CN109772484A - 一种微流控芯片及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片及其使用方法。微流控芯片包括：检测基板，包括非纸基基底以及设置在所述基底上的电极层；纸基芯片，叠设在所述电极层上，所述纸基芯片包括亲水性基片，还包括设置在所述亲水性基片上的流体通道以及与所述流体通道连通的反应区域，所述反应区域与所述电极层对应设置。该微流控芯片，电极层集成在非纸基基底上，从而检测基板可以重复使用，不会造成贵金属电极材料的废弃，降低了消耗成本，避免了对环境的污染；采用亲水性基片作为流体通道和反应区域的基材，通过亲水性基片的毛细作用引导流体流动，不再需要采用复杂的刻蚀工艺形成流体通道以及制备微型泵等，大大简化了制作工艺。

Description

一种微流控芯片及其使用方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体涉及一种微流控芯片及其使用方法。

背景技术

微流控芯片主要分为连续流体微流控芯片和数字(液滴)微流控芯片。连续流体微流控芯片一般需要在基板上通过复杂的工艺(如刻蚀)形成流体沟槽，检测过程中消耗的试剂量大，而且需要制作微型泵提供动力驱动液体流动；数字微流控芯片能实现微小液滴驱动且能实现驱动与检测的集成，但是整体芯片的工艺制备复杂，并且需要一套完整的驱动检测系统，整体成本较高，目前商业化的数字微流控芯片应用并未普及。

纸质微流控芯片是以纸基替代传统的硅基、玻璃基、聚合物基等材料，在纸基上集成检测区域，利用液体在纸上的毛细作用，实现液体驱动和检测。采用电化学的方法在纸基上集成流体通道和电极实现对物质的检测是最常用的检测方式，但由于纸质微流控芯片均为一次性使用，纸基上贵金属电极等材料也被废弃，消耗成本高，同时有可能造成环境的污染。

综上，现有的微流控芯片存在工艺复杂、试剂消耗量大、成本高，或者消耗成本高、可能污染环境的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是，提供一种微流控芯片及其使用方法，以简化微流控芯片的制作工艺、降低成本、避免污染环境。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种微流控芯片，包括：

检测基板，包括非纸基基底以及设置在所述基底上的电极层；

纸基芯片，叠设在所述电极层上，所述纸基芯片包括亲水性基片，还包括设置在所述亲水性基片上的流体通道以及与所述流体通道连通的反应区域，所述反应区域与所述电极层对应设置。

可选地，所述检测基板还包括疏水层，所述疏水层在所述基底上的正投影位于所述电极层所围设区域在所述基底上的正投影的外围。

可选地，所述电极层包括相互隔绝的工作电极、参比电极和对电极，所述参比电极和所述对电极分别设置在所述工作电极的两侧。

可选地，所述检测基板还包括设置在所述基底和所述疏水层之间的电极引线，所述电极引线包括与所述工作电极电连接的第一引线、与所述参比电极电连接的第二引线以及与所述对电极电连接的第三引线。

可选地，所述纸基芯片还包括设置在所述流体通道和所述反应区域之外区域的疏水物质。

可选地，所述疏水物质的材质包括光刻胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、蜡、聚苯乙烯、烷基烯酮二聚体中的至少一种。

可选地，所述亲水性基片为吸墨纸、滤纸、面巾纸、硝酸纤维素膜、棉布中的一种。

可选地，所述微流控芯片还包括叠设在所述纸基芯片的背离所述检测基板一侧的盖板，所述盖板上设置有与所述流体通道对应的导液孔。

为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供了一种如上所述微流控芯片的使用方法，包括：

将检测基板和纸基芯片堆叠键合，使得所述纸基芯片叠设在所述电极层上，所述反应区域与所述电极层对应；

向电极层施加第一电信号，并向流体通道注入相应试剂，在亲水性基片的作用下，试剂通过流体通道被引流至反应区域，并在反应区域发生反应；

检测电极层输出的第二电信号，根据第二电信号获得相应物质的浓度。

可选地，

在所述向流体通道滴入相应试剂之前，所述使用方法还包括：将盖板叠设在所述纸基芯片的背离所述检测基板的一侧，使得所述盖板上的导液孔与所述流体通道对应；

向流体通道滴入相应试剂，包括，通过导液孔向流体通道滴入相应试剂。

本发明实施例的微流控芯片，电极层集成在非纸基基底上，从而检测基板可以重复使用，不会造成贵金属电极材料的废弃，降低了消耗成本，避免了对环境的污染；采用亲水性基片作为流体通道和反应区域的基材，通过亲水性基片的毛细作用引导流体流动，从而不再需要采用复杂的刻蚀工艺形成流体通道以及制备微型泵等，大大简化了微流控芯片的制作工艺；该微流控芯片，除纸基芯片外，其余的部件均可以重复利用，进一步降低了成本，因此，与现有技术中的微流控芯片相比，本发明实施例提出的微流控芯片，制作工艺简单、成本低、集成度高，不会对环境造成污染，更有利于实现商业化应用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明第一实施例微流控芯片的结构示意图；

