CN102175744A - 一种数字微流控技术的电化学传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物芯片技术领域,具体为一种新型数字微流控技术的电化学传感器芯片。该芯片由三部分构成：从下至上依次为：液滴控制单元、液滴通道、电化学单元。其中液滴控制单元从下到上由第一衬底、第一绝缘层、第一电极层、第二绝缘层和第一疏水层构成；电化学单元从下到上依次为：电化学电极组、第二疏水层，第二电极层，第三绝缘层和第二衬底；当第一衬底和第二衬底为绝缘材料时，第一绝缘层和第三绝缘层省去；电化学电极组包括对电极、工作电极和参比电极，且所述电化学电极组覆盖在第二疏水层的下表面；液滴通道为液滴控制单元和电化学单元中的空气间隙。本发明结合了数字微流控技术和电化学传感器技术的优点，为生化分析提供了一种新型的微分析器件，减少样品需求量，提高了检测速度，可实现检测所需的多种液体样本的输送，并实现在线检测。

Description

一种数字微流控技术的电化学传感器芯片

技术领域

本发明属于生物芯片技术领域,具体涉及一种数字微流控技术的电化学传感器芯片。

背景技术

基于微流控技术和电化学检测的集成芯片是目前非常热门的研究领域。这种集成芯片可以充分利用微加工和集成技术的优势并结合各种分析检测原理，从而实现微小型的分析仪器，具有体积小、功耗低、灵敏度高、便携等优势，可以广泛应用于生物、医学和化学的检测，并且在国家安全、免疫检测、环境保护、食品卫生、基因筛选、疾病诊断等领域均有应用潜力。

电化学检测方法是研究电的作用和化学作用相互关系的技术，可以满足分析样本所需的（液体）环境，且检测信号为电信号，硬件手段为三电极系统，它与芯片制造技术兼容性高，因此是一种非常适合制作“全微分析系统”（μ-TAS）或“芯片上实验室”（Lab-on-a-chip）的途径之一。

基于之前的一个发明专利《一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片》申请号：201010553307.6。在这份发明专利中，公开了一种重要的电化学传感器芯片，该芯片能够实现检测所需的多种液体样本的输送，并实现在线检测。该发明中的核心部件三电极系统设计在一个方形的控制电极上，可以大大降低制备工艺的复杂度。但是由此带来了检测灵敏度的下降。因为核心部件三电极系统与液滴相比，尺寸越大，检测灵敏度越高，但是为了不影响控制电极对液滴的控制，所以该发明中三电极系统的大小不能大于下方的方形控制电极。这将对进一步提高检测系统的灵敏度带来了很大的局限。

因此，如何提高电化学传感器芯片的灵敏度，对于生化检测有着积极而重要的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种灵敏度高，工艺简单，可克服原有电化学传感器的固有局限的新型数字微流控电化学传感器芯片。

本发明中电化学电极组单独设计在一个电化学单元中，这样的设计使电化学电极组的大小不受控制单元大小的限制，可以通过增加反应电极与液滴的接触面积，从而增加该系统的检测灵敏度。

本发明提供的电化学传感器芯片，包括一个液滴控制单元、一个电化学单元和夹在上述两个单元中间的一个液滴通道三部分。其中：

所述液滴控制单元，从下到上依次为：第一衬底1、 第一绝缘层2、第一电极层3、第二绝缘层4和第一疏水层5；

所述电化学单元在所述液滴控制单元的上方，从下到上依次为：电化学电极组、第二疏水层6，第二电极层7，第三绝缘层8和第二衬底9；

这里，第一衬底1和第二衬底9为导电材料；当第一衬底1和第二衬底9为绝缘材料时，第一绝缘层2和第三绝缘层8省去；

所述电化学电极组包括对电极13、工作电极14和参比电极15，且所述电化学电极组覆盖在第二疏水层的下表面；

微流控器件的驱动电压施加在电极层3和电极层7之间，电化学检测的电学信号和检测信号由对电极13、工作电极14和参比电极15分别施加和输出。

所述电化学电极组的制备流程为：先在第二衬底9上淀积第三绝缘层8，然后在第三绝缘层8上淀积第二电极层7，第二电极层7作为所述电化学传感器芯片的负电极，然后在第二电极层7的表面淀积第二疏水层6，最后在第二疏水层6的表面制作电化学电极组，电化学电极组由对电极13、工作电极14和参比电极15构成。

所述液滴控制单元的制备流程为：先在第一衬底1上淀积第一绝缘层2，然后在第一绝缘层2上淀积第一电极层3，第一电极层3形状和布置可根据需要改变。第一电极层3作为所述电化学传感器芯片的正电极，然后在第一电极层3的表面淀积第二绝缘层4，在第二绝缘层4的表面淀积第一疏水层5。

所述液滴控制单元和所述电化学电极组之间保留一定的间隙，作为液滴通道。

数字微流控器件可以在外部驱动电路的作用下按照需要输送被测样本和所需试剂，并实现混合后送到三电极器件所在位置，由三电极体系的外部测试电路进行相关测试和数据输出。测试完毕的液滴继续由数字微流控器件转移至下一步所需位置，进行下一步电化学检测或排出芯片。

