流控參比電極系統(tǒng)以及應(yīng)用其的生化分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物化學(xué)分析領(lǐng)域，特別涉及流控參比電極系統(tǒng)以及應(yīng)用其的生化分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]過去的幾十年里，在摩爾定律的指導(dǎo)下，微電子技術(shù)以驚人的速度迅猛發(fā)展。在繁榮的微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加快了信息的加工處理速度與信息的傳輸速率，大大方便了信息的傳遞與獲取，為人類生活帶來了翻天覆地的變化。由于電信號具有易處理易傳輸易保持的特性，科學(xué)家致力于將壓力、溫度、pH等各種各樣的信號轉(zhuǎn)化成電信號以便加工處理，從而實現(xiàn)對各種變化過程的檢測和控制。
[0003]在電化學(xué)的研究中，尤其是各種電化學(xué)參數(shù)的測量中，三電極體系因其操作方便，所得數(shù)據(jù)可信度高而備受青睞。三電極由測試電極、參比電極和輔助電極組成，三電極體系包含兩個回路，一個回路有測試電極和參比電極組成，用來測試測試電極的電化學(xué)反應(yīng)過程，一般可稱為測量回路；另一個回路有測試電極和輔助電極組成，起傳輸電子形成回路的作用，一般可稱為極化回路。在測定測試電極的電化學(xué)反應(yīng)過程中，希望參比電極上通過的電流盡量小，以此減小因電極極化引起的誤差。傳統(tǒng)意義上的參比電極是指用于測量指示電極電位的電極，一般要求電極電位已知、恒定，重現(xiàn)性好，溫度系數(shù)小，電流通過時極化電位及機械擾動的影響小等。
[0004]在傳統(tǒng)的電化學(xué)研究中，常使用飽和甘汞電極、銀-氯化銀電極等作為參比電極使用，如圖1所示，I為金屬頭，2為不溶性鹽或金屬氧化物，3為陰離子池，4為帶有孔洞的密封層。其中孔洞部分包含半透薄膜，對特定的離子具有選擇透過性，最常見的為甘汞電極、銀-氯化銀電極和飽和硫酸銅電極等。當(dāng)參比電極正常工作時，金屬及其不溶性鹽或氧化物與陰離子池中的陰離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電極電位，由于陰離子池保證了反應(yīng)環(huán)境的穩(wěn)定因而保證了電極電位的穩(wěn)定。反應(yīng)產(chǎn)生的陽離子或陰離子通過密封層的孔洞與試液進行交換，從而將參比電極的電極電勢傳遞給試液。但這種電極存在體積大、壽命短、以及電解質(zhì)添加、半透更換與維護、電極保存均非常復(fù)雜的缺陷。
[0005]為了檢測溶液中特定離子的濃度，出現(xiàn)了一種將場效應(yīng)管與離子檢測結(jié)合起來的離子敏感場效應(yīng)管(1n-Sensitive Field Effect Transistor，簡稱 “ ISFET”)。利用ISFET可以檢測試液中的離子或分子，保持外加參比電壓信號不變，當(dāng)試液中特定的離子或分子與ISFET的敏感膜發(fā)生反應(yīng)時，會引起場效應(yīng)管溝道的能帶變化，通過測量ISFET源漏端電信號可以檢測試液中是否含有特定的成分。傳統(tǒng)的參比電極可以為試液提供穩(wěn)定的電勢，但是由于傳統(tǒng)參比電極以特定溶質(zhì)的水溶液作為緩沖介質(zhì)，體積較大，為了滿足生化檢測設(shè)備小型化的需要，又發(fā)展出傳統(tǒng)新型參比電極，通過改變參比電極的結(jié)構(gòu)和組成材料縮小電極的尺寸。
[0006]惰性金屬具有優(yōu)良的物理特性和穩(wěn)定的化學(xué)特性，尤其鉑金屬經(jīng)常被用作水的電解電極而不會被消耗。但是，研究發(fā)現(xiàn)由于惰性電極直接與試液進行接觸，因此電極電勢會受試液成分的影響。理論上差分型參比系統(tǒng)可以在獲得穩(wěn)定可靠信號的同時縮小器件的尺寸，并有望大規(guī)模地集成，實現(xiàn)在一塊芯片上完成幾千萬項測試的目標(biāo)。但就目前來看，還沒有出現(xiàn)一種公認(rèn)的鈍化材料，在保證參比場效應(yīng)管(REFET)與試液不發(fā)生任何反應(yīng)的同時保證不改變REFET的電學(xué)參數(shù)，同時REFET鈍化層的制備也會大大增加工藝的成本。背部引入柵電極的ISFET基于SOI硅片，背部電極通過電容耦合的方式作用于ISFET，避免了與試液直接接觸，因此電極電勢不會受試液成分的影響。但是由于SOI硅片的氧化隔離層厚度較大，背部電極施加的電壓一般比較大，因此降低了器件的精度和穩(wěn)定性。實驗發(fā)現(xiàn)，通過在導(dǎo)電聚合物中填充特定的緩沖物質(zhì)也可以制備參比電極，但是，其工作機理尚不明確。
