微流控芯片安培檢測分析方法的研究進展

宋千會 鹿愛娟 陳俊芳 陳傳品

摘要： 微芯片毛細管電泳安培檢測系統，具有高靈敏度、低成本、易于微型化等特點，且適用于氧化還原特性的分子，今年來的得到了人們廣泛的關注。本文綜述了安培檢測系統研究在檢測器設計、電極材料和應用等方面的進展。

關鍵詞：安培檢測；微芯片毛細管電泳；檢測器

Abstract： Recently microchip capillary electrophoresis amperometric detection system had attracted more and more concentration，with some advantages，like high sensitivity，low cost，easy to miniaturization and so on.This paper reviews the progress of amperometric detection systems in detector design， electrode materials and applications.

Keywords：Amperometric Detection； Microchip Capillary Electrophoresis； Detector

在毛細管電泳（Capillary Electrophoresis， CE）分離技術的基礎上發展起來的微全分析系統（Micro total analysis system，TAS），因其操作簡單、試樣消耗量少、分析速度快、分離效率高、易于微型化等優點，一直呈現爆炸式的快速發展[1]。作為？TAS關鍵技術——檢測方法，也得到了快速的發展，各種分析方法被用于微芯片毛細管電泳（Microchip Capillary Electrophoresis， MCE），如激光誘導熒光，質譜和電化學檢測（Electrochemical Detection， ECD）等[2， 3]。其中，ECD因其具有易于微型化，低成本，高效能和操作簡單等優點，已經成為MCE應用最廣泛的檢測手段[4， 5]。

根據檢測原理，ECD可以分為安培檢測（Amperometric detection，AD），電導檢測和電位檢測三種模式。其中，AD依靠待分析物在工作電極上發生氧化還原反應產生的電流作為電化學響應信號，比電導檢測和電位檢測有更高的靈敏度和選擇性。適用于分析無機離子、氨基酸、酚類物質以及胺類物質，和易于微型化、集成化等優點，具有極大的發展潛力。自1998年，Wolly 等首次成功的把CEAD系統集成于玻璃，引起了全球越來越多研究者的興趣[6]。

雖然CEAD分析技術是最常用的電化學檢測方法，兩個缺點限制了其商業應用。首先，分離高電壓會破壞檢測器，并且會對檢測產生干擾降低檢測器性能；其次，WE（Working Electrode， WE）電極的穩定性及其位置會影響AD的重現性。克服這些障礙后，CEAD便攜式設備才會更有市場競爭力。

目前，國內外所涉及的研究內容主要包括芯片通道和檢測池的設計，各種集成化微電極的制備，分離電壓干擾的消除，微型安培檢測器的研制，以及在生命、環境、反恐等熱點領域中的應用等。

1 檢測器的設計

檢測器的設計會影響微芯片的性能，特別是，WE的位置對CEAD譜帶增寬和分離高壓的隔離具有顯著影響。為了尋找一種具有高分辨率，持久穩性，簡單處理性和可以承受多次分離的檢測器，研究者改變WE相對于電滲流的位置，把AD分為在柱內檢測，柱端檢測和離柱檢測[7]。

柱端檢測是將WE放置于毛細管柱末端分離通道末端幾十微米處，芯片制作簡單，操作方便，是CEAD系統中應用最為廣泛的一中檢測模式[8]。離開分離通道后分離電場會迅速降低，在一定程度上減小AD檢測過程中分離電壓的干擾[9]。但是檢測池中會有殘余電場的存在，不能完全隔離分離電壓，從而降低分離效率和檢測靈敏度，導致譜帶增寬[10]

離柱檢測是把WE設置電壓去耦器之后，使分離電流提前旁路到地，這樣WE所處的通道內不在有分離電流通過，從而減小分離電壓的干擾。因此去耦器的性能會影響到檢測器的性能[11]。Rossier等人在微芯片上制作了直徑為510μm的微孔陣列作為去耦器，使得檢測響應電流為5 nA分析物在50 V/cm的電場下半波電位偏移僅為15 mV[12]。Chen等在PMMA微芯片中放置了一個鈀（Pd）去耦器，并用于兒茶酚胺的檢測，LOD為0.29μM[13]。Lai等和Lacher等對Pb去耦器膜的厚度及距離通道出口的距離進行優化[14， 15]，但是這種金屬去耦器的壽命較短，不能完全的隔離分離電壓。

