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非接触电导检测以其简单、灵敏、不受高压电场影响、集成化程度高等优点,被广泛应用于毛细管电泳芯片中,正符合发展集成化和微型化的分析仪器的要求。虽然毛细管电泳非接触电导检测发展迅速,但仍存在微加工工艺复杂,设备昂贵,检测电路不完善,不能完全达到便携式仪器的要求等不足之处。非接触电导检测毛细管电泳微芯片系统还有待进一步完善。
本论文针对非接触电导检测的不足之处,发展了一种简单、快速、高效、低廉、便携式的分析仪器。本文在系统阐述非接触电导检测发展进展和毛细管电泳芯片原理的基础上,提出了一种简单的设计制作毛细管电泳非接触电导检测微芯片的方法,构建了整个检测系统,并将微芯片系统用于重金属离子的检测。该系统集成化程度高、结构简单、成本低,适合大规模生产。
根据非接触电极的几种设计方法,选择最简单的双电极结构,制作了用于非接触电导检测的电极,并集成到毛细管电泳芯片中。采用聚二甲基硅氧烷作为绝缘层的介电材料,将微电极与微管道隔离,简化了芯片的微加工过程。根据非接触电导检测信号的特点,设计制作了两种检测电路,并直接比较了这两种电路的噪声抑制能力。通过初步电泳实验,进一步比较了两种电路的性能。对整个微芯片系统的重复性和线性作了研究,验证了系统的可行性。
根据微芯片系统存在的一些问题,如检测灵敏度低、分离效率低等,对微芯片系统作了改进。增加了微电极的尺寸,进而增加了微电极与微管道的有效接触面积,从而有利于提高检测灵敏度;将相移器添加到检测电路中,形成锁相放大器,进一步优化了电路系统,提高了系统的信噪比。建立了简单的等效电路模型来进一步了解非接触电导检测的原理。优化了各种实验参数,系统的检测灵敏度得到很大提高。K+、Na+和Li+的检测限分别从最初的1.7、2.3和3.1μM减小到0.16、0.39和1.01μM。
将非接触电导检测微芯片系统用于重金属离子的检测。基于非接触电导检测是根据样品与缓冲液的电导差来检测的,对用于检测重金属离子的缓冲液体系作了仔细研究,根据文献资料及实验结果,最终选择2-(N-吗啉代)乙磺酸+L-组氨酸的缓冲体系,可以提供较稳定的基线信号。缓冲液的浓度对检测信号的影响也作了综合判定。优化了检测条件,分离检测了几种重金属离子(Mn2+,pb2+,Cd2+,Co2+和Cu2+),检测限达到0.7-5.4μM。对其浓度线性曲线也作了研究,为以后的实际应用作铺垫。
本论文的研究表明,毛细管电泳非接触电导检测微芯片系统可以实现快速高效的在线分离检测,在环境监测和现场生化分析方面有广阔的应用前景。