CN104749232A - 微流控芯片的检测电极制作及它的电泳非接触式电导检测系统制备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片的检测电极的制作及微流控芯片电泳非接触式电导检测系统的制作方法。其中，微流控芯片的复形模具的制作包括：在非曝光的条件下，将感光性干膜贴膜和压膜于基片上；曝光；显影。检测电极的制作包括：在非曝光的条件下，将光敏材料贴膜和压膜在导电薄膜层上；曝光；显影；刻蚀；去除光敏材料。通过本发明，能够以快捷、经济的方式获得复形模具及相应的微流控芯片、导电薄膜电极和微芯片电泳非接触式电导检测系统。

Description

微流控芯片的检测电极制作及它的电泳非接触式电导检测系统制备

技术领域

本发明涉及一种基于导电薄膜的微流控芯片的检测电极的制作方法，以及将微流控芯片和导电薄膜电极结合制作微芯片电泳非接触式电导检测系统的制作方法。

背景技术

微流控芯片通过把化学、物理、生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检验、细胞培养等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，并以可控的微量流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或者生物实验室的各种功能。

非接触式电导检测(CCD)的原理是基于分析物和背景缓冲溶液之间电导率的差别，通过连续测量流经两电极之间电流的变化实现定量检测。CCD中，电极不与溶液直接接触，而是在交流激发电压下与通道中的溶液进行耦合。

高分子聚合物是一种用于制作微流控芯片的模型胶，它加工成型方便，原材料成本低，适于大批量制作。通过在微流控芯片复形模具上浇注液态高聚物，待其固化后将其与模具剥离，便能在高聚物表面形成与模具一致的图案。

CCD中，通过在电极和微通道之间加入一层薄的绝缘材料，即制备成可用于CCD的检测器。成功避免了电极中毒和气泡产生，有 效避免了高压电场的干扰，大大降低背景噪音，提高检测灵敏度。

现在用于制作高聚物微流控芯片复形模具的常用方法，是将液体光刻胶固化成光刻胶涂层，然后通过紫外光照射带有图案的掩膜，再使用光刻胶液掩膜下面的光刻胶涂层，在基板上获得所需形状的模具。但是使用液体光刻胶制作基片模具需要昂贵的仪器设备和无尘环境，并且操作过程复杂费时，这使得非专业人员制作复形模具受到了技术和设备限制，极大地阻碍了高聚物微流控芯片在普通实验室的广泛使用。

目前，用于制作CCD电极的材料和方法有，将贵金属薄膜通过电沉积技术溅射/蒸发沉积在玻璃或高聚物基底上，后使用光刻和技术对其进行图案化，即得到所需图形的微电极。但是，所需要的电极材料为昂贵的金属，且需要昂贵的金属蒸发/溅射仪和需用光刻技术方能得到需要的电极形状，制备工艺复杂，要求苛刻的洁净环境。耗费时间长、成本大。在一般的实验室难以操作完成。已成为非接触式电导检测器向集成化、便携化、商业化大生产方向发展的瓶颈之一，大大限制了其在分析化学领域的应用。

发明内容

针对使用金属薄膜制作非接触式电导检测电极造成的高昂成本，包括电极材料、仪器设备、洁净的实验室环境和复杂费时的制作过程等缺点，本发明的目的之一在于，提出一种基于廉价导电薄膜的非接触式电导检测电极的制作方法。导电薄膜商业化供应，成本低廉；能 够在普通实验室内完成电极制作，且不需要昂贵的仪器设备，操作简便快速，利于便携化、商业化。

本发明的目的之二在于，采用上述制得的微流控芯片的检测电极以快捷、经济、低成本的方式，在普通的实验室就可操作完成制备微芯片电泳非接触式电导检测系统的方法；本发明的方法中其中针对使用液体光刻胶制作复形模具需要昂贵的仪器设备和无尘环境，以及操作过程费时复杂的缺点，本发明的微流控芯片的复形模具制作方法，使微流控芯片的制作能够在常规实验室内完成，方便简单，成本低，易于普及。