柱內檢測，WE直接放置在分離通道上，并且使用電氣隔離使分離電流和檢測電流自成回路，互不干擾[16]。這種檢測模式，分析物在電極上傳遞的同時又被限制在分離通道內，從而消除了末端檢測中存在的譜帶增寬，提高柱效。而且此法與末端檢測相比峰的偏斜和拖尾的情況會顯著改善。但是，柱內檢測模式的主要缺點是分離高壓會導致WE上面電位偏移，從而影響檢測的重現性。為了克服這些缺點，Martin等在通道內放置了一個電隔離的恒電位儀[16]。Chen等提出了一種并行雙通道的設計，把工作電極（Working electrode， WE）和參比電極（Reference electrode， RE）分別放置在分離通道和參比通道內，使WE和RE處于等電位，能夠最大程度上消除來自分離電壓的干擾。

2 電極材料

電極材料會對檢測器的性能產生強烈的影響。工作電極的選擇主要取決于目標分析物的特性和施加電位區的背景電流。目前，在CEECD的檢測其中使用較多的電極材料有碳[1719]，鉑[20]和金[21]是最常見的CEECD的電極材料。不同的電極材料或電極的形態會顯示不同的電學特性，所以不同的材料在CEECD中檢測性能也會不同。根據應用于MCE的電極的材料和制作方法的不同，可以把電極分為碳電極、金屬電極、修飾電極。

考慮到電催化表面可以通過加速物質的電子轉移反應提高分析物的反應活性，進而提高AD檢測器的性能。所以，電極材料的進一步改進集中在研究可以和MCE耦合的電催化材料修飾的電極。

近來，隨著納米技術的快速發展，納米材料展現出諸多優點，如增強傳導性，促進電子轉移，提高分析靈敏度和選擇性，進而納米粒子修飾的電極的結構，尺寸及形態特征的不同展現出不同的電化學特性[22， 23]。其中，金納米顆粒和碳納米管，具有穩定的物理化學特性，電化學催化活性，較小的粒子直徑等特性，成為是最常見的修飾電極的納米材料[24， 25]。

3 應用

隨著人們對環境和健康問題越來越重視，對如何快速準確的檢測有害物質及殘留的監測的興趣也急劇增加。微流控芯片技術具有高效、快速、便攜式等優點，已經被應用到化學、生物、臨床、環境監測、免疫監測和即時檢測等領域[2628]。特別是MCEAD分析技術，適用于具有氧化還原特性的物質，如DNA片段，神經遞質，人體代謝產物，氨基酸，糖，炸藥及環境污染物等，這些物質的分析與生活息息相關[29]。

4 總結與展望

隨著CEECD分析技術的發展，在接下引進新的修飾電極，檢測器的設計和開發的低成本、便攜式、可用于即時檢測的檢測器的研究將會有重大進展，并對給毒性藥物、污染物、有機農藥、生物、抗生素及其殘留物等的分析檢測提供更有利的支持。

參考文獻：

[1]Manz A， Graber N， Widmer， H M. Miniaturized total chemical analysis systems： a novel concept for chemical sensing [J]. Sensors and actuators B： Chemical， 1990， 1（1）： 2448.

[2]Li R， Wang L， Gao X， et al. Rapid separation and sensitive determination of banned aromatic amines with plastic microchip electrophoresis [J]. Journal of hazardous materials， 2013， 248249（26875.

[3]Saylor R A， Reid E A， Lunte S M. Microchip electrophoresis with electrochemical detection for the determination of analytes in the dopamine metabolic pathway [J]. Electrophoresis， 2015， 36（16）： 19129.

[4]Chand R， Jha S K， Islam K， et al. Analytical detection of biological thiols in a microchip capillary channel [J]. Biosensors & bioelectronics， 2013， 40（1）： 3627.

[5]Kuban P， Hauser P C. Fundamentals of electrochemical detection techniques for CE and MCE [J]. Electrophoresis， 2009， 30（19）： 330514.

[6]Woolley A T， Lao K， Glazer A N， et al. Capillary electrophoresis chips with integrated electrochemical detection [J]. Analytical chemistry， 1998， 70（4）： 6848.

[7]Nyholm L. Electrochemical techniques for labonachip applications [J]. The Analyst， 2005， 130（5）： 599605.

[8]Huang X， Zare R N， Sloss S， et al. Endcolumn detection for capillary zone electrophoresis [J]. Analytical chemistry， 1991， 63（2）： 18992.

