一种用于有机磷农药检测的微流控传感器_郭红斌

传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）2011年第30卷第6期

一种用于有机磷农药检测的微流控传感器*

郭红斌1，陈国平1，兰文升2，陆冰睿1，刘冉1

（1．复旦大学微电子系专用集成电路与系统国家重点实验室，上海200433；

2．深圳出入境检验检疫局动植物检验检疫技术中心，广东深圳518045）

摘要：成功制作出一种用于检测有机磷农药的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控传感器，该传感器集成

了光纤和用于固定有机磷水解酶的SU—8圆柱。检测原理基于反应产物对光的吸收，不同浓度有机磷农药

的实验结果显示：该传感器的线性相关系数为0．9934。实验结果展示了一种将酶固定在微流沟道的简单

方法。简单的制备工艺和便携式的器件为集成化的有机磷农药检测装置提供了低成本和大批量生产的选

择途径。

关键词：聚二甲基硅氧烷；微流控；SU—8；有机磷农药

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1000—9787（2011）06—0084—03

A microfluidic sensor for detection of

organophosphorus compounds*

GUO Hong-bin1，CHEN Guo-ping1，LAN Wen-sheng2，LU Bing-rui1，LIU Ran1

（1．State Key Lab of ASIC and Device，Department of Microelectronics，Fudan University，Shanghai200433，China；

2．The Technical Center of Animal and Plant Inspection and Quarantine，Shenzhen Entry-exit Inspection

and Quarantine Bureau，Shenzhen518045，China）

Abstract：A polydimethylsiloxane（PDMS）microfluidic sensor with SU—8pillars for immobilizing the enzyme and

optical fibers has been successfully fabricated for detecting the organophosphorus compound．The principle of the

detection is based on the absorbance to light the enzymatic product and the experimental results of different

concentrations organophosphorus with absorbance show a good linear response range and the correlation coefficient

is0．9934．The experimental result shows a simple way to bind the enzymes to the microfluidic．The simple process

and portable device offers an option of a low cost mass production for integrated organophosphorus compounds．

Key words：PDMS，microfluidic，SU—8，organophosphorus compounds

0引言

近年来，有机磷化合物，如甲基对硫磷，因毒性高、环境中持久性低等特点替代了有机氯在农业生产中作为农药广泛使用。有机磷农药的使用范围从杀虫剂扩展到杀菌剂、杀软体动物剂、除草剂、杀鼠剂等各种用途，使用量也成倍增长，造成了环境中地下水、地表水等水资源和土壤的污染［1］，并且其在食物中的残留严重威胁到人类健康［2］。因此，研制出检测有机磷农药快速、可靠、灵敏和实用的分析方法，对人类健康和生态平衡都有至关重要的作用。

有机磷农药传统的检测方法有气相色谱法（GC）、高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱—质谱联用（GC—MS），液相色谱—质谱联用（LC—MS）等［3］，这些方法既能定性又能定量，灵敏度高，已成为实验室常用的分析方法。但这些方法需要对样品进行繁琐的预处理，成本高，所需的仪器昂贵且笨重，并需要专业人员维护，不适合于现场检测。为了简化有机磷农药的检测过程，提高检测效率，新的检测方法也有基于乙酰胆碱酯酶和基于有机磷水解酶的传感器［4 7］，这些检测方法快速方便，但是器件集成度仍不够高。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控器件由于其低的制备成本和短的制备周期，广泛应用于各种生物化学量的检测，常用来实现片上实验室（lab-on-a-chip）［8 10］。本文提出一种简单的方法来制备PDMS微流控有机磷农药检测传感器。该传感器集成了用于固定有机磷水解酶的SU—8圆柱和用于传输入射光与出射光的光纤。通过检测反应产物的光吸收可以测出待测有机磷农药的浓度。

