CN103170383B - 基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于微分析芯片技术领域，具体为一种基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片。本发明芯片以数字微流控芯片为基础，集成有电化学传感的微细电极，电化学电极嵌入于数字微流芯片的控制电极中，所有电极处于芯片的同一平面上。通过微流体自动化操控实现电化学传感电极的纳米材料修饰，以增强微流控芯片上的电化学传感能力。本芯片具有设计新颖、集成度高、制作方便、自动化程度高、检测能力强等优点，可以实现微量、快速、灵敏检测，大大地拓宽电化学传感及数字微流控领域的应用范围。

Description

基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片

技术领域

本发明属于微分析芯片技术领域，具体涉及基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片。

背景技术

芯片实验室（LOC）又称微全分析系统（Miniaturized Total Analysis System, μ-TAS）其简单定义是指能够完成生物化学处理各个过程，将能自动完成传统实验室任务的复杂功能微小化、集成化的MEMS系统，其目标是在单个器件上集成完全的分析过程，能够完成样品提取、 样品预处理、分解分离、生物化学反应、分析检测、数据处理等操做。芯片实验室作为一项新兴的技术，自提出以来就有较多的关注，具有高集成性、高精度、低耗性、高通量、智能化等许多优点，在未来生物、医药、化学等许多领域具有非常好的发展前景。

作为芯片实验室的动力部分，微流控技术起着至关重要的作用。而基于介质上电润湿的数字微流技术是指通过在介质结构上施加电压改变液滴在介质表面的润湿性能从而改变液滴与界面接触角以进一步对离散液滴进行操控的微流技术，它具有驱动方式简单、驱动力强、操控方便、自动化程度高等许多优点，是数字微流领域的主流技术，在LOC领域中具有非常好的发展前景。

作为一种有效的微检测方法，电化学传感是基于三电极工作系统：工作电极、对电极、参比电极，是利用电学信号测量完成溶液中的物质检测，因此无论从检测对象、检测方法、检测系统上看，电化学传感都可以方便地集成到数字微流芯片中。而且电化学传感还具有集成度高、检测范围广、灵敏度高、低功耗、低成本等许多优点，是芯片实验室中较有潜力的检测方法。

因此，将电化学传感集成到数字微流控芯片中以实现芯片实验室具有重大意义。目前，基于这一部分的研究很少，虽然我们研究小组已经进行了相关探索，并提出了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）和一种数字微流控技术的电化学传感器芯片（申请号：201110001653.8）。这两种芯片虽然实现了微流控芯片上电化学检测的集成，但仍有芯片结构相对复杂、制作不够简便的缺点，更为重要的是，由于受到数字微流控芯片驱动电极的尺寸限制，集成电化学电极尺寸通常较小，这样降低了电化学检测方法的灵敏度，从而削弱了电化学集成的优点。因此，实现数字微流控芯片上电化学传感的简便集成并增加电化学检测的灵敏度和稳定性等性能对于芯片实验室的发展具有重大意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够增加电化学检测的灵敏度和稳定性的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片。

本发明提供的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片，为介质上电润湿驱动芯片，通过合理的结构将电化学检测单元集成于数字微流控芯片中，并通过数字微流控芯片自动化操控实现电化学电极自动化纳米材料修饰，增强其电化学检测能力以解决电化学集成的瓶颈。

本发明的电化学集成数字微流控芯片，为上极板、下极板中间夹着驱动液滴的三明治结构；下极板从下到上依次为绝缘衬底、集成电极层、绝缘介质层、疏水层；上极板从下到上依次为疏水层、平面电极层、绝缘衬底；其中，上极板平面电极层仅作为数字微流芯片驱动的接地电极，下极板中的集成电极层包含数字微流控芯片的驱动电极和电化学检测的三电极系统；电化学的三电极系统，即对电极（或称辅助电极）、工作电极、参比电极均为平面电极，按照电化学检测的要求排布组成一个整体，嵌入在数字微流控芯片的某个驱动电极当中，但电气不相连；所有三个电极均处于芯片的同一个平面上；

在下极板电化学电极上形成“凹坑”，使该部分电化学电极“裸露”；

在所述电化学电极的工作电极上修饰有纳米材料。

为了实现介质上电润湿驱动，数字微流控芯片的驱动电极上覆盖了绝缘介质层和疏水层；而为了实现溶液接触传感，电化学电极上的介质层和疏水层需要去掉。因此，在芯片制作时需要通过一定工艺在下极板电化学电极上形成“凹坑”，以实现该部分电化学电极的“裸露”；通过这样的结构设计，液滴可以通过介质上电润湿驱动运输到集成驱动电极上，接触到“裸露”的电化学电极进行电化学检测，其后又被运输离开检测电极，从而实现自动化操控。

