Algalfluorescencesensorintegratedintoamicrofluidicchipforwaterpollutantdetection剖析.doc

用于水污染物检测集成微流控芯片的藻类荧光传感器 我们首次报道了一种基于藻类的小型荧光传感器，它与有机发光二极管（OLED）和有机光电探测器（OPD）集成到一个微流芯片中。蓝光OLED作为激励源，而一种PTB3/PC61BM共混物用于有机光电探测器的制备。基于酸/碱染料和金属配合物的激发和发射彩色滤波片与有机光电元件相匹配，以组成完整的荧光检测系统。该检测系统被集成在一个由（聚）二甲基硅氧烷（PDMS）制成的芯片上。完整的传感器被设计用来检测在微流体腔室的藻类荧光。藻类叶绿素荧光可以评估污染物的毒性，如农业产生的除草剂和金属离子。这种全有机生物阵列可用来检测除草剂敌草隆对衣藻绿藻的毒性影响，在浓度为11 nM的情况下抑制了藻类50%的光化学（EC50）反应。 引言 在发展中国家和发达国家对于便携式水质监测系统具有迫切和大量的需要。目前，还没有商业化检测系统可满足这种需求，只有获得授权的实验室可以进行这样的评估。常规的理化技术，如色谱必须由经过认证的技术人员进行，并需要体积大，笨重昂贵的设备。因此，尽管他们有高灵敏度和准确度，但不适用于现场监测水质。 全细胞生物传感器和生物分析仪是一个很好的候选解决方案来满足这种需求，除了分析速度，效率，自动化和可重复性方面有较好的提升，他们具有便携性并且成本大幅下降。 单细胞微生物如藻类和细菌已经被证明可用于水毒性评估。在这项工作中，我们选择使用藻类，因为它们对于外界环境非常敏感，即使在低浓度也能被检测。因为大量的污染物能够影响光系统的活性，光合作用抑制现象是一种很好的、快速的毒性作用的指标。因此，藻类生物传感器足够敏感可以检测少量污染物存在，可作为一个简单的和低成本有效的方式实现现场定性预筛试验。如果需要的话，藻类生物试验将补充传统的实验室测试。 荧光测量是一种测量藻类光合作用的抑制程度敏感并且可靠的方法。几种藻类荧光生物测定方法已开发和商用。然而，目前这样的测试是昂贵的，虽然在技术上是可便携的，它们仍然很笨重，不容易运用于现场使用。最近，几个安培型生物传感器也被研制出来用于检测农药、除草剂和金属的存在。这些设备克服了传统藻类荧光探测器的便携型问题。然而，它们的灵敏度不佳，这使得它们在被检测污染物浓度非常低的情况下并不适用。 因此，我们提出在有机光电器件的基础上整合一个荧光传感器用于测量藻类荧光，做一个真正的便携式装置能够现场测量全球水质，同时保留藻类荧光测试的高灵敏度。为了实现这些功能，我们已经集成三大基于薄膜微细加工技术：有机电子、微流控和染料吸收滤光片。 最近已有研究显示，有机器件结合微流控技术的使用对于集成光学传感器是一个可行的解决方案。它可以提供便携性，低成本，高分析反应速度、可靠性和自主监控。在这项工作中，像此前文献中报道的一样，我们提出了一个在微流控芯片上集成荧光传感器的方法，但是进行了一些改进，来满足测量藻类荧光的要求。首先，优化荧光传感器来测量单细胞生物的全细胞荧光，如海藻和蓝藻。在这些生物中，通过叶绿素分子吸收的光能在PSII过程中首先用于光合作用，而多余的能量以热或以发射光谱中波长较长的红光与远红光范围的荧光发射形式消散。第二，用蓝色有机发光二极管（OLED）作为光源。该二极管要有足够的效率以激发藻类产生荧光，也将诱导可变荧光与光合活性联系起来，因此依赖于污染物浓度。此外，为努力优化藻类荧光在近红外区（680–700 nm）的检测，我们使用新的半导体聚合物，既交替噻吩并[3,4-b]噻吩和并二噻吩制备了有机光电探测器（OPD），它在相应区域中有超过60%高的外部量子效率。OPD的特点使它在近红外区成为最好的探测器。最后，我们报道了一种高透光率（80%以上）和高衰减（超过40dB），与目前商业化彩色滤光片相比更低成本、易集成的吸收滤波片。 在本文中，我们将展示全有机生物传感器与微流控芯片以合理的配置完全集成，将能测量由低浓度除草剂污染所致荧光强度的微小变化。得到的荧光传感器具有高检测灵敏度（≈10-8M），这是一个10倍低于同样藻类商业荧光传感器和100倍低于安培藻类生物传感器检测的值，而且测量只需要20uL的藻液。本文提出的器件是通过集成几个荧光传感器与不同的藻类物种于实现便携式芯片水污染测试迈出的第一步。 实验 图1展示了所提出的荧光生物测定集成到一个微流体芯片的示意图。PDMS微流控芯片放置在1毫米厚的玻璃片上。蓝色有机发光二极管由4,4’-Bis-(2,2-diphenyl-ethen-1-yl)- biphenyl (DPVBi)制成，直接放置在检测室下面来激发海藻制剂。藻类溶液暴露于污染物溶液，然后引入微流体室。第一个滤波片（激发滤波片）放在OLED和检测室之间，为了减少OLED发射可能影响荧光测量的部分，稍后将解释。第二滤波片（发射滤波片）放在检测室和光电探测