基于PCB的易制造数字微流控芯片及其无酶葡萄糖检测功能研究

《IEEE Sensors Journal》：Easy-to-Fabricate Digital Microfluidic Chip Based on PCB With Glucose Enzyme-Free Detection Function

本文报道了一种基于印刷电路板(PCB)的易制造数字微流控(DMF)芯片，解决了传统DMF芯片制造工艺复杂、无酶电化学检测需要碱性环境等难题。研究人员开发了多步驱动方法稳定操控液滴，设计了Au-Au-Au三电极系统和三步检测法，实现了0-20 mM宽浓度范围的葡萄糖检测，检测限达73.09μM，为可穿戴健康监测提供了新方案。

　　

随着糖尿病患病率的不断攀升，血糖监测技术日益受到重视。在众多检测方法中，电化学方法因其响应快速、灵敏度高等优势备受关注，其中无酶检测方法避免了酶活性易受环境因素影响的缺点，但通常需要碱性环境才能有效工作。数字微流控(Digital Microfluidic, DMF)芯片能够精确操控微量液滴运动，通过液滴融合操作改变pH值，为无酶葡萄糖检测提供了理想平台。然而，传统DMF芯片制造工艺复杂，需要光刻等专业设备，限制了其推广应用。

目前，基于PCB的DMF芯片研究虽然取得了一定进展，但仍存在一些不足：部分工艺需要加热板、旋涂仪等专用设备；驱动电压较高且稳定性不足；电极修饰过程复杂；碱性环境对材料耐腐蚀性要求高等。这些问题制约了DMF芯片在无酶葡萄糖检测领域的实际应用。

针对这些挑战，研究人员在《IEEE Sensors Journal》上报道了一种创新解决方案。他们设计了一种基于PCB的易制造DMF芯片，开发了多步驱动方法，并建立了完整的无酶葡萄糖检测系统。该研究不仅解决了制造工艺复杂的问题，还实现了对汗液和血液葡萄糖浓度的有效检测，为可穿戴健康监测设备的发展提供了新思路。

本研究采用了几个关键技术方法：首先设计了基于PCB的单板DMF芯片结构，使用聚乙烯保鲜膜作为介电层，二甲基硅油作为疏水层，建立了简易的芯片制备工艺；其次开发了多步液滴驱动方法，包括正常模式和振荡模式，提高了液滴操控稳定性；然后构建了Au-Au-Au三电极系统，采用盘电极无需任何修饰；最后建立了电极激活的两步法和葡萄糖浓度检测的三步法（电化学清洗-电解水-i-t曲线测试），使用50μL样品液滴与等量1 M NaOH液滴混合形成碱性检测环境。

DMF芯片及其控制系统设计

研究人员设计了基于PCB的单板DMF芯片结构，包含100个电极组成的驱动单元，能够完成液滴运动、混合操作和葡萄糖浓度测试。芯片采用锯齿状电极设计，有利于提高液滴驱动效果。通过多步驱动方法，包括正常模式和振荡模式，实现了比传统方法更稳定的液滴操控。振荡模式能使液滴在传输过程中产生明显的伸长-缩短动作，起到类似振动搅拌的效果，更好促进溶质溶解。

DMF芯片制作工艺

研究团队开发了简易的芯片制作工艺，无需特殊仪器和设备即可完成。以PCB为基底，聚乙烯保鲜膜为介电层，二甲基硅油为疏水层，采用类似手机贴膜的方法将保鲜膜贴合在PCB板上，无需任何粘合剂，操作简便且易于更换。整个制作成本仅约7.24元，大大降低了DMF芯片的应用门槛。

电化学电极设计

研究采用定制的高纯度金盘电极组成三电极系统：金工作电极(Au)、金参比电极(Au)和金对电极(Au)，电极直径为2mm，无需任何修饰即可重复使用。通过3D打印制作电极安装支架，手动调整三个电化学电极位置，确保与混合液滴良好接触。

DMF芯片实验验证

通过对比实验证明，多步驱动方法在相同液滴驱动电压下比传统驱动方法具有更好的稳定性，成功率达到100%。液滴运动和混合实验表明，多步驱动方法能够平稳驱动不同类型的液滴完成测试路线，为后续电化学检测做好准备。耐NaOH测试显示，芯片在60分钟内具有良好的耐碱性能。

葡萄糖浓度无酶检测实验

电极激活实验采用两步法：第一步对混合液滴进行CV扫描（扫描范围-1到1V），重复十次；第二步对含葡萄糖的混合液滴进行电化学清洗-CV扫描操作。结果显示，葡萄糖在0.2V附近出现氧化峰，表明电极激活成功。

浓度梯度实验采用三步检测法：电化学清洗（1V，5s）、电解水（-1.5V，5s）和i-t曲线测试（0.2V，5s）。在0-1mM范围内，葡萄糖水溶液浓度C与电流I的关系为：I=0.0182C(μM)+8.6402(R²=0.9981)，检测限(LOD)为73.09μM；在1-20mM范围内，I=39.611lnC(mM)+18.826(R²=0.9834，LOD=1.03mM)。回收率实验显示，检测方法的回收率接近100%，满足传感器一般要求。

日内检测和日间检测结果表明，该方法具有良好的短期和长期稳定性。温度影响实验显示，在4°C-50°C范围内，电流值变化不特别显著，表明检测方法对不同温度具有良好的适应性。气溶胶影响实验证明，该方法对喷雾/气溶胶具有良好的抗干扰能力。

模拟汗液和血液环境实验

使用pH5的PBS溶液模拟汗液环境，pH7.4的PBS溶液模拟血液环境进行浓度梯度实验。结果显示，在模拟汗液环境中，葡萄糖PBS溶液浓度C1与电流I的关系为：I=0.0236C1(μM)+16.399(R²=0.9803)；在模拟血液环境中，I=51.154lnC2(mM)+20.705(R²=0.9224)。这些结果验证了该检测方法在汗液葡萄糖检测和血液葡萄糖检测实际应用中的潜力。

本研究成功开发了一种易于制造且具有葡萄糖无酶检测能力的DMF芯片系统，解决了传统DMF芯片制造工艺复杂、驱动稳定性不足等问题。通过多步驱动方法、Au-Au-Au三电极系统以及完整的电化学检测方法的集成，实现了对葡萄糖水溶液0-20mM宽浓度范围的有效检测，检测性能达到主流水平。该系统的检测范围覆盖了汗液葡萄糖和血液葡萄糖的浓度范围，在模拟汗液和血液环境中也表现出良好的检测效果，对环境因素如温度和气溶胶具有较好的抵抗能力。这项研究为DMF芯片的设计制造、葡萄糖无酶检测、汗液或血液中葡萄糖监测等领域提供了有价值的参考，特别是在可穿戴健康监测设备开发方面具有重要应用前景。