CN102359985B - 一种用于微流控芯片的同轴微电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微流控芯片的同轴微电极及其制备方法，包括工作电极和参比电极，工作电极是插入玻璃管圆锥尖端微孔内的导电细丝，其一端与玻璃管圆锥尖端截断处形成的微孔平面齐平，另一端通过与石墨碳粉和铜丝连接形成导电通路；参比电极是涂覆在玻璃管圆锥尖端外壁的导电层，导电层用绝缘胶绝缘作为导通线路的一部分，只在玻璃管尖端截断微孔平面处裸露出来，并由一端去掉部分外皮通过缠绕导电胶布而固定在玻璃管表面的漆皮铜丝引出。该微电极与常规电极相比，可有效再生，并可以有效地降低分离高压电场与检测电位之间的耦合，减小甚至消除检测电位的漂移，因此该微电极可以更加靠近甚至紧贴在分离管道的末端，达到提高电化学检测灵敏度以及减小分析物质谱带展宽的目的。

Description

一种用于微流控芯片的同轴微电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合微电极的设计和制备，特别涉及一种是具有微米级分辨率并能有效屏蔽外界电场耦合的同轴微电极特殊结构及其制备方法。 

背景技术

微流控芯片已经变成了研究生化分析和医药分析等领域一个强大的平台，正日益发挥着越来越重要的作用。检测系统是整个芯片系统最重要的部分之一，理想的检测系统的一般要求包括高的分离效率，广泛的应用，易于小型化和集成，高的灵敏度等等。电化学检测成本低、灵敏度高、易于集成，检测对象广泛，已经越来越受到人们的重视。其中，安培检测是电化学检测中一种最常见的检测方式。然而，在微芯片-安培检测（μCE-AD）中由于分离系统和检测系统电路的共地 ,分离电压的微小波动 ,都会对安培检测产生很大的影响，安培检测通常受到芯片分离高压的强烈干扰。 

一些论文报了通过使用铂系金属尤其是钯去耦合的方式进行安培检测，但是这类铂系金属去耦电极不能完全隔离分离电压,同时吸氢具有饱和性 ,使用寿命较短。也有通过在管道内设置微孔阵列或填充醋酸纤维素去耦的方式可以把分离电压的影响降到很小，这种微孔去耦器去耦效果较好 ,使用寿命较长 ,但通道结构复杂 ,增加了芯片加工的复杂性，并且去耦器的存在不可避免地由于去耦器与工作电极间的距离导致了额外的柱效应。 

在高电场耦合的检测环境下样品浓度和电场耦合强度是一对矛盾。如果工作电极距离通道较远 ,虽然分离电压的干扰会基本消除 ,但是样品区带扩散会很严重 ,从而降低检测灵敏度。如果工作电极距离通道出口较近 ,虽然可以减小试样区带扩张 ,但是分离电压的干扰会很严重。因此一个理想的柱端检测设计既要满足减小工作电极处的残余电场 ,又不至于造成大的谱带扩张。为此发展一种能够不受外界电场影响而进行工作的电化学检测系统是必要的，它将大大提升微区分析的灵敏度和适用环境。另外如果这种电极兼具可重复利用性和制备的简易性廉价性将更加有利于它的工业化。 

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可减小甚至消除微流控芯片分离通道中高压电场对电化学检测电位影响的同轴结构，且制备方法简单，造价低廉，可重复使用的微电极。 

本发明的另一个目的是提供一种上述微电极的制备方法。 

本发明的技术方案如下。 

一种用于微流控芯片的同轴微电极包括工作电极和参比电极，工作电极是插入玻璃管圆锥尖端微孔内的导电细丝，导电细丝通过玻璃管壁与参比电极形成天然绝缘层，其一端与玻璃管圆锥尖端截断处形成的微孔平面齐平，另一端通过与石墨碳粉和铜丝连接形成导电通路引出玻璃管，导电细丝为金丝、铂丝、铜丝、银丝或者碳纤维丝，导电细丝和铜丝通过UV胶水与玻璃管内壁固定；参比电极是是涂覆在玻璃管圆锥尖端外壁的导电层，导电层用绝缘胶绝缘作为导通线路的一部分，只在玻璃管尖端截断微孔平面处裸露出来，并由一端去掉部分外皮通过缠绕导电胶布而固定在玻璃管表面的漆皮铜丝引出，导电层通过真空溅射、磁控溅射或化学镀的方法涂覆在玻璃管表面，金属层为金、铂、碳或银，厚度为纳米级。 

