金属离子的检测。国际上多个研究组利用核苷酸中胸腺嘧啶碱基(T)对汞 离子的特异性识别，建立了对汞离子的特异性检测方法(参见Angew. Chem. Int. Ed.， 2007， 46, 4093-4096; Nucl. Technol.， 2007， 30, 467472)。另有研究组 利用巯基十一酸对某些重金属离子(如铅、隔等)的特异性螯合作用建立了 相应的检测方法(参见Nano Letters, 2001， Vol.1, 165-167)。但这些方法在 实际使用时或者需要变温，或者需要其他仪器辅助，难以实现现场检测应用。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种无动力微流控芯片，以实现对重金属离子 样品的现场快速检测。
本发明的另一个目的是提供一种制作上述无动力微流控芯片的方法。
本发明的再一个目的是提供一种利用上述无动力微流控芯片对重金属 离子进行现场检测的方法，利用该方法，可实现对重金属离子样品的无动力 现场检测。
为实现上述目的，根据本发明的一个实施方式，该用于重金属离子现场 检测的无动力微流控芯片包括基片层以及与该基片层相封接的通道片层，该 通道片层包括单个或多个通道，该通道两端分别连接有进样孔和出样孔；该 基片层和该通道片层均由聚二甲基硅氧院材料制成，该通道片层的厚度为 8mm至20,。
根据本发明的另一个实施方式，该制作无动力微流控芯片的方法包括-利用聚二甲基硅氧垸，分别制作所述基片层以及所述通道片层，所述通道片 层厚度为8mm至20mm，包括单个或多个通道，该通道两端分别连接有进样 孔和出样孔；将所述基片层和所述通道片层进行封接。根据本发明的再一个实施方式，该使用上述无动力微流控芯片对重金属 离子进行现场检测的方法包括将所述芯片置于一个干燥皿中，用真空进行 抽气；取出所述芯片，并立即用胶带密封所述出样口一端，放置3至5分钟; 将纳米金探针和待测溶液分别添加入所述进样口 ；纳米金探针和待测溶液的 混合液从所述出样口流出后，对所述芯片进行分析。
本发明的无动力微流控芯片及其使用方法，其低成本，操作简单、不需 外部能量装置，仅仅利用聚二甲基硅氧垸的存储气体的能力，经过抽真空前 处理就可以达到现场使用的效果。本发明的使用该微流控芯片进行检测的方 法结合了不同种类的纳米金探针技术，适用于现场不同种类的重金属离子实 时快速检测。
通过以下结合附图以及举例方式对本发明的实施方式进行详细描述后， 本发明的其他特征和优点将会更加明显。
图1是根据本发明一个实施方式的无动力微流控芯片的结构示意图； 图2A是根据图1微流控芯片中的单通道示意图； 图2B是根据图1微流控芯片中的多通道示意图3是根据本发明一个实施方式的制作上述无动力微流控芯片的流程
图4是根据本发明的一个实施方式的利用上述无动力微流控芯片进行现 场检测的流程图5是根据图4中流程图的更详细的示意图6A是根据本发明实施例1中的利用微流控芯片对汞离子进行特异性 检测的目视结果；
图6B是根据本发明实施例1中的利用微流控芯片对汞离子进行特异性 检测的成像结果；
图6C是根据本发明实施例1中的利用微流控芯片对另一不同浓度的荥 离子进行特异性检测的成像结果；
图7是根据本发明实施例2中的利用微流控芯片对铅离子进行检测的成 像结果。
具体实施例方式
以下结合附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
如图l所示为本发明的无动力微流控芯片的结构示意图，该芯片可用于 对重金属离子进行现场检测。为使附图更加明显，图1中显示为单通道微流
控芯片，容易理解，多通道微流控芯片同样适用于图1中所示的原理。图2A 及图2B为根据图1的更详细的单通道及多通道示意图，其中，图2A为单通 道示意图，图2B为多通道示意图。具体地，如图1所示，该无动力微流控 芯片包括基片层以及通道片层，通道片层与基片层相封接从而形成完整的芯 片(图中所示为单通道芯片)。结合图2A、 2B，通道片层包括单个或多个通 道，通道两端分别连接有进样孔和出样孔。
基片层和通道片层均釆用二甲基硅氧烷(PDMS)制成。利用PDMS的 储气特性，当基片层与通道片层封接完成制成芯片后，芯片经抽真空处理， 存储在PDMS内的气体被抽调，使通道片层内的微通道网络形成近似真空环 境，从而可利用外部和内部的压力差作为进样动力。
为提供足够压力差，所述通道片层的厚度一般不小于8mm，但通常不大 于20mm。当使用光学显微镜或数码照相机进行成像分析时，基片层厚度通 常不超过5mm，优选为2mm-5mm。
该微流控芯片的通道的尺寸一般为150pmx3(Vm (宽度x高度)，由于是 利用压力差提供持续适度动力，因此可适当增大或縮小通道尺寸，但为保持 微通道的层流特性，不宜太宽。另外，该通道形状优选地为锯齿形结构。