[0007]通過研究發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的檢測手段，利用ISFET進行生化檢測具有很多優(yōu)點，可以簡化檢測步驟，提高檢測速率。而由于ISFET工作在小信號狀態(tài)，對試液的電勢變化十分明顯，因此需要參比電極為試液提供穩(wěn)定的電勢，隨著ISFET在生化檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，簡易、穩(wěn)定的參比電極系統(tǒng)也會變得越來越重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種流控參比電極系統(tǒng)以及應(yīng)用其的生化分析方法，使得流控參比電極系統(tǒng)可集成，易于維護，并且使用壽命長。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施方式提供了一種流控參比電極系統(tǒng)，包含:一個參比液注入口，至少一個待測液注入口，至少一個出口，參比通道，待測液通道和檢測通道;
[0010]所述參比液注入口與所述參比通道連通；所述待測液注入口與所述待測液通道連通；所述檢測通道與所述出口連通；所述參比通道、所述待測液通道、所述檢測通道交匯；
[0011]所述參比通道連接準(zhǔn)參比電極；所述檢測通道連接測試電極。
[0012]本發(fā)明的實施方式還提供了一種應(yīng)用上述流控參比電極系統(tǒng)的生化分析方法，包含以下步驟:
[0013]從所述參比液注入口注入?yún)⒈葏⒈纫?；其中，注入所述參比溶液的速度根?jù)所述參比通道與所述待測液通道之間的夾角及內(nèi)徑值確定；
[0014]待參比液注入結(jié)束之后，從所述待測液注入口注入待測試溶液；其中，注入待測試溶液的速度根據(jù)所述參比通道與所述待測液通道之間的夾角及內(nèi)徑值、測試電極的響應(yīng)時間確定；
[0015]監(jiān)測測試電極的電信號，并分析所述待測試溶液的組成成分或濃度。
[0016]本發(fā)明實施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，利用流控技術(shù)將參比電極系統(tǒng)與測試電極整合在一起，通過通道內(nèi)流動的參比液與準(zhǔn)參比電極構(gòu)成流控參比電極系統(tǒng)為測試電極提供穩(wěn)定的參比電勢，一方面將參比通道與檢測通道整合實現(xiàn)了參比系統(tǒng)與測試電極的集成，另一方面流動的參比液可以避免傳統(tǒng)參比電極中因為參比液有效成分的耗盡或參比液中流入了測試液中的污染離子或分子導(dǎo)致參比作用失效，最后一方面當(dāng)確定了準(zhǔn)參比電極后，只需沖入合適的參比液便可實現(xiàn)參比電極系統(tǒng)的參比作用，由于此時參比電極系統(tǒng)使用壽命及穩(wěn)定性主要由所選準(zhǔn)參比電極物理化學(xué)特性及參比液種類決定，因此一旦確定了特性穩(wěn)定的準(zhǔn)參比電極及適當(dāng)?shù)膮⒈纫悍N類，參比電極可以無限制地循環(huán)使用下去。綜上，使得本發(fā)明的參比電極可集成在檢測系統(tǒng)中，具有電解質(zhì)的添加簡單，無需半透膜，易于維護，壽命長等優(yōu)點。
[0017]另外，所述參比液通道與所述待測液通道之間的夾角呈預(yù)設(shè)角度，可以通過調(diào)整參比液通道與待測液通道之間的夾角，減小沖洗死角的大小，湍流區(qū)域的大小以及強度。
[0018]另外，所述參比液通道與所述待測液通道之間的夾角呈90度，其中一個通道呈水平方向，另一個通道呈豎直方向，且豎直方向的通道的內(nèi)徑與水平方向的通道內(nèi)徑呈預(yù)設(shè)值。
[0019]另外，所述參比液通道上設(shè)有一開口，所述準(zhǔn)參比電極從所述開口處連接到通道內(nèi)；或者，所述準(zhǔn)參比電極從所述參比液注入口連接到所述參比通道內(nèi)。使得參比電極與參比液充分接觸，進一步提供穩(wěn)定的參比電極電位。
[0020]另外，所述測試電極為離子敏感場效應(yīng)管ISFET或金屬敏感電極；所述檢測通道上設(shè)有一開口，所述ISFET的柵極及所述金屬敏感電極安裝在所述開口處，方便將參比電極系統(tǒng)與測量模塊集成。
[0021]另外，所述流控參比電極系統(tǒng)還包含廢液通道；所述參比液通道、所述待測液通道、所述檢測通道和所述廢液通道交匯。使得參比液可以直接從出口處流出，無需轉(zhuǎn)向，從而避免形成沖洗死角。
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