一种电化学检测芯片及其制备方法与应用

1.本发明具体涉及电化学芯片技术领域，具体涉及一种电化学检测芯片及其制备方法与应用。


背景技术：

2.随着人民生活水准的不断提高，使得人民对生活品质要求更高。类黄酮是一类广泛存在于在水果、蔬菜、谷物以及茶叶等农副产品中的天然生理活性物质，具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤、抗菌、抗病毒等多种生物活性。类黄酮的含量往往决定了这些农副产品及其加工产品的品质。例如，《中国药典》规定化州橘红中的柚皮苷含量不得低于3.5％，陈皮中的橙皮苷含量不得低于2.0％。
3.传统的类黄酮分析检测方法包括紫外-可见分光光度法、高效液相色谱法、气相色谱法等，这些方法普遍存在样品处理繁琐、仪器设备复杂、分析检测耗时较长、费用较高等问题，尤其不适用于日常生活中食品和农产品中类黄酮含量的快速测定。
4.近年来，基于电化学的分析技术得到了广泛关注，但目前并未存在适用于包括橙皮苷等植物类黄酮的检测传统电化学芯片，且检测精度低，同时传统电化学芯片的电极制备方法较为复杂，且电极材料通常较贵，限制了其在实际生产中的广泛使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中对包括橙皮苷等植物类黄酮的传统检测效率低，同时电化学检测精度低、成本高等问题，本发明提供了一种电化学检测芯片。
6.本发明的另一目的在于提供制备上述所述的电化学检测芯片的方法。
7.本发明的目的还在于提供上述所述的电化学检测芯片的应用，具体可应用于快速检测橙皮苷的浓度、快速检测柚皮苷的浓度或同步快速检测橙皮苷及柚皮苷的浓度。
8.本发明的目的通过如下技术方案实现。
9.一种电化学检测芯片，包括芯片基底，所述芯片基底上设置有工作电极、辅助电极、参比电极以及微型反应池；所述工作电极、辅助电极以及参比电极均在所述微型反应池内具有延伸；
10.所述芯片基底为聚酰亚胺薄膜；所述工作电极以及所述辅助电极为所述芯片基底上经激光诱导产生。
11.在优选的实施例中，所述芯片基底的厚度为0.5～2.5mm。
12.在优选的实施例中，所述参比电极为导电银浆料或银氯化银浆料在所述芯片基底上经涂敷和干燥后形成。
13.在优选的实施例中，所述微型反应池为圆孔硅胶薄片胶粘在所述芯片基底上形成的微型槽。
14.在优选的实施例中，任一项所述的电化学检测芯片，所述微型反应池的直径为1.0～1.5cm，高度为0.5～2.0mm。
15.一种电化学检测芯片的制备方法，包括如下步骤：
16.s1、设计电化学检测芯片的结构，包括工作电极、辅助电极、参比电极和微型反应池的位置分布；
17.s2、在聚酰亚胺薄膜上激光雕刻出所述工作电极和所述辅助电极；
18.s3、将导电银浆料或银氯化银浆料均匀涂敷在设计的所述参比电极的分布区域，80～120℃烘1～5小时，获得三电极电化学芯片；
19.s4、将聚二甲基硅氧烷预聚物和固化剂混合均匀后，于60～100℃干燥固化10～60分钟，获得硅胶薄片，其中硅胶薄片厚度为0.5～2.0mm；在所述硅胶薄片的表面打孔，其中圆孔直径为1.0～1.5cm，获得圆孔硅胶薄片；
20.s5、将所述圆孔硅胶片与所述三电极电化学芯片胶粘，获得所述电化学检测芯片。
21.在优选的实施例中，所述激光雕刻的激光波长为405nm，激光功率为1500～3000mw。通过激光诱导在聚酰亚胺薄膜表面产生具有三维空间结构的石墨烯，进而制备电化学芯片。
22.上述任一项所述的电化学检测芯片的应用，包括用于快速检测橙皮苷浓度、用于快速检测柚皮苷的浓度或用于同步快速检测橙皮苷和柚皮苷的浓度。具体的，通过橙皮苷、柚皮苷在所述电化学检测芯片上发生电催化氧化反应产生催化电流，根据产生催化电流时的电压位置，可判断被测物质为橙皮苷或柚皮苷，进一步根据产生的催化电流的大小可以计算橙皮苷、柚皮苷的浓度。
23.上述任一项所述的电化学检测芯片在快速检测橙皮苷浓度中的应用，通过橙皮苷溶液在所述电化学检测芯片发生电化学反应产生的催化电流大小，计算橙皮苷的浓度，包括如下步骤：
