基于高通量微流控技术的农药残留时序阻抗检测方法

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农药残留检测是推动农业现代化进程、促进农业绿色发展必不可少的环节。基于微流控技术的电化学生物传感器农残检测方法具有实时性、便携性、高准确性、高通量检测、高稳定性以及试剂消耗量小等优势,有利于推动农残快速检测平台向集成化、便携化、自动化方向发展。然而,该方法仍存在以下问题:(1)PDMS微流控芯片制作工艺复杂且成本昂贵,大多数的芯片复用率低,纸基芯片亦存在不易控制流量的劣势;(2)将酶或生物识别分子固化到电极表面极易导致酶分布不均、酶活性降低甚至变性的情况,会直接影响传感器的检测精度。此外,一些纳米材料通常会被用于电极的制作以提高传感器的灵敏度和特异性,但这些材料制作工艺复杂昂贵且同样需要固化到电极表面。针对以上问题,课题提出一种基于高通量微流控芯片的时序阻抗检测方法。课题主要从农药残留高通量微流控检测芯片设计以及农药残留快速定性与定量检测方法两个方面开展以下工作:(1)根据毒死蜱、二嗪磷与辛硫磷三种农药残留样本的检测需求,设计高通量微流控芯片。芯片主要包括两部分:浓度梯度生成芯片与纸基微流控化学反应芯片。根据农药残留待测样本在微通道中的流动与混合规律,设计浓度梯度生成芯片结构。利用COMSOL软件对通道结构以及进样速度参数进行优化,生成浓度范围在0.1~0.9μg/m L的农药残留待测样本。将酶抑制反应集成在纸基微流控化学反应芯片中,免去酶在电极上的固化步骤。将样本浓度梯度生成、样本酶抑制化学反应与检测分别集成在两个芯片中,在实现PDMS芯片可重复利用的同时,亦不会对化学反应过程造成影响。(2)将高通量微流控芯片与丝网印刷电极结合,对农残样本参与酶抑制最佳反应时间内的阻抗数据进行分析,构建阻抗-时间序列。对最佳频率段中的数据进行特征提取,获取降维后的特征向量组,然后对该特征向量进行支持向量机分类器构建,并在实际的菠菜样本中对分类器进行性能测试。实验结果表明,课题所使用的方法对于菠菜实际样本的分类精度可达到96.07%,可实现未知浓度下的农药残留定性检测。(3)针对课题设计的电化学阻抗检测系统设计等效电路,对电路中电子转移电阻与浓度数据进行线性拟合,构建回归模型,实现农药残留的定量检测。之后,对三种农药的线性回归模型进行方法重复性及回收率实验。实验结果表明:三种农药样本的回收率在94.8%~112.2%,相对标准偏差在7.5%以内。综上所述,课题研究的基于高通量微流控芯片的阻抗时间序列农药残留快速检测方法可以实现对农药残留的定性及定量检测。
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