图2为图1中的A-A结构示意图；

图3为图1中检测基板的俯视结构示意图；

图4为图1中纸基芯片的俯视结构示意图；

图5为图1中盖板的俯视结构示意图；

图6为检测基板中形成电极层和形成电极引线后的结构示意图；

图7为检测基板中形成疏水层后的结构示意图。

附图标记说明：

10—检测基板； 11—基底； 12—电极层；

121—工作电极； 122—参比电极； 123—对电极；

13—电极引线； 131—第一引线； 132—第二引线；

133—第三引线； 14—疏水层； 20—纸基芯片；

21—亲水性基片； 22—流体通道； 23—反应区域；

24—疏水物质； 30—盖板； 31—导液孔；

41—电压检测单元； 42—极化单元； 421—极化电源；

422—电流测量元件； 100—电化学检测区域； 101—边界线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

下面将通过具体的实施例详细介绍本发明的技术内容。

图1为本发明第一实施例微流控芯片的结构示意图。图2为图1中的A-A结构示意图。图3为图1中检测基板的俯视结构示意图。图4为图1中纸基芯片的俯视结构示意图。图5为图1中盖板的俯视结构示意图。如图1、图2、图3和图4所示，微流控芯片包括叠设的检测基板10和纸基芯片20。检测基板10包括非纸基基底11以及设置在基底11上的用于形成电化学检测区域100的电极层12。纸基芯片20叠设在所述电极层12上，纸基芯片20包括亲水性基片21，还包括设置在亲水性基片21上的流体通道22以及与流体通道22连通的反应区域23，反应区域23与电极层12对应设置。

本发明实施例的微流控芯片，用于形成电化学检测区域100的电极层12集成在非纸基基底11上，流体通道22和反应区域23集成在亲水性基片21上，溶液在亲水性基片的毛细作用下从流体通道22逐渐被引流到反应区域23，并在反应区域23发生反应，电极层12与反应区域23对应设置，电极层12可以感应到溶液，通过在电极层12上施加电信号并检测电极层12的电信号变化，即可完成电化学检测。

本发明实施例的微流控芯片，电极层12集成在非纸基基底11上，从而检测基板10可以重复使用，不会造成贵金属电极材料的废弃，降低了消耗成本，避免了对环境的污染；采用亲水性基片21作为流体通道22和反应区域23的基材，通过亲水性基片的毛细作用引导流体流动，从而不再需要采用复杂的刻蚀工艺形成流体通道以及制备微型泵等，大大简化了微流控芯片的制作工艺；该微流控芯片，除纸基芯片外，其余的部件均可以重复利用，进一步降低了成本，因此，与现有技术中的微流控芯片相比，本发明实施例提出的微流控芯片，制作工艺简单、成本低、集成度高，不会对环境造成污染，更有利于实现商业化应用。

在本实施例中，如图2和图3所示，基底11可以为硅基基底、玻璃基底或聚合物基底。电极层12包括相互隔绝的工作电极121、参比电极122和对电极123，参比电极122和对电极123分别设置在工作电极121的两侧。工作电极121和参比电极122之间区域、工作电极121和对电极123之间区域以及电极层12所在区域共同形成电化学检测区域100。在图3中，示例性地示出了电化学检测区域100的边界线101。容易理解的是，电化学检测区域100的边界线可以根据需要设定，只要工作电极121和参比电极122之间区域、工作电极121和对电极123之间区域以及电极层12所在区域位于边界线内即可。如图2和图3所示，检测基板10还包括电极引线13，电极引线13和电极层12位于基底11的同一侧上。电极引线13包括第一引线131、第二引线132和第三引线133。第一引线131与工作电极121连接，第二引线132与参比电极122连接，第三引线133与对电极122连接。

微流控芯片还包括电压检测单元41和极化单元42。如图3所示，电压检测单元41与第一引线131和第二引线132电连接，电压检测单元41用于对工作电极121的电势进行测量和控制。极化单元42包括极化电源421和电流测量元件422，极化电源421的阳极端通过第一引线131与工作电极121电连接，极化电源421的阴极端与电流测量元件422的一端电连接，电流测量元件422的另一端通过第三引线133与对电极122电连接。当电化学检测区域100存在液体时，电压检测单元31和极化单元分别向对应的电极施加电信号，对液体进行电化学检测。