24.s1、将所述电化学检测芯片与电化学工作站对应的接口连接；
25.s2、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入缓冲溶液，测量并获得空白溶液的线性伏安曲线；
26.s3、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入不同浓度的橙皮苷溶液，测量并获得不同浓度的橙皮苷溶液的伏安曲线；
27.s4、根据不同浓度的橙皮苷溶液对应的伏安曲线，确定各伏安曲线相应的催化电流值，进而确定橙皮苷浓度与催化电流之间的关系，制作浓度-电流曲线模型；
28.s5、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入目标橙皮苷溶液，测量目标橙皮苷溶液的电流值，并与所述浓度-电流曲线模型对照，确定目标橙皮苷溶液中橙皮苷的浓度。
29.上述任一项所述的电化学检测芯片在快速检测柚皮苷浓度中的应用，通过柚皮苷溶液在所述电化学检测芯片发生电化学反应产生的催化电流大小，计算柚皮苷的浓度，包括如下步骤：
30.s1、将所述电化学检测芯片与电化学工作站对应的接口连接；
31.s2、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入缓冲溶液，测量并获得空白溶液的线性伏安曲线；
32.s3、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入不同浓度的柚皮苷溶液，测量并获得不同浓度的柚皮苷溶液的伏安曲线；
33.s4、根据不同浓度的柚皮苷溶液对应的伏安曲线，确定各伏安曲线相应的催化电
流值，进而确定柚皮苷浓度与催化电流之间的关系，制作浓度-电流曲线模型；
34.s5、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入目标柚皮苷溶液，测量目标柚皮苷溶液的电流值，并与所述浓度-电流曲线模型对照，确定目标柚皮苷溶液中柚皮苷的浓度。
35.上述任一项所述的电化学检测芯片在同步快速检测橙皮苷和柚皮苷浓度中的应用，通过橙皮苷和柚皮苷混合溶液在所述电化学检测芯片发生电化学反应产生的催化电流大小，分别计算橙皮苷和柚皮苷的浓度，包括如下步骤：
36.s1、将所述电化学检测芯片与电化学工作站对应的接口连接；
37.s2、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入缓冲溶液，测量并获得空白溶液的线性伏安曲线；
38.s3、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入不同浓度的橙皮苷/柚皮苷混合溶液，测量并获得不同浓度的橙皮苷/柚皮苷混合溶液的伏安曲线；
39.s4、根据不同浓度的橙皮苷/柚皮苷混合溶液对应的伏安曲线，确定各伏安曲线相应的橙皮苷、柚皮苷相应的催化电流值，进而确定橙皮苷、柚皮苷与催化电流之间的关系，制作浓度-电流曲线模型；
40.s5、向所述电化学检测芯片的微型反应池加入目标橙皮苷/柚皮苷混合溶液，测量目标橙皮苷/柚皮苷混合溶液的电流值，并与所述浓度-电流曲线模型对照，确定橙皮苷/柚皮苷混合溶液中橙皮苷、柚皮苷各自的浓度。
41.在优选的实施例中，上述任一项所述的应用，所述缓冲溶液的加入量为100μl～200μl。
42.在优选的实施例中，上述任一项所述的应用，所述伏安曲线在电位范围为0.7～0.2v、扫描速率为0.01v/s的条件下测量获得。所述伏安曲线包括循环伏安曲线或线性伏安扫描曲线。
43.在优选的实施例中，上述任一项所述的应用，所述缓冲溶液包括磷酸缓冲溶液。
44.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
45.本发明的电化学检测芯片具有集成度高、体积小、结构简便、成本低、实用性强、灵敏度高(橙皮苷和柚皮苷检测灵敏度分别可达13.8μa/mmol/l和18.8μa/mmol/l)、检测时间短(单次检测时间50s)、检测限低(橙皮苷和柚皮苷最低检测浓度可达5