 将参比金属电极以环状包覆的形式结合在盘状工作电极外侧，形成均匀的电场屏蔽层。由于参比电极和工作电极位于同一平面，且面积在微米量级，有效保证了两电极在使用时近似位于外电场等位面上，不受检测电位定向偏移的影响。另外参比金属层采用溅射或电镀的方法在玻璃表面直接形成，能够有效的降低增加额外电极带来的电极尺寸增大，有利于维持检测较小的空间分辨率。玻璃在两个电极间不仅充当机械支撑的作用利于电极表面通过打磨再生，还是良好的绝缘体，免除了额外的绝缘需求。 

 制备本发明的同轴微电极的方法，依次由以下几个步骤组成。 

（a）工作电极的制备：使用毛细管拉伸仪将玻璃管一端拉成带有圆锥尖端，去掉尖端封口形成微孔；将导电细丝插入微孔中，在孔外保留一定长度的导电细丝；在玻璃管另一端填入石墨碳粉，与导电细丝接触，并将一根铜丝插入玻璃管中形成导电通路引出玻璃管，导电细丝和铜丝通过UV胶水与玻璃管内壁固定；截断孔外保留的导电细丝，使其与玻璃管圆锥尖端微孔的截面齐平。 

（b）参比电极的制备：在玻璃管外壁涂覆一层导电层，用绝缘胶绝缘外壁部分的导电层作为导通线路的一部分，仅露出玻璃管圆锥尖端截断平面处微米级宽度的导电层作为参比电极，并用一端去掉部分外皮通过缠绕导电胶布而固定在玻璃管表面的漆皮铜丝引出，导电层通过真空溅射、磁控溅射或化学镀的方法涂覆在玻璃管表面，导电层为金、铂、碳或银，厚度为纳米级。 

由上述步骤制得了同轴微电极，电极的检测部分尺寸（10～100μm），制作方法简单，电极表面可通过钻石研磨片打磨再生，且很方便清洗，工作寿命较一般内置集成电极长，。本发明可以以导电材料作为工作电极，金属作为参比电极，通过二者在高压分离电场中近似等电位的原理以达到减小甚至消除分离高压电场对检测电位的影响，相较于与其他方式消除耦合的电化学检测方式，无需额外仪器，减小了芯片的复杂程度，降低了芯片的成本。 

附图说明

图1是同轴微电极的构造图。 

图2是同轴微电极尖端的剖面图。 

图3是同轴微电极尖端截断平面的平面图。 

其中的附图标记分别表示：1、电极尖端截断平面；2、导热绝缘胶；3、石墨碳粉；4、玻璃管；5、导电胶布；6、漆包铜丝；7、UV胶水；8、铜丝。9、导电层；10、导电细丝。 

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。 

1、碳纤维圆盘电极的制备： 

步骤1. 将玻璃管（长11cm，外径1mm，内径0.5mm）垂直固定在毛细管拉制仪上，玻璃管中间部位（长约1cm）刚好穿过其上的电加热线圈，设置电流值为3.5A，采血管在下端拉力和受热的情况下被拉成两段等长的带有圆锥体尖端的玻璃管4，玻璃管一端的圆锥体高约8mm，圆锥角约为8o，其余的圆柱部分长约5cm。

步骤2. 将玻璃管4圆锥尖端轻碰弹性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，尖端由于太细以及管壁很薄而断裂，断裂部位可形成一个外径在35～50μm，内径约20～30μm的微孔环。 

步骤3. 在表面皿（直径5.2cm）内固化一层厚约5mm的聚二甲基硅氧烷（PDMS），将碳纤维丝10置于PDMS上，在正置显微镜下（放大30倍），手动操控将3～5根碳纤维丝10插入圆环孔中，并在外部保留约50μm的长度。PDMS采用通用方法获得，即单体与固化剂10：1的比例充分混匀，真空抽气5min，置于加热台上80℃加热1h而得。碳纤维丝10的插入可以将单根碳纤维先部分插入圆锥孔内，然后移动玻璃管4至插入的碳纤维丝4露出的一端与另一根碳纤维丝4的一端齐平后再缓慢抽掉玻璃管4，使两根丝靠拢再一起，再依次采用相同的方式将其他几根移动至相同的位置，然后再一同插入微孔内。 

步骤4. 在正置显微镜（放大30倍）下，用细尖的软塑料薄片蘸上UV胶水（乐泰352紫外线固化胶）7封涂于碳纤维丝10与玻璃管4微孔之间的缝隙，并将上述物件置在紫外灯下，使UV胶水7聚合固化1h以上。UV胶水7在毛细作用下进入圆锥孔径内部约30μm；上述软塑料薄片可以由剪刀裁剪的塑料吸管做成。 

