專(zhuān)利名稱(chēng)：基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微分析芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片。
背景技術(shù)：
芯片實(shí)驗(yàn)室(LOC)又稱(chēng)微全分析系統(tǒng)(MiniaturizedTotal Analysis System,M~TAS)其簡(jiǎn)單定義是指能夠完成生物化學(xué)處理各個(gè)過(guò)程，將能自動(dòng)完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的復(fù)雜功能微小化、集成化的MEMS系統(tǒng)，其目標(biāo)是在單個(gè)器件上集成完全的分析過(guò)程，能夠完成樣品提取、樣品預(yù)處理、分解分離、生物化學(xué)反應(yīng)、分析檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理等操做。芯片實(shí)驗(yàn)室作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，自提出以來(lái)就有較多的關(guān)注，具有高集成性、高精度、低耗性、高通量、智能化等許多優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)生物、醫(yī)藥、化學(xué)等許多領(lǐng)域具有非常好的發(fā)展前景。作為芯片實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力部分，微流控技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。而基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕的數(shù)字微流技術(shù)是指通過(guò)在介質(zhì)結(jié)構(gòu)上施加電壓改變液滴在介質(zhì)表面的潤(rùn)濕性能從而改變液滴與界面接觸角以進(jìn)一步對(duì)離散液滴進(jìn)行操控的微流技術(shù)，它具有驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)、操控方便、自動(dòng)化程度高等許多優(yōu)點(diǎn)，是數(shù)字微流領(lǐng)域的主流技術(shù)，在LOC領(lǐng)域中具有非常好的發(fā)展前景。作為一種有效的微檢測(cè)方法，電化學(xué)傳感是基于三電極工作系統(tǒng):工作電極、對(duì)電極、參比電極，是利用電學(xué)信號(hào)測(cè)量完成溶液中的物質(zhì)檢測(cè)，因此無(wú)論從檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)方法、檢測(cè)系統(tǒng)上看，電化學(xué)傳感都可以方便地集成到數(shù)字微流芯片中。而且電化學(xué)傳感還具有集成度高、檢測(cè)范圍廣、靈敏度高、低功耗、低成本等許多優(yōu)點(diǎn)，是芯片實(shí)驗(yàn)室中較有潛力的檢測(cè)方法。因此，將電化學(xué)傳感集成到數(shù)字微流控芯片中以實(shí)現(xiàn)芯片實(shí)驗(yàn)室具有重大意義。目前，基于這一部分的研究很少，雖然我們研究小組已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)探索，并提出了一種基于數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片(申請(qǐng)?zhí)?201010553307.6)和一種數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片(申請(qǐng)?zhí)?201110001653.8)。這兩種芯片雖然實(shí)現(xiàn)了微流控芯片上電化學(xué)檢測(cè)的集成，但仍有芯片結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、制作不夠簡(jiǎn)便的缺點(diǎn)，更為重要的是，由于受到數(shù)字微流控芯片驅(qū)動(dòng)電極的尺寸限制，集成電化學(xué)電極尺寸通常較小，這樣降低了電化學(xué)檢測(cè)方法的靈敏度，從而削弱了電化學(xué)集成的優(yōu)點(diǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)數(shù)字微流控芯片上電化學(xué)傳感的簡(jiǎn)便集成并增加電化學(xué)檢測(cè)的靈敏度和穩(wěn)定性等性能對(duì)于芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展具有重大意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種能夠增加電化學(xué)檢測(cè)的靈敏度和穩(wěn)定性的基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片。