用于微升級(jí)樣品pH值測(cè)量的微流控pH傳感器

這種環(huán)保、耐用的新型pH傳感器具有較高的靈敏度，可以準(zhǔn)確地測(cè)量微升級(jí)樣品的pH值變化。

pH值測(cè)量廣泛應(yīng)用于化學(xué)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、生物過程控制和制藥等各個(gè)領(lǐng)域。為了滿足日益增長的新興需求，研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種不同類型的pH傳感器。目前可用的pH值測(cè)量方法包括使用pH試紙、玻璃pH電極、基于聚合物的光學(xué)pH傳感器和離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這些pH傳感器能夠以不同的精度測(cè)量樣本的酸堿度，從而適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

然而，上述pH值測(cè)量方法無法滿足數(shù)十微升級(jí)樣本的pH值的測(cè)量要求。在生物醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，對(duì)微升級(jí)樣本進(jìn)行pH測(cè)量的需求越來越大，包括在癌癥單細(xì)胞體外鑒別過程中以及用于卵巢癌早期檢測(cè)的循環(huán)細(xì)胞外囊泡的pH值測(cè)量等。然而，由于在微系統(tǒng)中將pH敏感材料集成到平面電極上存在困難，有關(guān)納升級(jí)或微升級(jí)樣本的pH測(cè)量的研究非常有限。

在圖中所示吸管的上方，有一個(gè)由8個(gè)微型器件構(gòu)成的模組，其中包括微流控通道和驅(qū)動(dòng)元件。微流控器件通常由數(shù)千個(gè)可以輸送用于分析的微量液體的微通道組成。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自西交利物浦大學(xué)的研究人員提出了一種克服上述問題的方法，相關(guān)研究成果以“Iridium oxide and cobalt hydroxide microfluidic-based potentiometric pHsensor”為題發(fā)表在Microchimica Acta期刊上。

主導(dǎo)這項(xiàng)研究的Qiuchen Dong博士說：“我們的解決方案需要環(huán)保、耐用，并且足夠靈敏，從而能夠精確測(cè)量微升級(jí)樣品中pH值的變化?！?/p>

面臨的問題

一些市售的pH值測(cè)量方法依賴于人眼的主觀判斷。例如，含有染料的pH試紙會(huì)根據(jù)被測(cè)物質(zhì)的pH值而發(fā)生顏色變化，利用這種試紙進(jìn)行pH值測(cè)量依賴于人眼將變化后的試紙顏色與比色卡進(jìn)行對(duì)比，這導(dǎo)致了每個(gè)使用者的測(cè)量結(jié)果之間有很大的差異。例如，有些人可能認(rèn)為這種顏色指代的pH值為7.5，而另一些人認(rèn)為其指代的pH值為8。因此，這種方法對(duì)微小的pH值變化不敏感，這意味著它更像是一個(gè)粗略的猜測(cè)。此外，這種方法使用的一些染料對(duì)樣品來說是有毒的，從而會(huì)影響所記錄的pH值的真實(shí)性。

一種更靈敏的pH值測(cè)量方法是使用極其脆弱的玻璃電極，這種電極很容易破碎，所以通常只在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用。

為了解決上述問題，Qiuchen Dong博士和他的研究生Weiyu Xiao使用了新的材料和方法來制造一種靈敏而堅(jiān)固的pH傳感器。

新的解決方案

在Qiuchen Dong博士和Weiyu Xiao開發(fā)的新型pH傳感器中，液體樣品通過一系列微型通道（微流控通道）輸送到三個(gè)由光響應(yīng)層狀材料和金屬制成的高靈敏度電極上。

（A）制備的微流控固態(tài)pH傳感器示意圖：硅片上的黃色代表通過光刻技術(shù)制備的金圖案化微電極；（B）聚二甲基硅氧烷（PDMS）鍵合在具有兩對(duì)金電極的金圖案化硅片上；（C）具有電沉積的氧化銥（IrO?）和氫氧化鈷（Co(OH)?）的微流控通道的橫截面，紅色箭頭表示液體從左向右流動(dòng)；（D）標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液的典型pH值響應(yīng)。

“我們的解決方案依賴于利用光刻技術(shù)開發(fā)微流控通道和電極，這是半導(dǎo)體制造業(yè)中常用的一種方法?！?/p>

這些微流控pH傳感器可以檢測(cè)物質(zhì)中質(zhì)子數(shù)量的微小變化，而質(zhì)子數(shù)量決定了pH值。這使得pH值的測(cè)量具有極高的精度。

未來應(yīng)用

該團(tuán)隊(duì)目前正在申請(qǐng)所開發(fā)的新型pH傳感器的專利，并且正在與行業(yè)內(nèi)的開發(fā)機(jī)構(gòu)開展合作，后者將致力于將該技術(shù)集成到他們的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中。

“這項(xiàng)研究的成功歸功于我現(xiàn)在的博士生Weiyu Xiao的辛勤工作，她在進(jìn)行這項(xiàng)研究期間還是一名碩士生?？吹揭粋€(gè)學(xué)生在如此短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到如此高的學(xué)術(shù)水平，真是令人印象深刻。她是一個(gè)很好的榜樣，我希望其他學(xué)生也能從她所取得的成就中得到啟發(fā)?！盦iuchen Dong博士說。

“這項(xiàng)研究也要感謝我以前的同事，即明尼蘇達(dá)大學(xué)（University of Minnesota）的Abdennour Abbas博士和康涅狄格大學(xué)（University of Connecticut）的Yu Lei博士，他們幫助我構(gòu)建了這個(gè)項(xiàng)目以及許多其他項(xiàng)目的想法?！盦iuchen Dong博士補(bǔ)充道。

最后，研究人員認(rèn)為，他們開發(fā)的這種新型pH傳感器將有廣泛的商業(yè)應(yīng)用前景，從幫助檢測(cè)癌癥和病媒傳播的病毒，到識(shí)別噴灑了農(nóng)藥的土壤污染情況，不一而足。