在本实施例中，工作电极、参比电极和对电极构成三电极体系，采用三电极体系对溶液进行检测。采用三电极体系对溶液进行检测的方法为本领域现有技术，在此不再赘述。

如图2和图3所示，检测基板10还包括设置在电极引线13上的疏水层14，疏水层14位于电极层12所围设区域之外的区域，亦即疏水层14在基底11上的正投影位于电极层12所围设区域在基底11上的正投影的外围。在图3中，电极层12所围设区域即为电化学检测区域100，图3示出了电化学检测区域100的边界线101，疏水层14在基底11上的正投影位于电化学检测区域100在基底11上的正投影的外围，也就是说，疏水层14在基底11上的正投影位于边界线101在基底11上的正投影的外围。疏水层14的表面具有疏水性，从而，疏水层14可以提高液体在亲水性基片21上的移动效率，同时，疏水层14将电极引线13与亲水性基片21隔离开，可以防止电极引线13受液体腐蚀，提高微流控芯片的使用寿命。

如图4所示，纸基芯片20包括亲水性基片21，亲水性基片21具有流体通道22以及与流体通道22连通的反应区域23。在本实施例中，流体通道22的数量为3个，在其它实施例中，流体通道的数量可以根据需要设置。为了防止液滴在纸基的毛细作用下被引入流体通道22和反应区域23之外的区域，在亲水性基片21的流体通道22和反应区域23之外的区域设置有疏水物质24，从而，亲水性基片21在流体通道22和反应区域23之外的区域具有疏水特性，当液滴滴落在流体通道22上时，液滴在亲水性基片的强毛细作用下只能沿着流体通道22被引入反应区域23，避免了液滴被引入反应区域23之外的区域。

在不同的实施例中，可以根据不同的检测物质选择不同特性的亲水性基片，亲水性基片可以为吸墨纸、滤纸、面巾纸(kleenex纸)、硝酸纤维素膜、棉布等。疏水物质可以包括光刻胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、蜡、聚苯乙烯、烷基烯酮二聚体等中的至少一种。

在本实施例中，微流控芯片还包括盖板30，盖板30叠设在纸基芯片20的背离检测基板10的一侧。盖板30上设置有与流体通道22对应的导液孔31，导液孔31贯穿盖板30，可以通过导液孔31将溶液导入流体通道22。通过在纸基芯片20上设置盖板30，可以防止溶液中试剂在溶液引流过程中挥发。盖板30的材质可以为塑料或玻璃。根据盖板30材质的特性，选择合适的方式制作导液孔31。例如，当盖板的材质为玻璃时，可以采用激光的方式在玻璃上制作通孔以形成导液孔，导液孔的直径为50um～1000um。当盖板的材质为塑料时，可以采用钻孔的方式在盖板上制作直径较大的通孔以形成导液孔。

本发明实施例微流控芯片的使用方法如下：

将非纸基基底的检测基板、纸基芯片、以及盖板依次堆叠键合，使纸基芯片叠设在电极层上，反应区域与电极层对应，盖板叠设在纸基芯片的背离检测基板的一侧，盖板上的导液孔与流体通道对应；封装完毕后，向电极层施加第一电信号，并通过盖板的导液孔向流体通道注入相应试剂，在亲水性基片的作用下，试剂通过流体通道被引流至反应区域，并在反应区域发生反应；检测电极层输出的第二电信号，根据第二电信号的变化检测出相应物质的浓度。

以血液中葡萄糖的检测为例，可设置为检测电流信号，具体的使用方法如下：将检测基板、纸基芯片、以及盖板依次堆叠键合；封装完毕后，向电极层施加一定的电压，通过盖板上的导液孔注入葡萄糖与葡萄糖氧化酶溶液，葡萄糖与葡萄糖氧化酶溶液通过流体通道被引流至反应区域，并在反应区域发生氧化还原反应；电极层上响应出与血糖浓度对应的电流信号，通过检测电极层输出的电流信号，获得对应的血糖浓度，从而实现血糖浓度的检测。