本發(fā)明提供的基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片，為介質(zhì)上電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)將電化學(xué)檢測(cè)單元集成于數(shù)字微流控芯片中，并通過(guò)數(shù)字微流控芯片自動(dòng)化操控實(shí)現(xiàn)電化學(xué)電極自動(dòng)化納米材料修飾，增強(qiáng)其電化學(xué)檢測(cè)能力以解決電化學(xué)集成的瓶頸。本發(fā)明的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片，為上極板、下極板中間夾著驅(qū)動(dòng)液滴的三明治結(jié)構(gòu)；下極板從下到上依次為絕緣襯底、集成電極層、絕緣介質(zhì)層、疏水層；上極板從下到上依次為疏水層、平面電極層、絕緣襯底；其中，上極板平面電極層僅作為數(shù)字微流芯片驅(qū)動(dòng)的接地電極，下極板中的集成電極層包含數(shù)字微流控芯片的驅(qū)動(dòng)電極和電化學(xué)檢測(cè)的三電極系統(tǒng)；電化學(xué)的三電極系統(tǒng)，即對(duì)電極(或稱(chēng)輔助電極)、工作電極、參比電極均為平面電極，按照電化學(xué)檢測(cè)的要求排布組成一個(gè)整體，嵌入在數(shù)字微流控芯片的某個(gè)驅(qū)動(dòng)電極當(dāng)中，但電氣不相連；所有三個(gè)電極均處于芯片的同一個(gè)平面上；
在下極板電化學(xué)電極上形成“凹坑”，使該部分電化學(xué)電極“裸露”;
在所述電化學(xué)電極的工作電極上修飾有納米材料。為了實(shí)現(xiàn)介質(zhì)上電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)，數(shù)字微流控芯片的驅(qū)動(dòng)電極上覆蓋了絕緣介質(zhì)層和疏水層；而為了實(shí)現(xiàn)溶液接觸傳感，電化學(xué)電極上的介質(zhì)層和疏水層需要去掉。因此，在芯片制作時(shí)需要通過(guò)一定工藝在下極板電化學(xué)電極上形成“凹坑”，以實(shí)現(xiàn)該部分電化學(xué)電極的“裸露”;通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，液滴可以通過(guò)介質(zhì)上電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸?shù)郊沈?qū)動(dòng)電極上，接觸到“裸露”的電化學(xué)電極進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，其后又被運(yùn)輸離開(kāi)檢測(cè)電極，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操控。為了實(shí)現(xiàn)集成電化學(xué)電極靈敏度增強(qiáng)及檢測(cè)速度提高，本發(fā)明采用電化學(xué)電極修飾方法將納米功能材料修飾在電化學(xué)電極上。與傳統(tǒng)電化學(xué)電極修飾不同，本發(fā)明修飾采用的是自動(dòng)化操控方法，通過(guò)數(shù)字微流技術(shù)自動(dòng)形成所需修飾溶液并運(yùn)輸?shù)诫娀瘜W(xué)電極上，通過(guò)物理吸附、包埋或者共價(jià)鍵結(jié)合等方法把納米材料修飾在電化學(xué)電極的工作電極上，其后把修飾后的廢液自動(dòng)運(yùn)輸離開(kāi)，還可以進(jìn)一步自動(dòng)運(yùn)輸去離子水或其他溶液到電化學(xué)電極上實(shí)現(xiàn)修飾后處理。這種方法除了能夠簡(jiǎn)便自動(dòng)化操控外，還可以結(jié)合數(shù)字微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微量、精準(zhǔn)、快速、高通量電極修飾，彌補(bǔ)了微細(xì)平面電化學(xué)集成電極的缺陷。本發(fā)明中，芯片上電化學(xué)電極納米材料修飾并不限定，其修飾方法可為目前已知的物理靜止吸附、電聚合包埋、自組裝共價(jià)鍵結(jié)合等方法，其納米材料可以為石墨烯、碳納米管等；但優(yōu)選為采用快速、可靠、高性能的修飾方法，如通過(guò)石墨烯納米溶液與吡咯溶液混合，在電化學(xué)電極上加電快速電聚合即可以將納米石墨烯修飾在電化學(xué)電極上形成高性能修飾電化學(xué)電極。