步骤5. 在玻璃管4的圆柱体一端的圆孔内填入光谱纯石墨碳粉3，以直径0.45mm铜丝8将碳粉3推至玻璃管4的圆锥体一端，再以更细的铜丝（直径0.15mm）推动碳粉4使其与碳纤维10充分接触，最后将直径为0.45mm的铜丝8从玻璃管4的圆柱体一端插入圆孔形成导电通路。 

步骤6. 使用紫外胶封涂于铜丝8与玻璃管4接触处，并将上述物件在紫外灯下照射1h以上。 

步骤7. 在正置显微镜下（放大倍数60倍）使用手术小刀将露出玻璃管4尖端微孔的碳纤维丝10截断，使其与微孔截面齐平。 

步骤8. 将玻璃管尖端使用丙酮润洗10s，并将其浸入水中超声10s。 

2、玻璃管外壁纳米金环电极的制备 

步骤1. 距玻璃管4尖端约2cm处的玻璃管圆柱部位粘上一圈宽约1cm的导电胶布5。导电胶布5一部分起到固定细铜丝6的目的，一部分起到与金层的导通作用。

步骤2. 取长约12cm、直径为1.5mm细铜丝6，去掉导线一端一段绝缘塑料，并将去皮的铜丝缠绕在导电胶布5上系紧，未缠绕的带绝缘塑料的铜线6作为金电极9的导线引出。 

步骤3. 将一批上述物件整齐地排列在载玻璃片上，用胶带固定好，置于磁控溅射腔内，喷金300s，形成厚度约30nm的金层。胶带粘在远离玻璃管圆锥尖端的圆柱部位，受磁控溅射腔尺寸的限制，一次一般可以溅射10根电极左右。 

步骤4. 在细铜丝6的缠绕部位，也即细铜丝6与金层接触处，同时也是金层与导电胶布5接触处，涂上一层导电银胶，空气中晾5min以上至导电银胶固化。涂导电银胶的目的是增强铜丝6与金层的导通性。 

步骤5. 在正置显微镜下（放大80倍），用导热绝缘胶（南京市化工原料总公司粘合剂公司，L-Ⅱ型）2涂于金层之上，只露出玻璃管尖端截断平面1上一小部分金层，空气中晾5 h以上。 

Claims (6)

1.一种用于微流控芯片的同轴微电极，包括工作电极和参比电极，其特征在于：所述的工作电极是插入玻璃管内的导电细丝，其一端与玻璃管圆锥尖端截断处形成的微孔平面齐平，另一端通过与石墨碳粉和铜丝连接形成导电通路引出玻璃管；参比电极是涂覆在玻璃管圆锥尖端外壁的导电层，导电层用绝缘胶绝缘作为导通线路的一部分，只在玻璃管尖端截断微孔平面处裸露出来，并由一端去掉部分外皮通过缠绕导电胶布而固定在玻璃管表面的漆皮铜丝引出，导电层的厚度为纳米级。

2.根据权利要求1所述的用于微流控芯片的同轴微电极，其特征在于：所述的导电细丝和铜丝使用UV胶水与玻璃管内壁固定，紫外胶需在紫外灯下照射聚合。

3.根据权利要求1所述的用于微流控芯片的同轴微电极，其特征在于：所述导电细丝为金丝、铂丝、铜丝、银丝或者碳纤维丝。

4.根据权利要求1所述的用于微流控芯片的同轴微电极，其特征在于：导电层为金、铂、碳或银。

5.制备权利要求1所述的用于微流控芯片的同轴微电极的方法，其特征包括以下几个步骤：

（a）工作电极的制备：使用毛细管拉伸仪将玻璃管一端拉成带有圆锥尖端，去掉尖端封口形成微孔；将导电细丝插入微孔中，在孔外保留30～100μm长度的导电细丝；在玻璃管另一端填入石墨碳粉，与导电细丝接触，并将一根铜丝插入玻璃管中形成导电通路并引出玻璃管，导电细丝和铜丝通过UV胶水与玻璃管内壁固定；截断孔外保留的导电细丝，使其与玻璃管圆锥尖端微孔的截面齐平；

（b）参比电极的制备：在玻璃管外壁涂覆一层导电层，用绝缘胶绝缘外壁部分的导电层作为导通线路的一部分，仅露出玻璃管圆锥尖端截断平面处微米级宽度的导电层作为参比电极，并用一端去掉部分外皮通过缠绕导电胶布而固定在玻璃管表面的漆皮铜丝引出。

6.根据权利要求5所述的用于微流控芯片的同轴微电极的制备方法，其特征在于：导电层通过真空溅射、磁控溅射或化学镀的方法涂覆在玻璃管表面。

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