[9]Shin D， Sarada B V， Tryk D A， et al. Application of diamond microelectrodes for endcolumn electrochemical detection in capillary electrophoresis [J]. Analytical chemistry， 2003， 75（3）： 5304.

[10]Vandaveer W Rt， Pasas S A， Martin S， et al. Recent developments in amperometric detection for microchip capillary electrophoresis [J]. Electrophoresis， 2002， 23（21）： 366777.

[11]Zhan S S， Yuan Z B， Liu H X， et al. Oncolumn amperometric detection in capillary electrophoresis with an improved highvoltage electric field decoupler [J]. Journal of chromatography A， 2000， 872（12）： 25968.

[12]Rossier J S， Schwarz A， Reymond F， et al. Microchannel networks for electrophoretic separations [J]. Electrophoresis， 1999， 20（45）： 72731.

[13]Chen D， Hsu F L， Zhan D Z， et al. Palladium film decoupler for amperometric detection in electrophoresis chips [J]. Analytical chemistry， 2001， 73（4）： 75862.

[14]Lai S， Cao X， Lee L J. A packaging technique for polymer microfluidic platforms [J]. Analytical chemistry， 2004， 76（4）： 117583.

[15]Lacher N A， Lunte S M， Martin R S. Development of a microfabricated palladium decoupler/electrochemical detector for microchip capillary electrophoresis using a hybrid glass/poly（dimethylsiloxane） device [J]. Analytical chemistry， 2004， 76（9）： 248291.

[16]Martin R S， Ratzlaff K L， Huynh B H， et al. Inchannel electrochemical detection for microchip capillary electrophoresis using an electrically isolated potentiostat [J]. Analytical chemistry， 2002， 74（5）： 113643.

[17]Martin R S， Gawron A J， Fogarty B A， et al. Carbon pastebased electrochemical detectors for microchip capillary electrophoresis/electrochemistry [J]. The Analyst， 2001， 126（3）： 27780.

[18]Gawron A J， Martin R S， Lunte S M. Fabrication and evaluation of a carbonbased dualelectrode detector for poly（dimethylsiloxane） electrophoresis chips [J]. Electrophoresis， 2001， 22（2）： 2428.

[19]Kovarik M L， Torrence N J， Spence D M， et al. Fabrication of carbon microelectrodes with a micromolding technique and their use in microchipbased flow analyses [J]. The Analyst， 2004， 129（5）： 4005.

[20]Baldwin R P， Roussel T J Jr， Crain M M， et al. Fully integrated onchip electrochemical detection for capillary electrophoresis in a microfabricated device [J]. Analytical chemistry， 2002， 74（15）： 36907.

[21]Schwarz M A， Galliker B， Fluri K， et al. A twoelectrode configuration for simplified amperometric detection in a microfabricated electrophoretic separation device [J]. The Analyst， 2001， 126（2）： 14751.

[22]Chen R S， Huang W H， Tong H， et al. Carbon fiber nanoelectrodes modified by singlewalled carbon nanotubes [J]. Analytical chemistry， 2003， 75（22）： 63415.

[23]Wang J， Wang L， Di J， et al. Electrodeposition of gold nanoparticles on indium/tin oxide electrode for fabrication of a disposable hydrogen peroxide biosensor [J]. Talanta， 2009， 77（4）： 14549.

[24]Lucca B G， De Lima F， Coltro W K， et al. Electrodeposition of reduced graphene oxide on a Pt electrode and its use as amperometric sensor in microchip electrophoresis [J]. Electrophoresis， 2015， 36（16）： 188693.

[25]Dai X， Compton R G. Direct electrodeposition of gold nanoparticles onto indium tin oxide film coated glass： application to the detection of arsenic （III） [J]. Analytical sciences， 2006， 22（4）： 56770.

[26]Huo Y， Kok W T. Recent applications in CEC [J]. Electrophoresis， 2008， 29（1）： 8093.

[27]Tagliaro F， Bortolotti F. Recent advances in the applications of CE to forensic sciences （20052007） [J]. Electrophoresis， 2008， 29（1）： 2608.

[28]Herrero M， GarciaCanas V， Simo C， et al. Recent advances in the application of capillary electromigration methods for food analysis and Foodomics [J]. Electrophoresis， 2010， 31（1）： 20528.

[29]Saylor R A， Lunte S M. A review of microdialysis coupled to microchip electrophoresis for monitoring biological events [J]. Journal of chromatography A， 2015， 1382（4864）.