本發(fā)明中，驅(qū)動(dòng)電極、電化學(xué)電極的大小以及其“嵌入”位置并不嚴(yán)格限定，但應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足電化學(xué)電極尺寸在符合電化學(xué)傳感條件下盡量小，能夠被驅(qū)動(dòng)電極包圍，以實(shí)現(xiàn)液滴運(yùn)輸?shù)郊沈?qū)動(dòng)電極上能被電化學(xué)電極接觸傳感，而將液滴運(yùn)輸離開(kāi)時(shí)電極上沒(méi)有多余液滴殘留。本發(fā)明中，電化學(xué)傳感的電極需要特定材料，如金、鉬、玻碳等，而數(shù)字微流驅(qū)動(dòng)電極只需為導(dǎo)電金屬即可，由于本芯片驅(qū)動(dòng)電極和電化學(xué)電極位于同一平面上，故驅(qū)動(dòng)電極可以采用與電化學(xué)電極一樣的材料，如下極板所有電極采用金(Au)，只需一次電極圖形化以精簡(jiǎn)芯片制作。本發(fā)明中，所述電化學(xué)電極的“嵌入”指的是電化學(xué)三個(gè)電極被數(shù)字微流芯片驅(qū)動(dòng)電極包圍但電氣隔離，并且電極是處于同一個(gè)平面上。本發(fā)明中，所述“液滴”是指能用于介質(zhì)上電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)的溶液滴，其成分可以是單一的生物樣品、化學(xué)溶液等，也可以是多成分組成，如外面包裹著一層油膜的液滴等，其大小并不限定，可以為次微微升到若干毫升之間。本發(fā)明中，所述“極板”或“電極板”是指微流控芯片中包含有介電層、電極層、疏水層或者其任意組合的一定器件結(jié)構(gòu)部分。本發(fā)明中，所述“驅(qū)動(dòng)電極”是指芯片實(shí)施液滴操控時(shí)對(duì)應(yīng)電極的電壓被置成不為0以使電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)能夠發(fā)生，所述“接地電極”是指芯片實(shí)施液滴操控時(shí)對(duì)應(yīng)電極的電壓被置成0或與0足夠接近。本發(fā)明中，所述的電化學(xué)電極通過(guò)嵌入方法集成在芯片的下極板上，電化學(xué)電極與驅(qū)動(dòng)電極位于同一平面，被某一數(shù)字微流驅(qū)動(dòng)電極包圍但電氣不相連，以滿(mǎn)足液滴處于驅(qū)動(dòng)電極上時(shí)能夠接觸到電化學(xué)電極實(shí)現(xiàn)電化學(xué)傳感。本發(fā)明中，電化學(xué)電極上不覆蓋介質(zhì)層和疏水層，通過(guò)數(shù)字微流自動(dòng)化操控方法將特殊溶液運(yùn)輸?shù)诫娀瘜W(xué)電極實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化納米材料修飾以增強(qiáng)電化學(xué)電極的傳感能力；
通過(guò)本發(fā)明技術(shù)方案，可以形成一種基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片，該芯片具有如下顯著優(yōu)勢(shì):
Ca)電化學(xué)電極嵌入集成到數(shù)字微流控芯片驅(qū)動(dòng)電極中，電極處于同一個(gè)平面上，精簡(jiǎn)了芯片結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了制作工藝。(b)利用數(shù)字微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)，電化學(xué)電極的修飾可以完全自動(dòng)化，可以快速、高通量修飾，有利于芯片大規(guī)模集成應(yīng)用，并通過(guò)溶液量控制實(shí)現(xiàn)微量準(zhǔn)確控制修飾，有利于增強(qiáng)電極修飾效果。(C)經(jīng)過(guò)修飾的集成電化學(xué)電極比以往集成裸電極有更高的靈敏度及檢測(cè)能力，解決了微細(xì)電化學(xué)集成的問(wèn)題，并且還可以修飾功能材料實(shí)現(xiàn)功能化檢測(cè)，擴(kuò)展了集成電化學(xué)芯片的應(yīng)用范圍。(d)集成電化學(xué)部分只占芯片一小部分，有利于更多功能的集成及芯片的便攜式應(yīng)用。
