CN103412024A - 一种集成电化学传感芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成微分析芯片技术领域，具体涉及一种集成电化学传感芯片。本发明芯片分两大部分：一是置于芯片下极板的数字微流控驱动模块，进行微尺度液滴的产生、输运、混合、分裂等操作，可实现液体样本的自动化操控；二是置于芯片上极板的集成电化学传感模块，可进行实时、微量、快速的电化学检测。本发明芯片具有设计新颖、集成度高、操作方便、自动化程度高等许多优点，可应用于自动化微分析领域和片上实验室领域等。

Description

一种集成电化学传感芯片

技术领域

本发明属于自动化微分析芯片技术领域，具体涉及一种集成电化学传感芯片。

背景技术

自动化微分析领域不同于传统的实验室检测，它是指将传统实验室的大容量样品提取、样品预处理、分解分离、生物化学反应、分析检测、数据处理等操做集成在一个系统或芯片中，以微量样品为对象进行自动化操控和检测，具有高集成、高精度、高通量、高效率、低消耗、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。

作为微分析芯片的载体，数字微流控技术是指以单个液滴为操控对象的技术，是芯片实现微量和自动化的关键。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，由于它芯片制作简单，以电学信号进行操控，具有非常高的集成性和自动化操作能力，是目前数字微流领域的主流技术，也是未来芯片实验室应用的重要技术。

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。但传统的电化学检测都是基于大尺度的电化学电极，如一般是将毫米尺度的电极线手动插进溶液中进行检测，这样既不能实现自动化也不能实现微量检测。虽然也有文献报道过在连续数字微流控芯片上制作微细电极的小型电化学传感器，但是往往是制作非常麻烦，自动化程度不高，而且受限于连续微流技术的集成性，只能局限于一般的实验室应用。

因此，结合数字微流控技术的优点，可以将微型电化学传感集成在微小芯片上，不仅芯片制作简单，而且整个控制检测系统都可以集成，做成便携设备，具有非常大的商业应用前景。目前，基于数字微流控技术的电化学集成研究还很少，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，但仍具有一定局限性。因此，本发明提供一种更为优化的新式集成电化学传感芯片。

发明内容

本发明目的在于提供一种既可以实现自动、快速微量操控，又可以实现实时、高效、精确检测的集成电化学传感芯片。

本发明提供的集成电化学传感芯片，包括上极板和下极板，下极板中集成有数字微流控驱动模块，用于微尺度液滴的产生、输运、混合、分裂等操作，以实现液体样本的自动化操控；上极板中集成有电化学传感模块，用于实时、微量、快速的电化学检测。与以往集成芯片不同的是，基于介质上电润湿的数字微流控模块完全集成在下极板中，更具体的，是把传统介质电润湿数字微流芯片的上极板接地电极集成在下极板上，而且接地电极与驱动电极位于同一平面，可同时加工制作；而上极板可以完全用来集成电化学传感模块，这样做的好处是可以明显简化芯片制作工艺，而且微流控和电化学两个模块分别制作，各施其职，可以减少功能结构功能重叠所造成的问题。

具体来说，本发明提供的集成电化学传感芯片，由集成有数字微流控模块的下极板和集成有电化学传感模块的上极板以及夹在上极板、下极板之间的液滴组成；其中，下极板结构从下到上依次为：第一绝缘衬底，第一电极层，介质层，第一疏水层；上极板结构从上到下依次为：第二绝缘衬底，第二电极层，第二疏水层；数字微流控模块包括数字微流驱动电极和接地电极，集成在下极板的第一电极层中，电化学传感模块为电化学三电极体系，集成在上极板的第二电极层中；液滴在第二疏水层与第一疏水层之间。

本发明中，第一电极层为介质电润湿数字微流控芯片所需的电极，其中的驱动电极和接地电极位于同一平面上，但其形式和规格并不限定，具体满足能实现介质电润湿液滴驱动即可；

本发明中，第二电极层仅用于制作集成微型电化学芯片的三电极体系，包括工作电极、对电极和参比电极，其形式和具体规格并不限定，但要满足一个三电极体系所占面积要小于下极板对应数字微流驱动电极的面积以使液滴能够顺利驱动。第二疏水层与第一疏水层一起给液滴提供一个疏水环境以顺利驱动，第二疏水层应当包围但并不覆盖集成电化学三电极体系，以便让电化学电极能够直接接触到液滴进行检测。

本发明集成传感芯片的制作步骤如下：

制作下极板，在第一绝缘衬底上淀积制备第一电极层，并图形化形成数字微流的驱动电极和接地电极，然后制备第一介质层，再制备第一疏水层。

制作上极板，在第二绝缘衬底上淀积制备第二电极层，并图形化形成微细电化学电极，然后制备第二疏水层，并通过一定方法去掉电化学电极上的输水层以裸露电化学电极。

上极板和下极板制备完成后，对准平行组装在一起，液滴位于上下极板之间，通过对下极板电极施加控制信号可以完成液滴样本的操控，当液滴运输到某一位置与上极板的集成电化学三电极体系接触时，对上极板电极施加传感信号即可以实现在线检测。