当芯片为单通道类型时，其尺寸一般不小于3mmx5mm (宽度x长度)， 当芯片为多通道类型时尺寸一般不小于4mmx5mm (宽度x长度)。
为防止封接的不牢固性，芯片上可添加夹合装置(图未示)。
如图3所示为根据本发明的制作上述无动力微流控芯片的流程图。结合 图1、 2A、 2B，在步骤S301,利用PDMS，分别制作基片层以及通道片层， 该通道片层厚度为8mm至20mm，可包括单个或多个通道，通道两端分别连 接有进样孔和出样孔。在步骤S302，将基片层与通道片层进行封接。为防止 封接的不牢固性，可以采用适当的夹合装置。进样口孔径优选为lmm-2mm， 太小则不利于加样；出样孔孔径为3mm，其大小可以根据芯片设计调整，优 选地在3mm至5mm之间。如图4、5所示为根据本发明的利用上述无动力微流控芯片进行现场检测 的流程图及示意图。
结合图4、 5，在步骤S401，将上述芯片置于干燥皿中，用真空进行抽 气，优选地，在10kPa下进行抽真空操作，抽真空的时间一般不低于1小时， 通常不超过3小时。
在步骤S402，取出所述芯片，并立即用胶带密封芯片的出样口一端，以 保证样品和探针进样时不漏气，并放置3至5分钟，从而使PDMS的吸气进 入平稳状态。该步骤的关键是用胶带对出样口一端进行密封，以产生进样所 需的气压差。
在步骤S403，将纳米金探针和含有重金属离子的待测溶液添加入相应的 进样口，以对待测溶液中的重金属离子进行检测。同时，此步骤开始时既解 除密封。纳米金探针可采用常规的制备方法(参见Angew. Chem. Int. Ed.， 2007, 46, 4093-4096; Nucl. Technol.， 2007， 30, 467~472; Nano Letters, 2001, Vol.l， 165-167)。该步骤持续至所有液体全部从出样孔流出，持续时间大约为 5至15分钟。该步骤中，功能化的纳米金探针与待测溶液混合后，在通道内 聚集并发生沉积，进而出现颜色变化。
在步骤S404，当待测溶液从出样口完全流出后，对芯片进行分析。例如， 可利用光学显微镜根据上述颜色变化，对该芯片进行检测分析，从而简单快 速地对重金属离子进行现场检测。由于纳米金探针的特异性，可利用不同探 针来检测不同的重金属离子。除利用光学显微镜进行检测之外，也可利用放 大镜、普通数码相机或扫描仪进行检测分析或进行目测分析，例如，直接在 芯片上面滴一水滴，起到放大效果后进行目测分析。
以下结合实施例，具体说明制作该微流控芯片以及利用该芯片进行重金 属离子检测的原理及方法。当然，本发明的保护范围不受该实施例限制。
以下两个实施例中，阳模硅片购自中科院上海微系统研究所，PDMS 预塑体及单体(经过化学交联后形成PDMS)均购自美国DOWCORNING公 司(PDMS预塑体中单体与固化剂的比例为10:1)。
实施例1
1、以分布有光刻蚀图形的硅片为阳模，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为 基材，利用本领域的常规方法，制作包含8条微流控通道(通道宽度100微米，深度为20微米)的PDMS通道片层。PDMS通道片层与模具剥离后， 用打孔机在微通道的末端标识处打孔作为进样孔(直径为2mm)和出样孔(直 径为3mm)，其具体大小可调。并以玻璃培养皿为模具，利用PDMS制作基 片层。
2、 将PDMS通道片层和基片层封接，放到玻璃干燥皿内用真空泵抽气 一小时，取出后立即用胶带封住出样孔一端，放置约3-5分钟。(如备用，则 封接后置于密封袋中)
3、 将多聚T核苷酸链功能化的纳米金探针(组装方法参见:Angew.Chem. Int.Ed., 2007, 46， 4093-4096; Nucl. Technol.， 2007， 30， 467472)和汞离子样 品分别添加入相应进样孔，进行检测。
4、 5分钟后，在芯片表面滴加纯净水滴，用目视方法观察结果；或用显 微镜观察并对检测结果成像。如附图6A、 6B、 6C所示，其中图6A是目视 结果；图6B是同一浓度汞离子的显微镜成像结果，通道l-8中分别为
1:去离子水；
2:0. 1 mM Hg2+;
3:0. 1 mM CcT;
4:0. 1 mM Mn2+;
5:0. 1 mM Cu2+;
6:0. 1 mM Zn2+;
7:0. 1 mM Ca2+;
8:0. 1 mM Mg2+。
图6C是对该实施例中不同浓度汞离子的成像结果，通道1-6分别为 1:5, Hg2+; 2: 10岸Hg2+; 3: 25 , Hg2+;
4: 50 Hg2+;
5: 100 Hg2+; 6:河水。
实施例2
1、以分布有光刻蚀图形的硅片为阳模，以聚二甲基硅氧垸(PDMS)为基材，利用本领域的常规方法，制作包含8条微流控通道(通道宽度100微 米，厚度为3mm)的PDMS通道片层。PDMS通道片层与模具剥离后，用打 孔机在微通道的末端标识处打孔作为进样孔(直径为2mm)和出样孔(直径 为3mm)，其具体大小可调。并以玻璃培养皿为模具，利用PDMS制作基片 层。