为了实现集成电化学电极灵敏度增强及检测速度提高，本发明采用电化学电极修饰方法将纳米功能材料修饰在电化学电极上。与传统电化学电极修饰不同，本发明修饰采用的是自动化操控方法，通过数字微流技术自动形成所需修饰溶液并运输到电化学电极上，通过物理吸附、包埋或者共价键结合等方法把纳米材料修饰在电化学电极的工作电极上，其后把修饰后的废液自动运输离开，还可以进一步自动运输去离子水或其他溶液到电化学电极上实现修饰后处理。这种方法除了能够简便自动化操控外，还可以结合数字微流控芯片的优点，实现微量、精准、快速、高通量电极修饰，弥补了微细平面电化学集成电极的缺陷。

本发明中，芯片上电化学电极纳米材料修饰并不限定，其修饰方法可为目前已知的物理静止吸附、电聚合包埋、自组装共价键结合等方法，其纳米材料可以为石墨烯、碳纳米管等；但优选为采用快速、可靠、高性能的修饰方法，如通过石墨烯纳米溶液与吡咯溶液混合，在电化学电极上加电快速电聚合即可以将纳米石墨烯修饰在电化学电极上形成高性能修饰电化学电极。

本发明中，驱动电极、电化学电极的大小以及其“嵌入”位置并不严格限定，但应当满足电化学电极尺寸在符合电化学传感条件下尽量小，能够被驱动电极包围，以实现液滴运输到集成驱动电极上能被电化学电极接触传感，而将液滴运输离开时电极上没有多余液滴残留。

本发明中，电化学传感的电极需要特定材料，如金、铂、玻碳等，而数字微流驱动电极只需为导电金属即可，由于本芯片驱动电极和电化学电极位于同一平面上，故驱动电极可以采用与电化学电极一样的材料，如下极板所有电极采用金（Au），只需一次电极图形化以精简芯片制作。

本发明中，所述电化学电极的“嵌入”指的是电化学三个电极被数字微流芯片驱动电极包围但电气隔离，并且电极是处于同一个平面上。

本发明中，所述“液滴”是指能用于介质上电润湿驱动的溶液滴，其成分可以是单一的生物样品、化学溶液等，也可以是多成分组成，如外面包裹着一层油膜的液滴等，其大小并不限定，可以为次微微升到若干毫升之间。

本发明中，所述“极板”或“电极板”是指微流控芯片中包含有介电层、电极层、疏水层或者其任意组合的一定器件结构部分。

本发明中，所述“驱动电极”是指芯片实施液滴操控时对应电极的电压被置成不为0以使电润湿驱动能够发生，所述“接地电极”是指芯片实施液滴操控时对应电极的电压被置成0或与0足够接近。

本发明中，所述的电化学电极通过嵌入方法集成在芯片的下极板上，电化学电极与驱动电极位于同一平面，被某一数字微流驱动电极包围但电气不相连，以满足液滴处于驱动电极上时能够接触到电化学电极实现电化学传感。

本发明中，电化学电极上不覆盖介质层和疏水层，通过数字微流自动化操控方法将特殊溶液运输到电化学电极实现自动化纳米材料修饰以增强电化学电极的传感能力；

通过本发明技术方案，可以形成一种基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片，该芯片具有如下显著优势：

（a）电化学电极嵌入集成到数字微流控芯片驱动电极中，电极处于同一个平面上，精简了芯片结构，简化了制作工艺。

（b）利用数字微流控芯片的优点，电化学电极的修饰可以完全自动化，可以快速、高通量修饰，有利于芯片大规模集成应用，并通过溶液量控制实现微量准确控制修饰，有利于增强电极修饰效果。

（c）经过修饰的集成电化学电极比以往集成裸电极有更高的灵敏度及检测能力，解决了微细电化学集成的问题，并且还可以修饰功能材料实现功能化检测，扩展了集成电化学芯片的应用范围。

（d）集成电化学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携式应用。

附图说明

图1是根据本发明基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片的原理性结构示意图。

图2 是根据本发明的数字微流控芯片电化学电极集成配置及修饰过程原理性示意图。

具体实施方式

本发明提供的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片包含电化学功能集成，特殊结构配置以及功能性电极修饰。应当指出，本实施方式是为了说明目的而提供，而不在意以任何方式限制本发明的范围。