圖1是根據(jù)本發(fā)明基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片的原理性結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字微流控芯片電化學(xué)電極集成配置及修飾過(guò)程原理性示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片包含電化學(xué)功能集成，特殊結(jié)構(gòu)配置以及功能性電極修飾。應(yīng)當(dāng)指出，本實(shí)施方式是為了說(shuō)明目的而提供，而不在意以任何方式限制本發(fā)明的范圍。根據(jù)本發(fā)明基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片的原理性結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在絕緣襯底100上為本發(fā)明芯片的數(shù)字微流驅(qū)動(dòng)電極E1-E4和集成電化學(xué)電極E5-E7，其中電化學(xué)電極E5-E7嵌入到驅(qū)動(dòng)電極E3當(dāng)中，被E3包圍但電氣絕緣。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，用作襯底的材料并不固定，只要絕緣即可，如可以為石英、玻璃、絕緣的硅片等；集成電化學(xué)電極材料應(yīng)為滿(mǎn)足電化學(xué)傳感的金、鉬等金屬，為制作方便，優(yōu)選為金；而數(shù)字微流驅(qū)動(dòng)電極(包括下面所述的接地電極)原則上可以由任何導(dǎo)電材料組成，但為了簡(jiǎn)化芯片制作工藝，優(yōu)選為與電化學(xué)電極一致的金材料，其電極大小和間隔及具體電極的個(gè)數(shù)并不限定，本說(shuō)明書(shū)僅以一定數(shù)目及規(guī)格的電極為例；而且，本圖只為芯片結(jié)構(gòu)的示意，并不精確反應(yīng)電極的位置及排布。在電極上有介質(zhì)層101，其上置有疏水層102。應(yīng)當(dāng)指出，介質(zhì)層應(yīng)為絕緣介質(zhì)材料但并不限定，優(yōu)選為介電常數(shù)較高、抗擊穿能力較強(qiáng)的材料。襯底100、驅(qū)動(dòng)電極、介質(zhì)層101及疏水層102共同構(gòu)成了器件下極板201。在下極板上為驅(qū)動(dòng)的液滴D，液滴之上為疏水層103，疏水層上置有接地電極104，其上為絕緣襯底105。應(yīng)當(dāng)指出，接地電極104的材料并不限定，但為了擴(kuò)展芯片功能集成，優(yōu)選為導(dǎo)電透明材料，如氧化銦錫(ITO)、摻鋁的氧化鋅(AZO)等。疏水層103、地電極104、上基板105共同構(gòu)成了器件的上極板202。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明芯片中集成電化學(xué)電極必須裸露以使溶液能夠接觸電化學(xué)電極進(jìn)行傳感，即其上的101介質(zhì)層和102疏水層必須去掉，實(shí)際制備中，可采用光刻后刻蝕的方法同時(shí)去掉兩層材料使電極裸露，也可以在形成疏水層102前先對(duì)電化學(xué)電極上的介質(zhì)層101先進(jìn)行光刻或光刻刻蝕方法去掉，其后使用光刻刻蝕或剝離(lift-off)等方法去掉電化學(xué)電極上的疏水層102。在本數(shù)字微流芯片中，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電極施加電壓控制信號(hào)而接地電極接地即可以對(duì)上下極板間的液滴D達(dá)到驅(qū)動(dòng)作用。而將集成電化學(xué)三電極E5-E7引出即可對(duì)液滴進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)。圖2為根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字微流控芯片電化學(xué)電極集成配置及修飾過(guò)程示意圖。E1-E4為常規(guī)數(shù)字微流控驅(qū)動(dòng)電極，E5、E6、E7分別為集成電化學(xué)的對(duì)電極、工作電極和參比電極，它們以?xún)?yōu)化的尺寸和比例嵌入到驅(qū)動(dòng)電極E3當(dāng)中，但與E3電氣不相連。結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片一種可實(shí)施的制備工藝如下:
(a)下極板絕緣襯底上采用旋涂、蒸發(fā)、濺射等工藝形成金屬薄膜，通過(guò)一步光刻刻蝕方法形成驅(qū)動(dòng)電極和集成電化學(xué)電極；
(b)通過(guò)旋涂、物理濺射、化學(xué)氣相沉積等方法制備絕緣介質(zhì)層，通過(guò)光刻刻蝕方法形成集成電化學(xué)電極上的“凹坑”以裸露電化學(xué)電極。應(yīng)當(dāng)指出，如果介質(zhì)層材料為特殊光刻膠，如SU8，可采用一步光刻成膜方法即可形成所需結(jié)構(gòu)；
(c)通過(guò)旋涂、蒸發(fā)、濺射成膜等方法制備疏水層，并通過(guò)光刻刻蝕方法去掉電化學(xué)電極上的部分。也可以采用剝離工藝(lift off)，即先光刻圖形，其后形成疏水層，再通過(guò)剝離方法去掉不需要部分；
(d)上極板在絕緣襯底上通過(guò)旋涂、蒸發(fā)、濺射等工藝形成金屬薄膜，其后直接通過(guò)旋涂、濺射等方法制備疏水層；
(e)通過(guò)將上下極板組裝形成數(shù)字微流控芯片；
