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传感器在芯片实验室中的应用分析

作者：骆丁菱

来源：《山东工业技术》2016年第15期

摘 要：由于社会经济和科技的发展，在环境、司法亦或是医学鉴定等领域，对高科技要求越发精密化，而就在这一时期，电化学传感器的发明与创造，具有着精确度高、灵敏度高、能耗小、成本低且微型化的优势，使得人们在对这些领域的探索变得相对容易、快捷、精细许多，也将芯片实验室再次推入众人的眼帘，所谓的芯片实验室其实就是一种微型化主要应用于生化的分析仪器，而电化学传感器是则是其中一种传感设施。本文主要介绍电化学传感器的原理、分类和在芯片实验室中的应用。

关键词：电化学传感器；芯片实验室；应用分析 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.15.235 0 引言

电化学传感器是分析科学的一个活跃研究前景，它能够在一定范围内感应出生物或化学能量，并且按照规律将感应到的信息转换为电信号的传输设施。芯片实验室（LOC）通过微电子加工技术在固态芯片表层创建小微型生物化学分析库，从而达到对有机物、无机离子、核酸以及蛋白质等的生化成分分析的精确、迅速和批量化检测，是现阶段以微电子、生物、化学等技术领域为基础的共同发展的新一代生化检测手段。换句话来说，芯片实验室是为了将样品分析、生化反应以及检测结果等集中化在微型芯片上进行微型全面性分析检测的生化分析仪，致力于将传统大型生化分析仪器改造成具有个性化的家用方便型仪器。

就目前而言，激光诱导荧光法（LIF）、质谱法（MS）、电化学法（EC）是芯片实验室检测应用最广的三种检测方法。LIF法是三种检测中灵敏度最高的，但制约其广泛使用因素在于检验设施价格高、体型大的劣势，与微型芯片实验室不符合；MS法现在出现了质谱仪同芯片实验室连接的问题，因此，此法适用于物质成分分析要求较高的检测领域；电化学传感器法结合以上两种方法的优势，具有高度选择性、灵敏度、精确度以及低成本、低能耗和微小型的特点，适合批量化生产。根据检测途径及其输出信号的不同，将电化学传感器分为三种类型即电流、电导、电位的形式。

1 电流型化学传感器中的原理与应用

电流型化学传感器的原理：在正、负两极之间加入一定外来电压，使得被检测的活性物质在电极表层发生氧化还原性反应，而产物氧化还原电流的大小在一定条件下与待测物质的量呈现线性相关的关系。运行电极的制作原料和检测加入的电压决定了电流型化学传感器的选择性

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好坏，而制作原料包括：金、铂、碳纤维等，由于原料都有各自优点，所以制作原料的选定是根据被检测的对象来确定。

如今它已在人体代谢物、有机物污染、核酸片段、氨基酸、神经递质、炸药以及多肽等成分分析中应用广泛。比如运用光刻技术在玻璃的电泳芯片上制作出了pt电极以及对电极，实现对多巴胺、儿茶酚以及肾上腺素的分离及检测；在DNA溶液中加特定的活性物质，使得DNA特定片段同沙门菌PCR扩增的产物产生间接性电化学检测，此芯片实验室提高了分离率以及检测的灵敏度。

2 电导型化学传感器原理与应用

事实上，电导型电化学传感器是理论上作用于双电层的一种传感技术，而物质吸附的多少与表面电荷的变化对双电层会产生直接的影响。将正、负极放入电解质的溶液中，电极的液面可看成平行的电容器，给这两电极添加一定电压，此时的溶液在电磁场的作用下离子会发生转移，以此来产生电流，那么我们可以得出，电流量的大小与溶液的电导率呈正比例关系。而其中的电导率影响因素包括：溶液的离子浓度、离子的带电荷数以及温度等。若其中的温度、离子浓度等变量达到恒定，则可以通过测溶液的电导率推导出该溶液中的带电离子荷数。因此从理论上说，该传感器是灵敏度最高的电化学检测分析方法，然在现实情况中溶液的电导测量并不是非特异性的存在，溶液中含有大量的不需要检测的离子，导致干扰性巨大也就是所谓的背景信号高，使得电导型化学传感器主要用于对无机快速转移离子、特定有机物的检测分析。 比如使用热压印法在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中压印出需要的电泳槽，再运用溅射沉积的手段在另一PMMA中制作PT式电极，而其中的芯片则使用均速电泳分离的形式将乳酸等的7类有机酸采取分离测验，由于使用的有机聚合物制作成本低，适合进行一次性使用的检测项目。不过需要注意的是电极污染这类情况的发生，因此，一般情况下多运用间接式电导检测，比如将PMMA用作芯片的材料，把电极表面覆盖上铝膜，此法就有效避免直接性接触，克服无机阴、阳离子的分离检测困难。 3 电位型化学传感器的原理与应用

电位化学传感器就是指传感器运用的电极为离子选择性电极，再用敏感薄膜隔离电极与待测液避免直接接触，这种敏感薄膜可以对该溶液中特定离子起到选择性感应的效果，推动电位的改变，那么等到平衡之后，就可以看出此时的电位变化同检测离子活性的关系符合Nernst方程，换而言之，就是电位变化差和离子活性的对数一定程度上呈线性相关的关系，通过这种关系我们可以进行待测物的检测。

其实在未研发出芯片实验室的时候，就有人将液膜式离子选择性电极、涂丝式电极以及PVC膜式离子选择性电极运用于毛细血管等液态的检测，然要将其运用于现在的微型芯片实验室中，对电极来说所承受的强度以及耐用度还是非常的勉强，所以制约了这些形式的电极在

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芯片实验室中的发展运用，而现阶段将液态转为固态化研究，比如固态ISFET就成为研发热门。 4 结语

通过对三种检测类型的了解，我们可以明显感受到芯片实验室的是生化分析的重点研究对象，它实现了从传统生化分析到电化学传感器在芯片实验室检测的完美跨步，大大提高生化分析的效率以及改变了检测手段，使它更符合当今社会发展的需求，因此具有广阔的应用前景、价值。当然伴随制作科技的成熟与各种新材料的研发，芯片实验室将更加趋向于集约化方向发展，其传感器的改造则完全符合集约化发展方向。因此，电化学传感器会成为新时代芯片实验室的实力代表作，代表着科技的研究高度与深度。 参考文献：

[1]曾勇，陈洪，庞代文，王宗礼，程介克.新型芯片毛细管电泳电化学检测系统及其在神经递质分离检测中的应用[J].高等学校化学学报，2002（04）.

[2]傅贤明，刘智晶，蔡淑贤，李萍，李云腾，陈敬华.基于DNA银铂双金属纳米簇的电化学传感器用于Hg2+的检测[J].分析测试学报， 2016（04）.

[3]刘建国，安振涛，张倩.新型电化学传感器的研究进展[J].传感器与微系统，2013（07）.