×
10-8
mmol/l)、加标回收率高(90％～110％)、所需检测样品少、检测流程简单等特点，且易于制备，可用于食品检测、农产品质量控制等领域，特别适用于日常生活中食品药品质量和农产品品质的快速评价，具有广阔应用前景。
46.本发明的制备方法可实现所述电化学检测芯片的大规模的高效生产，从而有利于所述电化学检测芯片的广泛应用。
47.本发明的电化学检测芯片对溶液中橙皮苷和柚皮苷具有高灵敏响应，可实现对溶液中橙皮苷单独快速检测、实现对溶液中柚皮苷单独快速检测或实现对溶液中橙皮苷和橙皮苷同步快速检测，能够用于即时、快速检测实际样品中橙皮苷和柚皮苷含量。
附图说明
48.图1为本发明的电化学检测芯片的结构示意图；
49.图2为实施例一的电化学检测芯片的工作电极的扫描电镜图；
50.图3为实施例二中检测橙皮苷的线性伏安曲线图；
51.图4为实施例二中检测橙皮苷的浓度-电流曲线模型图；
52.图5为实施例二中检测橙皮苷的检测曲线图；
53.图6为实施例三中检测柚皮苷的线性伏安曲线图；
54.图7为实施例三中检测柚皮苷的浓度-电流曲线模型图；
55.图8为实施例三中检测柚皮苷的检测曲线图；
56.图9为实施例四中同步检测橙皮苷及柚皮苷的线性伏安曲线图；
57.图10为实施例四中同步检测橙皮苷及柚皮苷的浓度-电流曲线模型图；
58.图11为实施例四中同步检测橙皮苷及柚皮苷混合溶液的检测曲线图；
59.附图标注：1-芯片基底，2-工作电极，3-辅助电极，4-参比电极，5-微型反应池。
具体实施方式
60.以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细的描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
61.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
62.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本发明采用的试剂、设备和方法均为本技术领域常规市购的试剂、设备和常规使用的方法。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
63.除非另有规定，本文使用的所有技术术语和科学术语具有要求保护主题所属领域的标准含义。倘若对于某术语存在多个定义，则以本文定义为准。
64.除非另有指明，本发明采用分析化学、有机合成化学和光学的标准命名及标准实验室步骤和技术。在某些情况下，标准技术被用于化学合成、化学分析。
65.应该理解，在本发明中使用的单数形式，如“一种”，包括复数指代，除非另有规定。此外，术语“包括”、“含有”、“具有”是开放性限定并非封闭式，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。换言之，所述术语也包括“基本上由
…
构成”、或“由
…
构成”。另外，说明书中的“及其组合”指的是列举的所有项目的任意组合形式。
66.在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
67.本发明的电化学检测芯片，请参阅图1所示，包括芯片基底1。所述芯片基底1上设置有工作电极2、辅助电极3、参比电极4以及微型反应池5。
68.其中，所述芯片基底1为聚酰亚胺薄膜，所述芯片基底1的厚度为0.5～2.5mm。在具体的一些实施例中，芯片基底1的长度为2～5cm，宽为1～2cm。所述工作电极2以及所述辅助电极3为所述芯片基底1上经激光诱导产生，而所述参比电极4为导电银浆料或银氯化银浆料在所述芯片基底1上经涂敷和干燥后形成。所述微型反应池5为圆孔硅胶薄片胶粘在所述芯片基底1上形成的微型槽，所述微型反应池5的直径为1～1.5cm，高度为0.5～2.0mm。
69.而且，所述工作电极2、辅助电极3以及参比电极4均在所述微型反应池4内具有延