本发明的基于导电薄膜的检测电极的制作方法：该检测电极是在电绝缘层基底上设有导电薄膜，包括以下制备步骤：

(1)贴膜和压膜：在非曝光的条件下，将光敏材料涂布或贴合在导电膜层上；通过塑封机使光敏材料和导电薄膜紧密贴合；

(2)曝光：将光刻掩膜紧贴于光敏材料上，曝光，则光刻掩膜图案所透射的光使其下面的光敏材料变性；

(3)显影：采用显影液对光敏材料进行显影，光刻掩膜图案以外的光敏材料部分被清洗掉；清洗残留的显影液；

(4)刻蚀：将显影后的材料放入刻蚀液中对导电薄膜进行化学刻蚀，光敏材料所覆盖图案以外的导电薄膜部分被蚀刻掉；清洗残留的刻蚀液；

(5)去除光敏材料：将刻蚀后所得的光敏材料-导电薄膜材料放入可去除光敏材料的溶液中，显影的光敏材料被去除掉；最后清洗残留的 溶液并干燥，得到所需的导电薄膜电极。

进一步的，本发明的具体的实施步骤描述如下：

(1)贴膜和压膜：去除导电薄膜外层的保护膜，然后于暗室红灯下将光敏材料涂布或贴合在导电膜层上。将涂布或贴好光敏材料的导电薄膜放入保护壳中，缓慢通过塑封机数次，使光敏材料和导电薄膜紧密贴合。

(2)曝光：将光刻掩膜紧贴于光敏材料上，然后放入曝光仪器中曝光，光刻掩膜图案所透射的光使其下面的光敏材料变性。

(3)显影：移去光刻掩膜和光敏材料表面所剩的另外一层保护膜，使用显影液对光敏材料进行显影，光刻掩膜图案以外的光敏材料部分将被清洗掉，然后清洗残留的显影液。

(4)刻蚀：将显影后的材料放入刻蚀液中对导电薄膜进行化学刻蚀，光敏材料所覆盖图案以外的导电薄膜部分被蚀刻掉，然后清洗残留的刻蚀液。

(5)去除光敏材料：将刻蚀后所得的光敏材料-导电薄膜材料放入可去除光敏材料的溶液中，显影的光敏材料被去除掉，最后清洗残留的溶液并吹干，得到所需的导电薄膜电极。

所述光敏材料为紫外光致抗蚀剂。

所述紫外光致抗蚀剂为紫外液相光刻胶或感光性干膜。

所述紫外液相光刻胶为SU-8系列光刻胶、KPR胶或AZ胶。

作为优选，所述导电薄膜为透明导电薄膜；更进一步优选石墨烯膜、氧化铟薄膜、氧化锡薄膜、氧化锌薄膜或二氧化钛薄膜。

所述氧化铟薄膜为氧化铟锡薄膜、掺钼氧化铟薄膜、掺钨氧化铟薄膜或掺铋氧化铟薄膜。

本发明中作为优选，显影液为碳酸钠溶液。最优选的质量浓度为0.85％碳酸钠溶液。

本发明中作为优选，刻蚀液为盐酸溶液。其最优选5％(v/v)盐酸溶液。

本发明中作为优选，去除光敏材料溶液为氢氧化钠溶液。最优选的质量浓度为1.5％。

作为优选，ITO电极的形状与该次曝光所使用的光刻掩膜形状一致。

作为优选，电绝缘层基底为高分子聚合物基板(如聚对苯二甲酸乙二酯基板、聚乙烯膜)或玻璃。

本发明将微流控芯片和导电薄膜电极结合制作微芯片电泳非接触式电导检测系统，包括以下制备步骤：

(1)制作微芯片通道盖板：取液态高分子聚合物浇注在微流控芯片复形模具上，加热，待液态高聚物充分固化后，与模具剥离，即得到有内凹通道的微流控芯片通道盖板；

(2)清洗薄膜电极板：用碱液清洗由上述制备方法所得到的导电薄膜电极的基底后用超纯水清洗残留溶液并干燥；

(3)封接芯片：用氧等离子体处理微流控芯片通道盖板表面；将微流控芯片通道盖板有凹口的一面与所述的导电薄膜电极的基底封接，得到需要的微流控芯片电泳非接触式电导检测系统。