收稿日期：2011—04—26

基金项目：高等学校科技创新工程重大项目培育基金资助项目；上海市重点学科建设项目（B112）48

第6期郭红斌，等：一种用于有机磷农药检测的微流控传感器

1器件制备

器件制备的过程如图1所示。

1）用SU—8负光刻胶来制备微流道母版：在Auto CAD

软件中设计好微流沟道图案，用商用的光绘底片工艺制备

掩模板。将玻璃基片依次在丙酮溶液和去离子水溶液中超

声清洗使其表面干净，再将其加热干燥，使玻璃基片与光刻胶有良好的黏附性。先将SU—8光刻胶旋涂在清洗好的玻璃基片上（500r/min，20s），然后，将一定量的SU—8光刻胶滴在基片上来得到所需的厚度。之后，将基片放在热板上进行前烘以使光刻胶中的溶剂挥发（先用65ħ加热10min，之后用90ħ加热1h）。用进行紫外曝光透过掩模板对光刻胶进行曝光后，基片在热板上进行后烘（90ħ，30min）。之后，将基片放入显影液中进行超声显影并在异丙醇中定影。最后，将基片放在热板上上进行坚膜（100ħ，5min）。这样，有微流沟道的光刻胶母板就制做完成了。

2）制备PDMS微流沟道：将直径550μm的光纤置入微流沟道母板上，并将PDMS（sylgard184silicone elastomer kit，Dow Corning）的预聚体和固化剂按质量比10ʒ1的比例充分混合后倒在微流沟道母板上。将其抽真空去除气泡后，放在热板上加热（80ħ，20min）使其固化。将固化的PDMS揭下，在进出口处打孔，即得PDMS微流沟道。

3）用与第一步同样的工艺流程制备有SU—8圆柱的母板。

4）将PDMS微流沟道与SU—8圆柱母板贴合在一起，挤压去除贴合面的空气后，加热键合（120ħ，24h）。

这样，在沟道中集成有SU—8圆柱的PDMS微流控传感器就制备好了。

图1器件制备流程

Fig1Fabrication process of the device

2器件结构和检测原理

器件结构如图2所示，微流道的宽度为700μm，高度为100μm。SU—8圆柱的直径为200μm，高度为50μm。

图3显示了器件的检测原理。为了将酶固定在SU—8圆柱上，将500μL的Triton X—100溶液、50μL 的酶溶液和

图2器件结构图

Fig2Structure image of the device

500μL去离子水的混合溶液注射到微流道中，干燥10min 后有机磷水解酶就会固定在SU—8圆柱上。之后，用去离子水冲洗沟道以去除未固定的酶。当待检测的溶液流经圆柱时，有机磷农药会在酶的作用下水解，生成黄色的对硝基苯酚，

化学方程式为

此产物对405nm的紫光具有强烈的吸收。将一蓝色的发光二极管前放置一中心波长为405nm的滤光片作为光源。输入光通过2个透镜耦合到集成在PDMS器件的光纤中，输出光通过另一端的光纤连接到一个PIN—FET光电探测器上。光电探测器的输出电压通过数据采集卡连接到电脑上进行数据采集和分析。

图3器件检测原理示意图

Fig3Detecting principle schematic diagram of the device

设入射光的强度为I

in

，出射光的强度为I

out

，I

in

和I

out

满足如下关系

I

out

=10－εm B l I

in

，

即

log（I

in

/I

out

）=εl·m

B

．

其中，ε为摩尔吸收系数，m

B

为摩尔浓度，l为吸收光

程。可以看出：log（I

in

/I

out

）与待测有机磷农药的浓度呈正

比。这样，通过检测不同样品的输出光强I

out

，便可测出有机磷农药的浓度。

3实验结果

配备有机磷农药母液的浓度为3．799ˑ10－4mol/L。不同浓度的有机磷溶液通过用四硼酸钠稀释而得。将不同浓度的样品依次通过注射泵注射到器件中，检测输出光纤所连接的PIN—FET光电转换器的输出电压，结果如图4所示。

图5显示了吸光度A（log（I

in

/I

out

））随浓度的变化曲线，可

58