伸。检测应用时，待检测溶液在微型反应池5反应，产生的催化电流使工作电极2相对参比电极4具有电势差，而辅助电极3极化，从而使催化电流的电压位置可被检测出，进而可计算获得待检测溶液的浓度。
70.实施例一
71.本实施例的电化学检测芯片的制备，具体步骤如下：
72.s1、利用画图软件在电脑上设计出电化学芯片，包括工作电极、辅助电极、参比电极和微型反应池的位置分布。
73.s2、通过激光雕刻机在聚酰亚胺薄膜上打印出工作电极和辅助电极；其中，激光波长为405nm，激光功率为1800mw。
74.s3、将导电银浆料均匀涂敷在参比电极区域，然后放入干燥箱中，温度控制为90摄氏度，干燥时间控制为4小时后，制得三电极电化学芯片。
75.s4、将聚二甲基硅氧烷预聚物(如：道康宁sylgard184)和固化剂(如：道康宁sylguard-184b)按质量比10:1混合均匀后，倒入培养皿中，待其流平后，放入干燥箱中固化，固化温度控制为60摄氏度，时间控制为30分钟，厚度为1mm；
76.利用打孔器在聚二甲基硅氧烷表面打孔，形成圆孔聚二甲基硅氧烷片，孔径为控制为1cm。
77.s5、将圆孔聚二甲基硅氧烷片与三电极电化学芯片胶粘，即得电化学检测芯片。
78.制备的电化学检测芯片的结构示意图如图1所示，且其中工作电极的扫描电镜图如图2所示，由图2可知，该工作电极具有三维多孔的表面结构，因此具有较大的比表面积，检测灵敏度高。
79.实施例二
80.采用实施例一的电化学检测芯片进行橙皮苷浓度的检测，步骤如下：
81.s1、将电化学检测芯片与电化学工作站对应的接口连接；
82.s2、向电化学检测芯片的微型反应池中加入200μl磷酸缓冲溶液，在电位扫描范围为0.7～0.2v、扫描速率为0.01v/s的条件下，测得空白溶液的线性伏安曲线；
83.s3、向磷酸缓冲溶液中分别加入不同量的橙皮苷溶液，并使最终浓度为0.00005mmol/l、0.0001mmol/l、0.0005mmol/l、0.001mmol/l、0.002mmol/l、0.004mmol/l、0.006mmol/l、0.008mmol/l、0.01mmol/l、0.015mmol/l、0.020mmol/l、0.030mmol/l、0.040mmol/l、0.060mmol/l、0.080mmol/l、0.100mmol/l，在电位扫描范围为0.7～0.2v、扫描速率为0.01v/s的条件下进行线性伏安扫描，测得线性伏安曲线，如图3所示；其中，由图3显示结果可知，随着加入的橙皮苷浓度的增加，所获得的催化电流随之增大。
84.s4、通过对线性伏安曲线做切线扣除背景电流，读取不同浓度下线性伏安曲线的峰电流值，即为催化电流值，建立峰电流值与橙皮苷浓度的对应关系，得到浓度-电流曲线模型，并进行线性拟合；如图4所示，该浓度-电流曲线模型的线性关系为：y＝13.803x 0.1403(r2＝0.96)。结果表明，获得的电化学检测芯片可实现橙皮苷浓度为0.00005mmol/l～0.100mmol/l范围内的线性检测。
85.s5、向电化学检测芯片的微型反应池加入橙皮苷溶液，使其目标浓度为0.025mmol/l，获得目标橙皮苷溶液；测得目标橙皮苷溶液的峰电流值为0.503μa，相应的检测曲线如图5所示，与所述浓度-电流曲线模型对照，计算所得橙皮苷浓度为0.026mmol/l，
回收率为104％。
86.实施例三
87.采用实施例一的电化学检测芯片进行柚皮苷浓度的检测，步骤如下：
88.s1、将电化学检测芯片与电化学工作站对应的接口连接；
89.s2、向电化学检测芯片的微型反应池中加入200μl磷酸缓冲溶液，在电位扫描范围为0.7～0.2v、扫描速率为0.01v/s的条件下，测得空白溶液的线性伏安曲线；
90.s3、向磷酸缓冲溶液中分别加入不同量的柚皮苷溶液，并使最终浓度为0.00005mmol/l、0.0001mmol/l、0.0005mmol/l、0.001mmol/l、0.002mmol/l、0.004mmol/l、0.006mmol/l、0.008mmol/l、0.01mmol/l、0.015mmol/l、0.020mmol/l、0.030mmol/l、0.040mmol/l、0.060mmol/l、0.080mmol/l、0.100mmol/l，在电位扫描范围为0.7～0.2v、扫描速率为0.01v/s的条件下进行线性伏安扫描，测得线性伏安曲线，如图6所示；其中，由图6显示结果可知，随着加入的橙皮苷浓度的增加，所获得的催化电流随之增大。