作为优选，所述的碱液优选为氢氧化钠溶液。优选质量浓度为1.5％；

本发明的曝光仪器可以为紫外曝光箱和其他紫外光源。

本发明的微流控芯片复形模具制作方法，包括以下制备步骤：A.贴膜和压膜：在非曝光的条件下，将感光性干膜贴合于经过清洗干燥的基片上，通过塑封机使两者紧密结合；

B.曝光：将光刻掩膜紧贴于感光性干膜上，通过曝光，则光刻掩膜图案所透射的光使其下面的感光性干膜变性；

C.显影：通过显影液对感光性干膜进行显影，使得光刻掩膜图案以外的感光性干膜部分将被清洗掉，清洗残留的显影液并干燥，得到所需的复形模具。

通过重复步骤A和步骤B，可以获得具有多层结构的微流控芯片基片模具。

本发明所述的非曝光条件是暗室红光的条件。

所述的微流控芯片基片模具具体的实施步骤如下：

A.贴膜和压膜：先对基片进行预处理，即采用超纯水超声清洗基片，并放入烘箱烘干。

去除感光性干膜外层的保护膜，然后于暗室红灯下将感光性干膜与基片贴合。将贴好干膜的基片放入保护壳中，缓慢通过塑封机数次，使感光性干膜和基片紧密贴合。

B.曝光：将光刻掩膜紧贴于干膜上，然后放入曝光仪器中曝光，光刻掩膜图案所透射的光使其下面的感光性干膜变性。

C.显影：移去光刻掩膜和感光性干膜表面所剩的另外一层保护膜，使用显影液对感光性干膜进行显影，光刻掩膜图案以外的感光性干膜部分将被清洗掉，最后清洗残留的显影液并吹干，得到所需的复形模具。

作为优选，基片为玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯塑料、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

作为优选，感光性干膜为光敏性干膜。

作为优选，光刻掩膜为菲林掩膜或玻璃掩膜制成。

作为优选，掩膜图案由图形处理软件绘制。

作为优选，显影剂为质量浓度0.85％的碳酸钠溶液。

作为优选，具有多层结构的复形模具中每层结构的形状与该次曝光所使用的光刻掩膜形状一致。

作为优选，具有多层结构的复形模具，每层结构的厚度与所使用感光性干膜厚度一致。

本发明中所述感光性干膜优选为杜邦系列干膜、旭化成干膜、日立干膜、长兴干膜、任知干膜或鸿瑞干膜。

本发明与现有技术相比的优点在于：发明人采用了一种新的制备模式，本发明使用导电薄膜作为电极制作材料，成本低廉；且使电极的制作避免了对昂贵的仪器设备和苛刻实验室环境的依赖，操作简便快速。另外，本发明使用感光性干膜作为微流控芯片复形模具的材料，使复形模具的制作不再依赖昂贵的设备和超净的工作环境，通过本发明的制备方法，只需要用到实验室可容易得到的感光性干膜。本发明 的方法可使用家用封塑机，紫外曝光台进行光刻胶的图形化，以及家用喷墨打印机制作掩膜这些简单的设备处理，就可制得微流控芯片复形模具和所需的检测电极，并且简化了制作过程，降低了制作成本，使微流控芯片的制作在普通实验室普及成为可能。

附图说明

图1为本发明基于感光性干膜制作微流控芯片复形模具。

图2为本发明基于导电薄膜检测电极。

图3为本发明中直线型通道的复形模具图。

图4为本发明中T型通道的复形模具及PDMS微流控芯片图，a为T型通道的复形模具，b为模具复形后得到的PDMS微流控芯片图。

图5为T型通道PDMS微芯片中的微液滴形成图。

图6为本发明中ITO导电薄膜电极图。激发电极和接收电极分别长1mm，宽0.5mm。接地屏蔽电极宽0.2mm。

图7为本发明中PDMS盖板和ITO薄膜电极结合的微芯片非接触式电导检测系统图。

图8为本发明中微芯片电泳非接触式电导检测系统分离检测K⁺,Na⁺和Li⁺的电泳图谱；分别为0.2mM KCl,NaCl和LiCl混合溶液的电泳图谱,1mM KCl,NaCl和LiCl混合溶液的电泳图谱；其中插图为0.2mM KCl,NaCl和LiCl的混合溶液。

图9为本发明中微芯片非接触式电导检测系统分离检测1mM Zn²⁺,Cd²⁺和Cu²⁺的电泳图谱。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，在阅读了本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，基于感光性干膜制作PDMS微流控芯片复形模具的流程示意图。其中，贴膜和压膜均在红光室内完成，红光室是普通实验室加装暗室贴窗纸建成，并将普通照明灯更换成红灯。

实施例1

本发明具体实施例是基本实施例的优选实施例，具体如下：

本实施例是制作直线型通道复形模具(图3)。干膜为杜邦Riston FX-925负性干膜(Dupont,USA)，基片为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基板，塑封机为办公用塑封机(Simeile,China)，掩膜形状为直线型，所用显影剂为0.85％(w/w)碳酸钠溶液。