通過(guò)如上工藝，形成集成有普通電化學(xué)電極的數(shù)字微流控芯片，可對(duì)溶液液滴進(jìn)行產(chǎn)生、輸運(yùn)、混合、分裂、合并、回收等許多操作。但要實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片還需通過(guò)數(shù)字微流自動(dòng)化操控技術(shù)將修飾溶液輸運(yùn)到電化學(xué)電極進(jìn)行修飾，具體如下:當(dāng)修飾液滴DO經(jīng)過(guò)前期自動(dòng)化處理后處于電極El位置，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電極E2、E3依次施加電壓信號(hào)，使液滴運(yùn)輸?shù)诫姌OE3上，如Dl。此時(shí)液滴Dl覆蓋到集成電化學(xué)電極，可以對(duì)其進(jìn)行修飾。例如，采用石墨烯電聚合方法修飾時(shí)，DO為吡咯和納米石墨烯的混合液，運(yùn)輸?shù)紼3時(shí)通過(guò)對(duì)電化學(xué)電極施加適當(dāng)電位和時(shí)間使溶液中吡咯電聚合為聚吡咯，同時(shí)使納米石墨烯定量修飾在工作電極E6上。其后通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電極E4施加電壓信號(hào)即可運(yùn)輸走修飾后的廢液完成電化學(xué)電極的自動(dòng)化修飾，帶有納米材料修飾的電化學(xué)電極的傳感能力大大增強(qiáng)。自此，本發(fā)明的基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片制備完成，其后采用數(shù)字微流控操作方法即可自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)溶液的各種操作及傳感。
權(quán)利要求
1.一種基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片，其特征在于為上極板、下極板中間夾著驅(qū)動(dòng)液滴的三明治結(jié)構(gòu)；下極板從下到上依次為絕緣襯底、集成電極層、絕緣介質(zhì)層、疏水層；上極板從下到上依次為疏水層、平面電極層、絕緣襯底；其中，上極板平面電極層僅作為數(shù)字微流芯片驅(qū)動(dòng)的接地電極，下極板中的集成電極層包含數(shù)字微流控芯片的驅(qū)動(dòng)電極和電化學(xué)檢測(cè)的三電極系統(tǒng)；電化學(xué)的三電極系統(tǒng)，即對(duì)電極、工作電極、參比電極均為平面電極，按照電化學(xué)檢測(cè)的要求排布組成一個(gè)整體，嵌入在數(shù)字微流控芯片的某個(gè)驅(qū)動(dòng)電極當(dāng)中，但電氣不相連；所有三個(gè)電極均處于芯片的同一個(gè)平面上； 在下極板電化學(xué)電極上形成“凹坑”，使該部分電化學(xué)電極“裸露”; 在所述電化學(xué)電極的工作電極上修飾有納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片，其特征在于在所述工作電極上修飾的納米材料為石墨烯或碳納米管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片，其特征在于所述液滴為用于介質(zhì)上電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)的溶液滴，其成分是單一的或多成分組成的生物樣品或化學(xué)溶液。
全文摘要
本發(fā)明屬于微分析芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于納米材料電極修飾的電化學(xué)集成數(shù)字微流控芯片。本發(fā)明芯片以數(shù)字微流控芯片為基礎(chǔ)，集成有電化學(xué)傳感的微細(xì)電極，電化學(xué)電極嵌入于數(shù)字微流芯片的控制電極中，所有電極處于芯片的同一平面上。通過(guò)微流體自動(dòng)化操控實(shí)現(xiàn)電化學(xué)傳感電極的納米材料修飾，以增強(qiáng)微流控芯片上的電化學(xué)傳感能力。本芯片具有設(shè)計(jì)新穎、集成度高、制作方便、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)微量、快速、靈敏檢測(cè)，大大地拓寬電化學(xué)傳感及數(shù)字微流控領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)B01L3/00GK103170383SQ20131007447
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月10日
發(fā)明者余玉華, 陳建鋒, 周嘉 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)