專利名稱：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)：
芯片實驗室(LOC)又稱微全分析系統(tǒng)(MiniaturizedTotal Analysis System,M~TAS)其簡單定義是指能夠完成生物化學(xué)處理各個過程，將能自動完成傳統(tǒng)實驗室任務(wù)的復(fù)雜功能微小化、集成化的MEMS系統(tǒng)，其目標(biāo)是在單個器件上集成完全的分析過程，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、數(shù)據(jù)處理等操做。芯片實驗室作為一項新興的技術(shù)，自提出以來就有較多的關(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，在未來生物、醫(yī)藥、化學(xué)等許多領(lǐng)域具有非常好的發(fā)展前景。作為芯片實驗室的動力部分，微流控技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。而基于介質(zhì)上電潤濕的數(shù)字微流技術(shù)是指通過在介質(zhì)結(jié)構(gòu)上施加電壓改變液滴在介質(zhì)表面的潤濕性能從而改變液滴與界面接觸角以進(jìn)一步對離散液滴進(jìn)行操控的微流技術(shù)，它具有驅(qū)動方式簡單、驅(qū)動力強(qiáng)、操控方便、自動化程度高等許多優(yōu)點，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方法，電化學(xué)傳感是基于三電極工作系統(tǒng):工作電極、對電極、參比電極，是利用電學(xué)信號測量完成溶液中的物質(zhì)檢測，因此無論從檢測對象、檢測方法、檢測系統(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、檢測范圍廣、靈敏度高、低功耗、低成本等許多優(yōu)點，是芯片實驗室中較有潛力的檢測方法。因此，將電化學(xué)傳感集成到數(shù)字微流控芯片中以實現(xiàn)芯片實驗室具有重大意義。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?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?zhí)?201110001653.8)。這兩種芯片雖然實現(xiàn)了微流控芯片上電化學(xué)檢測的集成，但仍有芯片結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、制作不夠簡便的缺點，更為重要的是，由于受到數(shù)字微流控芯片驅(qū)動電極的尺寸限制，集成電化學(xué)電極尺寸通常較小，這樣降低了電化學(xué)檢測方法的靈敏度，從而削弱了電化學(xué)集成的優(yōu)點。因此，實現(xiàn)數(shù)字微流控芯片上電化學(xué)傳感的簡便集成并增加電化學(xué)檢測的靈敏度和穩(wěn)定性等性能對于芯片實驗室的發(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)上電潤濕驅(qū)動芯片，通過合理的結(jié)構(gòu)將電化學(xué)檢測單元集成于數(shù)字微流控芯片中，并通過數(shù)字微流控芯片自動化操控實現(xiàn)電化學(xué)電極自動化納米材料修飾，增強(qiáng)其電化學(xué)檢測能力以解決電化學(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)動電極和電化學(xué)檢測的三電極系統(tǒng)；電化學(xué)的三電極系統(tǒng)，即對電極(或稱輔助電極)、工作電極、參比電極均為平面電極，按照電化學(xué)檢測的要求排布組成一個整體，嵌入在數(shù)字微流控芯片的某個驅(qū)動電極當(dāng)中，但電氣不相連；所有三個電極均處于芯片的同一個平面上；
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。為了實現(xiàn)介質(zhì)上電潤濕驅(qū)動，數(shù)字微流控芯片的驅(qū)動電極上覆蓋了絕緣介質(zhì)層和疏水層；而為了實現(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，在芯片制作時需要通過一定工藝在下極板電化學(xué)電極上形成“凹坑”，以實現(xiàn)該部分電化學(xué)電極的“裸露”;通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，液滴可以通過介質(zhì)上電潤濕驅(qū)動運(yùn)輸?shù)郊沈?qū)動電極上，接觸到“裸露”的電化學(xué)電極進(jìn)行電化學(xué)檢測，其后又被運(yùn)輸離開檢測電極，從而實現(xiàn)自動化操控。為了實現(xiàn)集成電化學(xué)電極靈敏度增強(qiáng)及檢測速度提高，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化操控方法，通過數(shù)字微流技術(shù)自動形成所需修飾溶液并運(yùn)輸?shù)诫娀瘜W(xué)電極上，通過物理吸附、包埋或者共價鍵結(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運(yùn)輸離開，還可以進(jìn)一步自動運(yùn)輸去離子水或其他溶液到電化學(xué)電極上實現(xiàn)修飾后處理。這種方法除了能夠簡便自動化操控外，還可以結(jié)合數(shù)字微流控芯片的優(yōu)點，實現(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)動電極包圍，以實現(xiàn)液滴運(yùn)輸?shù)郊沈?qū)動電極上能被電化學(xué)電極接觸傳感，而將液滴運(yùn)輸離開時電極上沒有多余液滴殘留。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)動電極只需為導(dǎo)電金屬即可，由于本芯片驅(qū)動電極和電化學(xué)電極位于同一平面上，故驅(qū)動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)三個電極被數(shù)字微流芯片驅(qū)動電極包圍但電氣隔離，并且電極是處于同一個平面上。