首先使用超纯水超声清洗PET基板，并放入烘箱烘干。然后在红光室内，将干膜一侧的保护膜剥离后与PET基板贴合，将贴好干膜的PET基板放入纸质保护壳中，缓慢通过塑封机数次，使干膜和PET基板紧密贴合，无气泡或折皱存在。再在干膜上覆盖菲林掩膜，置于紫外曝光箱中曝光。取出干膜后，移去光刻掩膜和干膜表面所剩的另外一层保护膜，再放入显影盒中，用0.85％的碳酸钠溶液浸泡和清洗干膜，掩膜图案以外的部分将被碳酸钠溶液清洗掉，最后用超纯水清洗残留的显影液并吹干，得到直线型通道的复形模具(图3)。

实施例2

本实施例是制作T型通道的复形模具(图4a)，并使用模具复形获得相应的PDMS微流控芯片盖板(图4b)。所用高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷。

复形模具具体制作方法与实施例1相同，其中掩膜形状为T型。然后将PDMS和Sygard 184elastomer交联剂以10:1的比例充分混匀后，浇注在T型通道的复形模具上，抽真空30min，待气泡完全消失后，于60℃固化2h。放置室温，用手术刀片将固化的PDMS切出，得到具有T型内凹通道的PDMS微流控芯片盖板。

实施例3

本实施例是在T型通道的PDMS微流控芯片盖板中制作微液滴(图5)。

在T型通道两端口制作2mm的进样口，使用注射泵驱动油水两相液体进入通道，水相(蒸馏水)的流速控制为1μL/min,油相(石蜡油)流速控制为3μL/min。最后在T型通道中获得水滴(图4)。

如图2所示，基于感光性干膜制作PDMS微流控芯片复形模具的流程示意图。其中，贴膜和压膜均在红光室内完成，红光室是普通实验室加装暗室贴窗纸建成，并将普通照明灯更换成红灯。

实施例4

本发明具体实施例是基本实施例的优选实施例，具体如下：

本实施例是制作ITO导电薄膜电极(图6)。所用ITO导电薄膜为以0.125mm厚聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为基底，面电阻30±5Ω的ITO-PET柔性薄膜；所用干膜、显影液同1实施例1。所用刻蚀 液为5％(v/v)盐酸溶液，去干膜溶液为质量浓度1.5％的氢氧化钠溶液。

贴膜、压膜和曝光、显影过程同1实施例1。显影后，用超纯水清洗残留的显影液，然后将仅贴有已变性干膜的ITO膜放入5％(v/v)盐酸溶液中进行化学，待未被干膜覆盖的ITO膜完全干净后，再用超纯水淋洗残留的刻蚀液。最后，用1.5％(w/v)氢氧化钠溶液浸泡去掉覆在ITO薄膜电极上的干膜。用超纯水淋洗残留的溶液并吹干，即得到非接触式电导检测用ITO导电薄膜电极(图6)。

实施例5

本实施例是制作微芯片非接触式电导检测系统(图7)。所用芯片盖板为T型内凹通道的PDMS通道盖板，所用基板和(或)绝缘材料是PET(无ITO薄膜电极的一侧)。清洗ITO薄膜电极板的溶液是质量浓度1.5％的氢氧化钠溶液。

在1.5％(w/v)氢氧化钠溶液中，用棉签擦拭PET的无ITO电极的一侧，后用超纯水淋洗残留的溶液并吹干。使用实施例2中的T形模具复形获得T型内凹通道的PDMS芯片盖板，并在各个端口制作2mm的储液池。用氧等离子体处理PDMS表面2min后，所述的盖板有凹口的一面与与清洗过的PET侧直接贴合。检测电极位于离十字交叉结构46mm处。室温放置24h，备用。即得到PDMS盖板和ITO电极结合的微芯片非接触式电导检测系统(图7)。

实施例6

本实施例是使用实施例5得到的微芯片电泳非接触式电导检测系统分离检测K⁺,Na⁺和Li⁺的电泳图谱(图8)。所用缓冲溶液是10mM 2-(N-吗啡啉)乙磺酸：L-组氨酸(1：1)，所用样品溶液分别为0.2mM(插图)和1mM KCl,NaCl和LiCl的混合溶液。

使用真空泵将各通道中全部充满缓冲溶液；在样品池中，用溶液替换缓冲溶液；分别在样品溶液池、缓冲溶液池、样品废液池和缓冲溶液废液池施加1600V、1000V、800V和GND形成高压电场。悬空缓冲溶液池的电压1s后，样品进入分离通道。重新给予缓冲溶液池电压，样品区带在分离通道被分离，获得K⁺,Na⁺和Li⁺的电泳图谱(图8)。

