CN103808776A - 电化学传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电化学传感器的制备方法，通过在固体导电薄膜表面覆盖一个微流控芯片，并将刻蚀性流体连续地导入微流控芯片中，从而实现导电薄膜的快速图案化刻蚀。由于导电薄膜表面的刻蚀液不断更新，因此刻蚀效率获得了极其显著的提高，此外，由于微流控芯片内部刻蚀腔体的容积小，因此极大地降低了刻蚀液的消耗量。本发明所提出的制备方法可用于电化学传感器的批量制备。

Description

电化学传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及微加工领域，特别涉及一种电化学传感器的制备方法。
背景技术
电化学传感器是一种重要的分析检测技术平台，被广泛应用于化学或生物分析领域。目前，电化学传感器主要基于导电薄膜图案化的湿法刻蚀方法制备而成，具体包括丝网印刷及湿法刻蚀工艺。丝网印刷技术由于加工速度快、成本低廉等优点，已被广泛应用于微电极的批量生产，例如应用于电化学血糖试纸的制备。但是丝网印刷技术存在加工精度有限、制备微电极边缘略为粗糙等局限性，因此不适用于对精度要求较高的微电极型电化学传感器的制备。为了制备微电极，实验室往往使用在导电薄膜，例如基于金属导电层(包括Au、Ag、Pt等)或金属氧化物(ITO)表面进行光刻法转移图形，继而使用湿法刻蚀的方法进行微电极传感器的制备。在光刻法结合湿法刻蚀的制备工艺中，虽然能够获得较高精度的电化学传感器，但是由于制备过程需要昂贵的光刻机设备及超净环境，而且需要大量的刻蚀液，因此难以实现电化学传感器的低污染、低成本、批量化生产。
微流控芯片是一类以微通道网络为结构特征的微型反应或分析系统。由于具有分析速度快、试剂消耗少、使用成本低、易集成和自动化等优点，微流控芯片已在化学、生物、医学等领域的研究中得到广泛的应用。
本发明的目的是基于微流控芯片的技术，结合湿法刻蚀方法，提供一种全新的用于电化学传感器的快速、精确、高效、低成本及批量化的制备工艺。
发明内容
针对目前电化学传感器制备的上述问题，本发明提供一种新的湿法刻蚀制备方法，具体的技术方案如下：通过在固体导电薄膜表面覆盖一个微流控芯片，并将刻蚀性流体连续地导入微流控芯片中，从而实现导电薄膜的快速图案化刻蚀。
本发明提供一种电化学传感器的制备方法，所述的导电薄膜材料包括金属、金属氧化物、导电聚合物等，通过磁控溅射、电镀、化学镀、气相沉积等方式制备于硅、玻璃、石英、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲脂、聚苯乙烯等基片表面。
本发明提供一种电化学传感器的制备方法，所述的微流控芯片的材料主要使用聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等弹性高分子聚合物，其表面能够与导电薄膜可逆键合。所述的微流控芯片的表面采用现有的微加工技术加工有开放式的微通道或刻蚀腔体结构，用于对导电薄膜进行图案化刻蚀。加工方法包括光刻、注塑成型、激光烧蚀、精密数控车床加工等。
本发明提供一种电化学传感器的制备方法，所述的微流控芯片上加工有至少一个刻蚀液的进口和出口，以及开放式通道或刻蚀腔室。所述的微流控芯片上的开放式通道或刻蚀腔室的平面结构与电化学传感器的形状互补，保证通道或刻蚀腔室中的刻蚀液与待加工的图形接触，而电化学传感器部位则被微流控芯片的表面覆盖保护。
本发明提供一种电化学传感器的制备方法，所述的开放式通道或刻蚀腔室的深度或高度为0.1～1毫米，容积为0.1～1000微升。
本发明提供一种电化学传感器的制备方法，所述的微流控芯片与导电薄膜的可逆键合方法有直接粘贴键合、双面胶辅助粘贴键合、夹具紧固键合等，键合强度保证刻蚀过程不会漏液，并且刻蚀完成后可以方便地剥离。
本发明提供一种电化学传感器的制备方法，所述的刻蚀可以是化学干法刻蚀、化学湿法刻蚀、电化学刻蚀，即所述的刻蚀性流体可以是刻蚀性气体、酸碱刻蚀液、有机刻蚀液或电解液等。例如刻蚀ITO，可以使用HCl溶液，刻蚀Au，可以使用王水溶液等。
本发明提供一种电化学传感器的制备方法，所述的刻蚀性流体的连续导入是通过外接的流体控制系统实现的，所述的流体控制系统包括蠕动泵、压电泵、注射泵、电磁阀及导管等，可实现将刻蚀性流体连续地导入微流控芯片进行导电薄膜的刻蚀。由于导电薄膜表面的刻蚀液不断更新，因此刻蚀效率获得了极其显著的提高，此外，由于微流控芯片内部刻蚀腔体的容积小，因此极大地降低了刻蚀液的消耗量。
本发明提供一种电化学传感器的制备方法，所述的电化学传感器的制备是通过基于微流控技术的动态刻蚀反应而实现的，大幅度降低试剂消耗的同时，显著提高刻蚀的效率，特别适用于电化学传感器的批量生产。
附图说明
图1.一种双电极型电化学传感器的制备过程示意图。(1)为将具有开放式腔室结构的微流控芯片与具有导电薄膜的基材表面进行可逆键合；(2)为连续泵入刻蚀液；(3)为刻蚀结束后将微流控芯片剥离获得双电极传感器。其中，A为微流控芯片，B为表面具有导电薄膜的基材，C为刻蚀液的进口及出口，D为刻蚀腔室，E为双电极保护结构，F为导电薄膜，G为注入的刻蚀液，H为排出的刻蚀废液，I为可逆键合后的芯片，J为表面具有电化学传感器的基片，K为双电极型电化学传感器。
图2.一种三电极型电化学传感器的制备示意图。其中，a为微流控芯片与导电薄膜基材的可逆键合；b为注入的刻蚀液，c为排出的刻蚀废液，d为表面具有电化学传感器的基片，e为三电极型电化学传感器。
具体实施方案
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。实施例1一种双电极型Au电极的制备
图1为一种双电极型电化学传感器的制备过程示意图。一种双电极型Au电极的具体制备过程如下：(1)首先利用精密数控CNC雕刻技术在一个光滑平整的聚四氟乙烯基片A上加工出流体进出口C、微腔体结构D和双电极图形完全一致的电极保护结构E，然后将该微流控芯片和待加工的表面具有Au薄膜F的玻璃基片B表面使用夹具进行可逆键合；(2)使用外部的泵系统将王水(HF∶HNO3∶H2O=1∶1∶5，体积比)溶液G沿一聚四氟乙烯软管连续地导入微流控芯片，刻蚀废液H从另一出口流出；(3)最后，将聚四氟乙烯微流控芯片从玻璃基材表面剥离，获得Au双电极型电化学传感器。
实施例2一种三电极型Ag电极的制备
图2为一种三电极型电化学传感器的制备过程示意图。本实施例中一种三电极型Ag电极的具体制备过程如下：首先利用光刻胶模具浇注聚合制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片，该芯片具有流体进出口、微腔体结构和三电极图形完全一致的电极保护结构，然后将该微流控芯片和待加工的表面具有Ag薄膜的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基片d表面进行可逆键合或得芯片a；然后使用外部的泵系统将氯化铁溶液b沿一聚四氟乙烯软管连续地导入微流控芯片a，刻蚀废液c从另一出口流出；最后，将PDMS微流控芯片a从PMMA基材d表面剥离，获得Ag三电极型电化学传感器e。
实施例3一种ITO电化学传感器的制备
一种双电极型及三电极型ITO电化学的具体制备过程参见图1与图2，具体如下：首先利用光刻胶模具浇注聚合制备PDMS微流控芯片，该芯片具有流体进出口、微腔体结构和电化学传感器图形完全一致的电极保护结构，然后将该微流控芯片和待加工的表面具有ITO薄膜的玻璃基片表面进行可逆键合；然后使用外部的泵系统将HCl溶液沿一聚四氟乙烯软管连续地导入微流控芯片，HCl刻蚀液则对ITO进行区域化的刻蚀，刻蚀废液从微流控芯片的另一出口流出；最后，将PDMS微流控芯片从玻璃基材表面剥离，获得ITO电化学传感器。
使用本发明所提供的电化学传感器的制备方法，将刻蚀性流体连续地导入微流控芯片进行微电极的湿法刻蚀，由于导电薄膜表面的刻蚀液不断更新，因此刻蚀效率获得了极其显著的提高，此外，由于微流控芯片内部刻蚀腔体的容积小，因此极大地降低了刻蚀液的消耗量。
进一步结合阵列化结构的微流控芯片进行湿法刻蚀，则可以一次性在同一基片上获得大量的电化学传感器，因此，本发明所提出的制备方法可用于电化学传感器的批量制备。