根据本发明基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片的原理性结构示意图如图1所示。在绝缘衬底100上为本发明芯片的数字微流驱动电极E1-E4和集成电化学电极E5-E7，其中电化学电极E5-E7嵌入到驱动电极E3当中，被E3包围但电气绝缘。应当说明，用作衬底的材料并不固定，只要绝缘即可，如可以为石英、玻璃、绝缘的硅片等；集成电化学电极材料应为满足电化学传感的金、铂等金属，为制作方便，优选为金；而数字微流驱动电极（包括下面所述的接地电极）原则上可以由任何导电材料组成，但为了简化芯片制作工艺，优选为与电化学电极一致的金材料，其电极大小和间隔及具体电极的个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例；而且，本图只为芯片结构的示意，并不精确反应电极的位置及排布。在电极上有介质层101，其上置有疏水层102。应当指出，介质层应为绝缘介质材料但并不限定，优选为介电常数较高、抗击穿能力较强的材料。衬底100、驱动电极、介质层101及疏水层102共同构成了器件下极板201。在下极板上为驱动的液滴D，液滴之上为疏水层103，疏水层上置有接地电极104，其上为绝缘衬底105。应当指出，接地电极104的材料并不限定，但为了扩展芯片功能集成，优选为导电透明材料，如氧化铟锡（ITO）、掺铝的氧化锌（AZO）等。疏水层103、地电极104、上基板105共同构成了器件的上极板202。应当指出，本发明芯片中集成电化学电极必须裸露以使溶液能够接触电化学电极进行传感，即其上的101介质层和102疏水层必须去掉，实际制备中，可采用光刻后刻蚀的方法同时去掉两层材料使电极裸露，也可以在形成疏水层102前先对电化学电极上的介质层101先进行光刻或光刻刻蚀方法去掉，其后使用光刻刻蚀或剥离（lift-off）等方法去掉电化学电极上的疏水层102。在本数字微流芯片中，通过对驱动电极施加电压控制信号而接地电极接地即可以对上下极板间的液滴D达到驱动作用。而将集成电化学三电极E5-E7引出即可对液滴进行电化学检测。

图2为根据本发明的数字微流控芯片电化学电极集成配置及修饰过程示意图。E1-E4为常规数字微流控驱动电极，E5、E6、E7分别为集成电化学的对电极、工作电极和参比电极，它们以优化的尺寸和比例嵌入到驱动电极E3当中，但与E3电气不相连。

结合图1、图2，本发明的电化学集成数字微流控芯片一种可实施的制备工艺如下：

（a）下极板绝缘衬底上采用旋涂、蒸发、溅射等工艺形成金属薄膜，通过一步光刻刻蚀方法形成驱动电极和集成电化学电极；

（b）通过旋涂、物理溅射、化学气相沉积等方法制备绝缘介质层，通过光刻刻蚀方法形成集成电化学电极上的“凹坑”以裸露电化学电极。应当指出，如果介质层材料为特殊光刻胶，如SU8，可采用一步光刻成膜方法即可形成所需结构；

（c）通过旋涂、蒸发、溅射成膜等方法制备疏水层，并通过光刻刻蚀方法去掉电化学电极上的部分。也可以采用剥离工艺（lift off），即先光刻图形，其后形成疏水层，再通过剥离方法去掉不需要部分；

（d）上极板在绝缘衬底上通过旋涂、蒸发、溅射等工艺形成金属薄膜，其后直接通过旋涂、溅射等方法制备疏水层；

（e）通过将上下极板组装形成数字微流控芯片；

通过如上工艺，形成集成有普通电化学电极的数字微流控芯片，可对溶液液滴进行产生、输运、混合、分裂、合并、回收等许多操作。但要实现本发明的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片还需通过数字微流自动化操控技术将修饰溶液输运到电化学电极进行修饰，具体如下：当修饰液滴D0经过前期自动化处理后处于电极E1位置，通过对驱动电极E2、E3依次施加电压信号，使液滴运输到电极E3上，如D1。此时液滴D1覆盖到集成电化学电极，可以对其进行修饰。例如，采用石墨烯电聚合方法修饰时，D0为吡咯和纳米石墨烯的混合液，运输到E3时通过对电化学电极施加适当电位和时间使溶液中吡咯电聚合为聚吡咯，同时使纳米石墨烯定量修饰在工作电极E6上。其后通过对驱动电极E4施加电压信号即可运输走修饰后的废液完成电化学电极的自动化修饰，带有纳米材料修饰的电化学电极的传感能力大大增强。

自此，本发明的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片制备完成，其后采用数字微流控操作方法即可自动化实现溶液的各种操作及传感。

Claims (3)

1. 一种基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片，其特征在于为上极板、下极板中间夹着驱动液滴的三明治结构；下极板从下到上依次为绝缘衬底、集成电极层、绝缘介质层、疏水层；上极板从下到上依次为疏水层、平面电极层、绝缘衬底；其中，上极板平面电极层仅作为数字微流芯片驱动的接地电极，下极板中的集成电极层包含数字微流控芯片的驱动电极和电化学检测的三电极系统；电化学的三电极系统，即对电极、工作电极、参比电极均为平面电极，按照电化学检测的要求排布组成一个整体，嵌入在数字微流控芯片的某个驱动电极当中，但电气不相连；所有三个电极均处于芯片的同一个平面上；

在下极板电化学电极上形成“凹坑”，使该部分电化学电极“裸露”；

在所述电化学电极的工作电极上修饰有纳米材料。

2. 根据权利要求1所述的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片，其特征在于在所述工作电极上修饰的纳米材料为石墨烯或碳纳米管。

3. 根据权利要求1所述的基于纳米材料电极修饰的电化学集成数字微流控芯片，其特征在于所述液滴为用于介质上电润湿驱动的溶液滴，其成分是单一的或多成分组成的生物样品或化学溶液。