电化学芯片的表面功能化及微流集成化研究

摘要

电化学传感器具有灵敏度高、可控性好、检测快速、制作成本低、易于微型化等特点，是目前研究最多、应用最广的一种传感器。随着纳米材料和纳米技术的不断发展，电化学传感器呈现以下发展趋势:1)电极表面功能化，不断提高电化学生物传感器的灵敏度、选择性和稳定性;2）器件模块微型化，构建自动化检测待测液滴的全微分析系统。本论文针对这两大发展趋势，开展了新一代“纳米修饰传感器”和“集成微流技术的片上检测系统”的创新研究。
　　1.通过一步电聚合法，制备了聚吡咯/石墨烯(PPy/GE)复合纳米材料修饰的电化学电极。该修饰电极具有出色的电化学特性，而且对H2O2的氧化和还原过程均表现出很强的电催化作用。在优化的电催化还原条件下，构建了无酶型H2O2传感器芯片，其线性工作范围是1～10 mM，检出限约为32μA mM-1cm-2。
　　2.采用电化学氧化法，首次制备了过氧化聚吡咯-石墨烯-金(OPPy/GE/Au)电极，并利用OPPy膜的阳离子选择渗透性和GE超高的导电性，初步研究了OPPy/GE修饰电极对多巴胺(DA)的选择性测定。研究表明，该修饰微电极不仅对DA的氧化具有很强的电催化活性，对抗坏血酸(AA)也有很强的静电抑制作用。在最优电聚合时间(40s)条件下，DA在OPPy/GE修饰电极上的峰电流是裸电极的7倍以上，峰-峰电位差缩小了26 mV。
　　3.开创性地研制了集成电化学(EC)模块和介质上电润湿(Electrowetting-on-dielectrics，EWOD)数字微流模块的芯片实验室(Lab-on-chip,LOC)，首次实现了单极板和双极板两种结构的片上集成LOC系统。在单片集成LOC中，重点探索了关键工艺的制备条件，实现了氧化还原探针液滴的片上自动化检测功能。新型的双极板集成LOC系统，不仅进一步降低了外加驱动电压，提高了器件的稳定性和可靠性，并初步应用于DA的在线检测，其灵敏度约为2.145μA/μM/cm2，检出限约为0.42μM。

目录

图表目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 电化学传感器

1．2．1 电化学传感器的工作原理

1．2．2 电化学传感器电极的研究发展

1．2．3 新型电化学传感器的展望

1．3 纳米材料在电化学传感器方面的应用研究

1．3．1 纳米材料的概念与特性

1．3．2 纳米材料修饰电极的制备方法

1．3．3 纳米材料在电化学传感器中的应用研究

1．4 芯片实验室(LOC)的概述

1．4．1 LOC中的微流体技术

1．4．2 LOC中的检测技术

1．4．3 集成LOC系统的挑战

1．5 本文研究目标及结构

第二章 相关理论与技术

2．1 电化学传感器的相关理论与技术

2．1．1 微电极的三维扩散方程

2．1．2 微电极阵列的扩散模型

2．1．3 循环伏安检测技术

2．2 介电湿润的相关原理与技术

2．2．1 介质上电润湿效应

2．2．2 EWOD实验系统架设

第三章 聚吡咯／石墨烯修饰的片上电化学微电极及其应用

3．1 引言

3．2 聚吡咯／石墨烯修饰微电极的制备

3．2．1 实验试剂及仪器

3．2．2 电化学微电极阵列芯片的制备

3．2．3 PPy／GE修饰微电极的制备

3．3 PPy／GE修饰微电极的表征

3．3．1 PPy／GE复合材料的表征

3．3．2 PPy／GE修饰电极的电化学表征

3．4 PPy／GE修饰电极对H2O2的电催化作用

3．5 PPy／GE修饰电极对H2O2的测定

3．5．1 灵敏度及线性范围

3．5．2 抗干扰性测试

3．5．3 修饰电极的稳定性

3．6 本章小结

第四章 过氧聚吡咯／石墨烯修饰的片上电化学微电极及其应用

4．1 引言

4．2 OPPy／GE修饰微电极的制备

4．2．1 实验仪器及试剂

4．2．2 PPy／GE修饰微电极的制备

4．2．3 OPPy／GE修饰微电极的制备

4．3 OPPy／GE修饰微电极的表征

4．3．1 OPPy／GE复合材料的表征

4．3．2 OPPy／GE修饰电极的电化学表征

4．3．3 DA和AA在OPPy／GE修饰微电极上的电化学行为

4．4 电聚合时间对DA检测的影响

4．5 本章小结

第五章 集成数字微流的片上电化学微分析系统

5．1 引言

5．2 单片集成LOC的设计、制备及测试

5．2．1 单片集成LOC的设计方案

5．2．2 实验仪器及试剂

5．2．3 单片集成LOC的制备流程

5．2．4 单片集成LOC的表征方法

5．2．5 单片集成LOC的工艺条件探索

5．2．6 单片集成LOC的功能检测

5．3 双极板集成LOC的设计及制造

5．3．1 双极板集成LOC的设计方案

5．3．2 实验仪器及试剂

5．3．3 双极板集成LOC的制作工艺

5．3．4 双极板集成LOC的EWOD微流功能

5．3．5 双极板集成LOC对FCM液滴的电化学检测

5．3．5 双极板集成LOC对DA液滴的在线测定

5．4 本章小结

第六章 总结及展望

6．1 完成的工作

6．2 存在的问题及展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和专利申请

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