Claims (10)

1.一种电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的电化学传感器的制备方法是通过在固体导电薄膜表面覆盖一个微流控芯片，并将刻蚀性流体连续地导入微流控芯片中，从而实现导电薄膜的快速图案化刻蚀。
2.如权利要求1所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的导电薄膜材料包括金属、金属氧化物、导电聚合物等，通过磁控溅射、电镀、化学镀、气相沉积等方式制备于硅、玻璃、石英、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲脂、聚苯乙烯等基片表面。
3.如权利要求1所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的微流控芯片的材料主要使用聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等弹性高分子聚合物，其表面能够与导电薄膜可逆键合。
4.如权利要求3所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的微流控芯片与导电薄膜的可逆键合方法有直接粘贴键合、双面胶辅助粘贴键合、夹具紧固键合等，键合强度保证刻蚀过程不会漏液，并且刻蚀完成后可以方便地剥离。
5.如权利要求1所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的微流控芯片上加工有至少一个进口和出口，以及开放式通道或腔室；通道或腔室的深度为0.1～1毫米。
6.如权利要求1和5所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的微流控芯片上的开放式通道或腔室的加工是通过现有的微加工技术实现的，包括光刻、注塑成型、激光烧蚀、精密数控车床加工等。
7.如权利要求1和5所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的微流控芯片上的开放式通道或腔室的平面结构与电化学传感器的形状互补，保证通道或腔室中的刻蚀液与待加工表面接触，而电化学传感器部位则被微流控芯片除通道和腔室的其余部位覆盖保护。
8.如权利要求1所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的刻蚀可以是化学干法刻蚀、化学湿法刻蚀、电化学刻蚀，所述的刻蚀性流体可以是刻蚀性气体、酸碱刻蚀液、有机刻蚀液或电解液等。
9.如权利要求1所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的刻蚀性流体的连续导入是通过外接的流体控制系统实现的。
10.如权利要求9所述的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的流体控制系统包括蠕动泵、压电泵、注射泵、电磁阀及导管等，可实现将刻蚀性流体连续地导入微流控芯片进行导电薄膜的刻蚀。
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