2、 将PDMS通道片层和基片层封接，放到玻璃干燥皿内用真空泵抽气 一小时，取出后立即用胶带封住出样孔一端，放置约3-5分钟。(如备用，则 封接后置于密封袋中)
3、 将组装好的巯基十一酸功能化的纳米金探针(具体制备方法参见-Nano Letters, 2001, Vol.l， 165-167)和铅离子样品用移液枪分别加到相应进 样口，进行检测。
4、 5分钟后，用显微镜观察并对检测结果成像。见附图7，其中通道l-8 所检样品分别为
1: 10,Pb2+;
2: 25(xMPb2+;
3: 0.05mMPb2+;
4: O.lmMPb2、
5: 0.1mMMg2+;
6: 0.1mMCa2+;
7: O.lmMNaCl;
8:去离子水。
综上所述，利用本发明的无动力微流控芯片及检测方法，可实现对重金 属离子的无动力现场检测，且该芯片便携易用，成本较低，其检测方法步骤 简单，准确性高。
权利要求
1、一种用于重金属离子现场检测的无动力微流控芯片，包括基片层；以及与该基片层相封接的通道片层，该通道片层包括单个或多个通道，该通道两端分别连接有进样孔和出样孔；其特征在于，该基片层和该通道片层均由聚二甲基硅氧烷材料制成，该通道片层的厚度为8mm至20mm。
2、 根据权利要求1所述的无动力微流控芯片，其特征在于，所述基片层 的厚度不大于5mm。
3、 根据权利要求2所述的无动力微流控芯片，其特征在于，所述基片层 的厚度为2mm至5mm。
4、 根据权利要求1至3中任一项所述的无动力微流控芯片，其特征在于， 所述通道的宽度与高度分别为150nm和30pm。
5、 根据权利要求1至3中任一项所述的无动力微流控芯片，其特征在于， 所述通道为锯齿形结构。
6、 根据权利要求1至3中任一项所述的无动力微流控芯片，其特征在于， 所述通道片层包括单个通道，并且所述无动力微流控芯片的长度与宽度分别 不小于3mm与5mm。
7、 根据权利要求1至3中任一项所述的无动力微流控芯片，其特征在于， 所述通道片层包括多个通道，并且所述无动力微流控芯片的长度与宽度分别 不小于4mm与5mm。
8、 根据权利要求1至3中任一项所述的无动力微流控芯片,其特征在于， 所述微流控芯片还包括用于加强所述封接的夹合装置。
9、 根据权利要求1至3中任一项所述的无动力微流控芯片，其特征在于， 所述进样孔的孔径为lmm至2mm。
10、 一种制作无动力微流控芯片的方法，其特征在于，该方法包括-利用聚二甲基硅氧垸，分别制作所述基片层以及所述通道片层，所述通道片层厚度为8mm至20mm，包括单个或多个通道，该通道两端分别连接有 进样孔和出样孔；将所述基片层和所述通道片层进行封接。
11、根据权利要求io所述的制作无动力微流控芯片的方法，其特征在于，以玻璃培养皿为模具，制作所述基片层，以及以分布有光刻蚀图案的硅片为 阳模，制作所述通道片层。
12、 根据权利要求10或11所述的制作无动力微流控芯片的方法，其特 征在于，所述进样孔直径为2mm,所述出样孔直径为3mm。
13、 一种使用如权利要求1所述的无动力微流控芯片对重金属离子进行 现场检测的方法，其特征在于，该方法包括将所述芯片置于一个干燥皿中，用真空进行抽气；取出所述芯片，并立即用胶带密封所述出样口一端，放置3至5分钟；将纳米金探针和待测溶液分别添加入所述进样口 ；当纳米金探针和待测溶液的混合液从所述出样口流出后，对所述芯片进 行分析。
14、 根据权利要求13所述的对重金属离子进行现场检测的方法，其特征 在于，所述用真空进行抽气时间为1-3小时。
15、 根据权利要求13或14所述的对重金属离子进行现场检测的方法， 其特征在于，对所述芯片进行分析包括目测分析、放大镜检测分析、普通数 码相机检测分析、光学显微镜检测分析或扫描仪检测分析。
全文摘要
本发明公开了一种用于重金属离子现场检测的多通道无动力微流控芯片及其制作和使用方法。该微流控芯片包括基片层以及与该基片层相封接的通道片层，该通道片层包括单个或多个通道，该通道两端分别连接有进样孔和出样孔；该基片层和该通道片层均由聚二甲基硅氧烷材料制成，该通道片层的厚度为8mm至20mm。该芯片的进样方式不需外部能量，仅仅利用聚二甲基硅氧烷的存储气体的能力，经过抽真空前处理就可以达到现场使用的效果。本微流控芯片与不同种类的纳米金探针结合，适用于现场不同种类的重金属离子实时快速检测。
文档编号G01N33/48GK101435807SQ200810202738
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者何世江, 宋世平, 樊春海 申请人:中国科学院上海应用物理研究所