91.s4、通过对线性伏安曲线做切线扣除背景电流，读取不同浓度下线性伏安曲线的峰电流值，即为催化电流值，建立峰电流值与柚皮苷浓度的对应关系，得到浓度-电流曲线模型，并进行线性拟合；如图7所示，该浓度-电流曲线模型的线性关系为：y＝18.775x 0.1882(r2＝0.97)。结果表明，获得的电化学监测芯片可实现柚皮苷浓度为0.00005mmol/l～0.100mmol/l范围内的线性检测。
92.s5、向电化学检测芯片的微型反应池加入柚皮苷溶液，使其目标浓度为0.025mmol/l，获得目标柚皮苷溶液；测得目标柚皮苷溶液的峰电流值为0.678μa，相应的检测曲线如图8所示，与所述浓度-电流曲线模型对照，计算所得柚皮苷浓度为0.026mmol/l，回收率为104％。
93.实施例四
94.采用实施例一的电化学检测芯片同步快速检测橙皮苷和柚皮苷的浓度，步骤如下：
95.s1、将电化学检测芯片与电化学工作站对应的接口连接；
96.s2、向电化学检测芯片的微型反应池中加入200μl磷酸缓冲溶液，在电位扫描范围为0.7～0.2v、扫描速率为0.01v/s的条件下，测得空白溶液的线性伏安曲线；
97.s3、向磷酸缓冲溶液中分别加入不同量的橙皮苷/柚皮苷混合溶液，并使最终浓度为0.00005mmol/l、0.0001mmol/l、0.0005mmol/l、0.001mmol/l、0.002mmol/l、0.004mmol/l、0.006mmol/l、0.008mmol/l、0.01mmol/l、0.015mmol/l、0.020mmol/l、0.030mmol/l、0.040mmol/l、0.060mmol/l、0.080mmol/l、0.100mmol/l，在电位扫描范围为0.7～0.2v、扫描速率为0.01v/s的条件下进行线性伏安扫描，测得线性伏安曲线，如图9所示；其中，由图6显示结果可知，随着加入的橙皮苷和柚皮苷浓度的增加，所获得的催化电流随之增大。
98.s4、通过对线性伏安曲线做切线扣除背景电流，读取不同浓度下线性伏安曲线的峰电流值，即为催化电流值，并建立峰电流值与橙皮苷和柚皮苷浓度的对应关系，得到浓度-电流曲线模型，并进行线性拟合；如图10所示，该浓度-电流曲线模型的线性关系分别为：y＝13.901x 0.112(r2＝0.98，橙皮苷)和y＝18.076x 0.1231(r2＝0.98，柚皮苷)。结果表明，获得的电化学芯片可实现橙皮苷和柚皮苷混合溶液中浓度为0.00005mmol/l～0.100mmol/l范围内的线性检测。
99.s5、向电化学检测芯片的微型反应池加入橙皮苷和柚皮苷的混合溶液，使两者目标浓度均为0.025mmol/l，获得目标橙皮苷/柚皮苷混合溶液；测得目标橙皮苷/柚皮苷混合溶液对应橙皮苷及柚皮苷的峰电流值分别为0.484μa和0.544μa，相应的检测曲线如图11所示，与所述浓度-电流曲线模型对照，计算所得橙皮苷和柚皮苷浓度分别为0.027mmol/l和0.023mmol/l，回收率分别为108％和92％。
100.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，本说明书为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述。然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。而且，以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。
101.应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。