本發(fā)明中，所述“液滴”是指能用于介質(zhì)上電潤濕驅(qū)動的溶液滴，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)動電極”是指芯片實施液滴操控時對應(yīng)電極的電壓被置成不為0以使電潤濕驅(qū)動能夠發(fā)生，所述“接地電極”是指芯片實施液滴操控時對應(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)電極通過嵌入方法集成在芯片的下極板上，電化學(xué)電極與驅(qū)動電極位于同一平面，被某一數(shù)字微流驅(qū)動電極包圍但電氣不相連，以滿足液滴處于驅(qū)動電極上時能夠接觸到電化學(xué)電極實現(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，通過數(shù)字微流自動化操控方法將特殊溶液運(yùn)輸?shù)诫娀瘜W(xué)電極實現(xiàn)自動化納米材料修飾以增強(qiáng)電化學(xué)電極的傳感能力；
通過本發(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:
Ca)電化學(xué)電極嵌入集成到數(shù)字微流控芯片驅(qū)動電極中，電極處于同一個平面上，精簡了芯片結(jié)構(gòu)，簡化了制作工藝。(b)利用數(shù)字微流控芯片的優(yōu)點，電化學(xué)電極的修飾可以完全自動化，可以快速、高通量修飾，有利于芯片大規(guī)模集成應(yīng)用，并通過溶液量控制實現(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能力，解決了微細(xì)電化學(xué)集成的問題，并且還可以修飾功能材料實現(xiàn)功能化檢測，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程原理性示意圖。
具體實施例方式本發(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，本實施方式是為了說明目的而提供，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)動電極E3當(dāng)中，被E3包圍但電氣絕緣。應(yīng)當(dāng)說明，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數(shù)并不限定，本說明書僅以一定數(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，實際制備中，可采用光刻后刻蝕的方法同時去掉兩層材料使電極裸露，也可以在形成疏水層102前先對電化學(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，通過對驅(qū)動電極施加電壓控制信號而接地電極接地即可以對上下極板間的液滴D達(dá)到驅(qū)動作用。而將集成電化學(xué)三電極E5-E7引出即可對液滴進(jìn)行電化學(xué)檢測。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程示意圖。E1-E4為常規(guī)數(shù)字微流控驅(qū)動電極，E5、E6、E7分別為集成電化學(xué)的對電極、工作電極和參比電極，它們以優(yōu)化的尺寸和比例嵌入到驅(qū)動電極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，通過一步光刻刻蝕方法形成驅(qū)動電極和集成電化學(xué)電極；
(b)通過旋涂、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)通過旋涂、蒸發(fā)、濺射成膜等方法制備疏水層，并通過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，再通過剝離方法去掉不需要部分；
(d)上極板在絕緣襯底上通過旋涂、蒸發(fā)、濺射等工藝形成金屬薄膜，其后直接通過旋涂、濺射等方法制備疏水層；
(e)通過將上下極板組裝形成數(shù)字微流控芯片；
通過如上工藝，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數(shù)字微流自動化操控技術(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)過前期自動化處理后處于電極El位置，通過對驅(qū)動電極E2、E3依次施加電壓信號，使液滴運(yùn)輸?shù)诫姌OE3上，如Dl。此時液滴Dl覆蓋到集成電化學(xué)電極，可以對其進(jìn)行修飾。例如，采用石墨烯電聚合方法修飾時，DO為吡咯和納米石墨烯的混合液，運(yùn)輸?shù)紼3時通過對電化學(xué)電極施加適當(dāng)電位和時間使溶液中吡咯電聚合為聚吡咯，同時使納米石墨烯定量修飾在工作電極E6上。其后通過對驅(qū)動電極E4施加電壓信號即可運(yùn)輸走修飾后的廢液完成電化學(xué)電極的自動化修飾，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化實現(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)動電極和電化學(xué)檢測的三電極系統(tǒng)；電化學(xué)的三電極系統(tǒng)，即對電極、工作電極、參比電極均為平面電極，按照電化學(xué)檢測的要求排布組成一個整體，嵌入在數(shù)字微流控芯片的某個驅(qū)動電極當(dāng)中，但電氣不相連；所有三個電極均處于芯片的同一個平面上； 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)上電潤濕驅(qū)動的溶液滴，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。通過微流體自動化操控實現(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)計新穎、集成度高、制作方便、自動化程度高、檢測能力強(qiáng)等優(yōu)點，可以實現(xiàn)微量、快速、靈敏檢測，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B01L3/00GK103170383SQ20131007447
公開日2013年6月26日 申請日期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 申請人:復(fù)旦大學(xué)