附图说明

图1是数字微流控技术的电化学传感器剖面结构图。

图2是液滴控制单元的平面结构图。

图3是电化学单元的平面结构图

图中标号：1为第一衬底，2为第一绝缘层（当衬底为导电材料时需要），3.为第一电极层，4为第二绝缘层，5为第一疏水层。6为第二疏水层，7为第二电极层，8为第三绝缘层（当衬底为导电材料时需要），9为第二衬底。10、12表示微流控液滴的输送状态，11为液滴在电化学器件上的检测状态。13为对电极（或称辅助电极），14为工作电极，15为参比电极。

具体实施方式

下面根据图1—图3给出本发明一个较好实施例并予以详细描述，以便更好地说明本发明而不是用来限制本发明的范围。

根据图1所示，本发明具体实施的步骤如下：

液滴控制单元：

1）  衬底1的制备

衬底1可以为任意材料，包括柔性衬底。如果衬底为导电材料，则应该首先淀积一层绝缘层2，淀积绝缘层的工艺可以采用热氧化、化学气相淀积CVD或物理气相淀积PVD等工艺。例如衬底为硅材料，可采用二氧化硅绝缘层。

2）电极层3的淀积，并图形化。

电极3可以为金属、导电聚合物或导电氧化物等，电极层淀积采用旋涂退火、物理溅射或蒸发工艺。图形化可以采用a）光刻后刻蚀（干法或者湿法），也可以采用剥离（lift-off）工艺；b）硬掩膜（hard mask）结合电极材料物理溅射或蒸发工艺。

3）绝缘层4的制备

绝缘层4的材料包括各种介质，特别是各种高介电常数的介质材料。采用化学气相淀积CVD或物理气相淀积PVD工艺制备绝缘层4。

4）疏水层5的制作

疏水层5的疏水材料可以是商用产品，如杜邦公司（Dupont Teflonò），采用旋涂和退火工艺制作，也可以采用化学气相淀积CVD工艺C-F类疏水层薄膜。

电化学单元

1）衬底9的制备

衬底9的材料可以为任意材料，包括柔性衬底。如果衬底9为导电材料，则应该首先淀积一层绝缘层8，淀积绝缘层的工艺可以采用热氧化、化学气相淀积CVD和等工艺。例如衬底为硅材料，可采用二氧化硅绝缘层。

2）电极层7的淀积

电极层7的材料可以为金属、导电聚合物或导电氧化物等，电极层7淀积采用旋涂退火、物理溅射或蒸发工艺。

3）疏水层6的制备

疏水层6的疏水材料可以是商用产品，如杜邦公司（Dupont Teflonò），采用旋涂和退火工艺制作，也可以采用化学气相淀积CVD工艺C-F类疏水薄膜。

4）电化学电极组的淀积，并图形化

电化学电极组即对电极13、工作电极14和参比电极15可以同时制作，采用同一种金属材料（如金或铂金），也可分别采用两种（如对电极13、工作电极14为金或铂金，参比电极15为银），或采用三种材料（如对电极13为铂金、工作电极14为金，参比电极15为银）制作。该电极层淀积采用物理溅射或蒸发工艺。图形化可以采用a）光刻后刻蚀（干法或者湿法），也可以采用剥离（lift-off）工艺；b）硬掩膜（hard mask）结合电极材料物理溅射或蒸发工艺。

如图2所示为液滴控制单元的平面结构图，液滴控制电极3的末端设计成方形，当正电压按一定的方向顺序加在各个控制电极上时，液滴控制单元表面的液滴就会按照一定的方向运动。如图中，若正电压从左到右依次加在各个电极上，液滴位置便会依次从10运动到11，再运动到12。

如图3所示为电化学单元的平面结构图，其中的电化学电极组的尺寸不会受到控制电极3的大小限制，所以可以根据需要调正大小，提高检测灵敏度。图中电极7覆盖电化学单元的整个平面，并始终接电源的负电压。电化学电极组在工作时，对电极13和工作电极14之间接测试电压源，参比电极15保持一个固定的参考电压。待测液滴通过液滴控制单元，从其他位置运动到位置11处进行测试，测试完毕再通过液滴控制单元运动到其他位置。

Claims (1)

1.一种数字微流控技术的电化学传感器芯片，其特征在于包括一个液滴控制单元、一个电化学单元和夹在上述两个单元中间的一个液滴通道三部分；其中：

所述液滴控制单元，从下到上依次为：第一衬底（1）、 第一绝缘层（2）、第一电极层（3）、第二绝缘层（4）和第一疏水层（5）；

所述电化学单元在所述液滴控制单元的上方，从下到上依次为：电化学电极组、第二疏水层（6），第二电极层（7），第三绝缘层（8）和第二衬底（9）；

这里，第一衬底（1）和第二衬底（9）为导电材料；当第一衬底（1）和第二衬底（9）为绝缘材料时，第一绝缘层（2）和第三绝缘层（8）省去；

电化学电极组包括对电极（13）、工作电极（14）和参比电极（15），该电化学电极组覆盖在第二疏水层的下表面；

微流控器件的驱动电压施加在电极层（3）和电极层（7）之间，电化学检测的电学信号和检测信号由对电极（13）、工作电极（14）和参比电极（15）分别施加和输出。

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