应当指出，本发明芯片的介质层是指具有介质性能的绝缘材料，优选为介电常数高，抗击穿能力强的材料；

本发明芯片的输水层是指能够降低液滴表面张力的材料，可以为Teflon、Cytop等；

本发明芯片的电化学传感电极需要特定材料，如金、铂或玻碳等，而数字微流驱动电极只需为导电金属即可。

本发明中，所述“极板”或“电极板”是指芯片中包含有绝缘衬底、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“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或多成分组成生物样品或化学溶液。多成分溶液如外面包裹着一层油膜的液滴等。液滴大小并不限定，可以为次微微升到若干毫升之间。

本发明的创新在于在数字微流芯片上集成电化学检测，并将数字微流模块和电化学集成模块分别置于芯片上下极板，上极板的集成电化学体系不受下极板限制，可以做成多通道高通量电化学集成检测。利用数字微流控技术，可以实现自动化、快速微量操控，通过集成电化学体系可以实现实时、高效、精确检测，而且上下极板功能分开的结构可以精简工艺步骤，增加实施可行性。

本发明芯片具有设计新颖、集成度高、操作方便、自动化程度高等许多优点，可应用于自动化微分析领域和片上实验室领域等。

附图说明

图1是根据本发明一种集成电化学传感芯片的原理性结构示意图。

图2是根据本发明一种集成电化学传感芯片上极板电化学集成的原理性示意图。

具体实施方式

本发明提供的一种集成电化学传感芯片主要包括上下极板两部分，上下极板可以分开单独制作，最后对准封装形成芯片。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。

根根据本发明一种集成电化学传感芯片的原理性结构示意图如图1所示。在第一绝缘衬底101上为第一电极层，包括数字微流驱动电极E11-E15和接地电极E21-E24，电极材料为导电物即可，其尺寸和排布并不限定，本说明只以一定形式为例，其中接地电极E21-E24可以电气相连；在电极上为介质层102，其上置有第一疏水层103。绝缘衬底101，第一电极层E11-E15、E21-E24，介质层102及疏水层103共同构成了器件下极板201。在下极板上为驱动的液滴D，液滴之上为上极板202，包括第二疏水层104，集成电化学电极体系E0和第二绝缘衬底105，本图中集成电化学体系只以E0为例，其具体数目还排布并不限定。

图2为根据本发明一种集成电化学传感芯片上极板电化学集成的原理性示意图。集成电化学体系E0由工作电极E01、对电极E02和参比电极E03组成，由于电极体系不被第二疏水层104覆盖，当液滴D与电极体系接触时通过对三电极施加电学信号即可完成电化学检测。

本发明的集成电化学传感芯片一种可实施的制备工艺如下，

下极板：

（a）第一绝缘衬底上采用旋涂、蒸发、溅射等工艺形成导电薄膜，可为铬金金属层或氧化铟锡等化合物，通过一步光刻及其后的金属刻蚀、剥离等方法形成数字微流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，优选为介电常数高、抗击穿能力强的绝缘材料，如氧化铝，五氧化二钽等；

（c）通过旋涂、蒸发、溅射等成膜方法制备第一疏水层，如选用Teflon、Cytop等材料；

上极板：

（a）第二绝缘衬底上通过蒸发、溅射、沉积等工艺形成特殊金属薄膜，该部分薄膜需为满足电化学检测的金属材料，如Au、Pt等，再通过光刻、刻蚀等方法形成集成电化学体系图形。一般来说，集成电化学体系的三个电极可以选用同一种材料，如都采用Au，若需要不同材料，如参比电极要用Ag材料时也可以通过多步金属成膜、光刻刻蚀等方法形成三电极电化学体系；

（b）第二疏水层的形成并裸露集成电化学电极，该工艺通常有两种实现方式，一是先通过光刻方法使电化学电极上覆盖光刻胶，其后通过通过旋涂、蒸发、溅射等成膜方法制备第二疏水层，再将底层光刻胶去掉即可以同时去掉电化学电极上的疏水层以裸露电化学电极。二是直接在电化学电极上制备第二疏水层，其后通过对疏水层进行特殊光刻刻蚀方法来去掉部分疏水层以裸露电化学电极。

上下极板成型后通过平行对准将其组合在一起最后封装即可以完成芯片的制作。

Claims (3)

1. 一种集成电化学传感芯片，其特征在于由集成有数字微流控模块的下极板和集成有电化学传感模块的上极板以及夹在上极板、下极板之间的液滴组成；其中，下极板结构从下到上依次为：第一绝缘衬底，第一电极层，介质层，第一疏水层；上极板结构从上到下依次为：第二绝缘衬底，第二电极层，第二疏水层；数字微流控模块包括数字微流驱动电极和接地电极，集成在下极板的第一电极层中，电化学传感模块为电化学三电极体系，集成在上极板的第二电极层中；液滴在第二疏水层与第一疏水层之间。

2. 根据权利要求1所述芯片，其特征在于所述的电化学三电极体系被第二疏水层包围但不覆盖，以满足液滴能直接与电化学电极接触从而被检测。

3. 根据权利要求1所述芯片，其特征在于所述的液滴为能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生物样品或化学溶液。

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