实施例7

本实施例是使用实施例6得到的微芯片电泳非接触式电导检测系统分离检测1mM Zn²⁺,Cd²⁺和Cu²⁺的电泳图谱(图9)。所用缓冲溶液为0.1M醋酸溶液(pH4.0)，所用样品溶液为1mM ZnCl₂,Cd Cl₂和CuCl₂的混合溶液。其他条件同实施例6。

本发明所提出的基于感光性干膜制作PDMS微流控芯片复形模具，基于低阻抗氧化铟锡(ITO)导电薄膜制作检测电极，并将PDMS芯片和ITO电极结合制作微芯片电泳非接触式电导检测系统的制作方法，操作简便，成本低廉，在常规实验室环境即可完成。且制作重现性高，有利于提高检测限和反应灵敏度。实现微芯片电泳非接触式电导检测法的集成化、便携化和微型化，及其在分析化学领域的广泛应用。

Claims (11)

1.一种微流控芯片检测电极的制作方法，其特征在于，该检测电极是在电绝缘层基底上设有导电薄膜，包括以下制备步骤：

(1)贴膜和压膜：在非曝光的条件下，将光敏材料涂布或贴合在导电薄膜层上；通过塑封机使光敏材料和导电薄膜紧密贴合；

(2)曝光：将光刻掩膜紧贴于光敏材料上，曝光，则光刻掩膜图案所透射的光使其下面的光敏材料变性；

(3)显影：采用显影液对光敏材料进行显影，光刻掩膜图案以外的光敏材料部分被清洗掉；清洗残留的显影液；

(4)刻蚀：将经过显影后的材料放入刻蚀液中对导电薄膜进行化学刻蚀，光敏材料所覆盖图案以外的导电薄膜部分被蚀刻掉；清洗残留的刻蚀液；

(5)去除光敏材料：将刻蚀后所得的光敏材料-导电薄膜材料放入可去除光敏材料的溶液中，显影的光敏材料被去除掉；最后清洗残留的溶液并干燥，得到所需的导电薄膜电极。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述光敏材料为紫外光致抗蚀剂。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述紫外光致抗蚀剂为紫外液相光刻胶或感光性干膜；所述导电薄膜为透明导电薄膜。

4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述紫外液相光刻胶为SU-8系列光刻胶、KPR胶或AZ胶。

5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述感光性干膜为杜邦系列干膜、旭化成干膜、日立干膜、长兴干膜、任知干膜或鸿瑞干膜。

6.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述透明导电薄膜为石墨烯膜、氧化铟薄膜、氧化锡薄膜、氧化锌薄膜或二氧化钛薄膜；所述氧化铟薄膜为氧化铟锡薄膜、掺钼氧化铟薄膜、掺钨氧化铟薄膜或掺铋氧化铟薄膜。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述光刻掩膜为菲林片或玻璃感光片制成，掩膜图案由图形处理软件绘制得到；电绝缘层基底为聚对苯二甲酸乙二酯基板、聚乙烯膜、玻璃中的一种。

8.一种微流控芯片电泳非接触式电导检测系统，包括以下制备步骤：

(1)制作微芯片通道盖板：取液态高分子聚合物浇注在微流控芯片复形模具上，加热，待液态高聚物充分固化后，与模具剥离，即得到有内凹通道的微流控芯片通道盖板；

(2)清洗薄膜电极板：用碱液清洗由权利要求1的制备方法所得到的导电薄膜电极的基底后用超纯水清洗残留溶液并干燥；

(3)封接芯片：用氧等离子体处理微流控芯片通道盖板表面；将微流控芯片通道盖板有凹口的一面与所述的导电薄膜电极的基底封接，得到需要的微流控芯片电泳非接触式电导检测系统；

所述的微流控芯片复形模具的制作包括以下制备步骤：

A.贴膜和压膜：在非曝光的条件下，将感光性干膜贴合于经过清洗干燥的基片上，通过塑封机使两者紧密结合；

B.曝光：将光刻掩膜紧贴于感光性干膜上，通过曝光，则光刻掩膜图案所透射的光使其下面的感光性干膜变性；

C.显影：通过显影液对感光性干膜进行显影，使得光刻掩膜图案以外的感光性干膜部分将被清洗掉，清洗残留的显影液并干燥，得到所需的复形模具。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述A步中基片为玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯塑料或聚甲基丙烯酸甲酯；所述感光性干膜为抗蚀刻干膜或为溶剂型干膜或水溶性干膜。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述感光性干膜为杜邦系列干膜、旭化成干膜、日立干膜、长兴干膜、任知干膜或鸿瑞干膜。

11.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，通过重复步骤A和步骤B，从而获得具有多层结构的微流控芯片基片模具。