本发明实施例的微流控芯片，纸基芯片为一次性用品，用完即可废弃，检测基板与盖板通过清洗处理后可与新的纸基芯片重新封装键合并使用，降低了微流控芯片的成本。

下面结合本发明实施例微流控芯片的制备方法详细说明本发明的技术方案。其中，实施例中所说的“构图工艺”包括涂覆光刻胶、掩模曝光、显影、刻蚀、剥离光刻胶等处理，是现有成熟的制备工艺。沉积可采用溅射、蒸镀、化学气相沉积等已知工艺，涂覆可采用已知的涂覆工艺，刻蚀可采用已知的方法，在此不做具体的限定。

微流控芯片的制备方法，包括：

S1：制备检测基板10，包括：

在非纸基基底11上形成电极层12，具体为，在非纸基基底11上沉积电极薄膜，采用构图工艺形成电极层12，电极层12包括工作电极121、参比电极122和对电极123，如图6所示，图6为检测基板中形成电极层和形成电极引线后的结构示意图。工作电极121、参比电极122和对电极123相互隔绝。其中，基底11可以为硅基基底、玻璃基底或聚合物基底等；电极薄膜的材质可以为金(Au)、铂(Pt)等适用于电化学测试的金属材料。

在非纸基基底11上形成电极引线13，具体为，在非纸基基底11上沉积引线薄膜，采用构图工艺形成电极引线13，电极引线133包括第一引线131、第二引线132和第三引线133，如图6所示。第一引线131与工作电极121连接，第二引线132与参比电极122连接，第三引线133与对电极122连接。

容易理解的是，当电极引线和电极层的材质相同时，可以通过同一次构图工艺形成电极层和电极引线。

在电极引线13上形成疏水层14，如图7所示，图7为检测基板中形成疏水层后的结构示意图。当疏水层14材质为有机物时，在电极引线13上形成疏水层14，具体为，在形成有电极引线的基底11上形成疏水薄膜，采用掩膜板对疏水薄膜进行曝光、显影，在电极层12及其所围设的区域去除疏水薄膜以使得电化学检测区域100暴露，在电极层12所围设区域之外的区域保留疏水薄膜形成疏水层14。当疏水层材质为无机物时，在电极引线上形成疏水层，具体为，在形成有电极引线的基底11上形成疏水薄膜，采用构图工艺形成疏水层14，疏水层14位于电极层所围设区域之外的区域。

S2：制备纸基芯片，包括：

提供亲水性基片。

在亲水性基片上形成流体通道和与所述流体通道连通的反应区域，可以为，在亲水性基片的流体通道和反应区域之外的区域上形成疏水物质，那么，在亲水性基片的未形成疏水物质的区域则形成相互连通的流体通道和反应区域。具体为，在亲水性基片上涂覆一层疏水性光刻胶，采用掩膜板对光刻胶进行曝光，当光刻胶为正性光刻胶，在流体通道和反应区域位置形成曝光区域，在其它位置形成非曝光区域，经过显影后，位于曝光区域的光刻胶发生变化被除去，保留基片亲水性，非曝光区域由于存在疏水性光刻胶而具有疏水性；当光刻胶为负性光刻胶，在流体通道和反应区域位置形成非曝光区域，在其它位置形成曝光区域，经过显影后，未被曝光的流体通道和反应区域的光刻胶被除去，保留基片亲水性，曝光区域的光刻胶发生反应并形成疏水区域，从而形成具有亲水性的流体通道和反应区域。

在其它实施例中，在亲水性基片的流体通道和反应区域之外的区域上形成疏水物质，可以具体为，通过蜡印的方法在亲水性基片的流体通道和反应区域之外的区域上形成蜡层，流体通道和反应区域之外的区域上由于形成蜡层而具有疏水性，流体通道和反应区域上未形成蜡层而保留亲水性基片的亲水性，从而形成具有亲水性的流体通道和反应区域。

在其它实施例中，在亲水性基片的流体通道和反应区域之外的区域上形成疏水物质，可以具体为，通过喷墨技术改变亲水性基片表面的亲疏水状态，在亲水性基片的流体通道和反应区域之外的区域上进行喷墨而形成疏水区域，在流体通道和反应区域无喷墨而保留亲水性基片的亲水性，从而形成具有亲水性的流体通道和反应区域。

S3：制备盖板30，具体为，提供盖板30，在盖板30上形成导液孔31。当盖板30的材质为玻璃时，可以采用激光的方式在盖板30上制作通孔以形成导液孔31，导液孔31的直径为50um～1000um。当盖板30的材质为塑料时，可以采用钻孔的方式在盖板30上制作直径较大的通孔以形成导液孔31，如图5所示。

S4：采用平行对准方式将检测基板10、纸基芯片20和盖板30依次叠设并封装，其中，检测基板10的电极层12的一侧朝向纸基芯片20，反应区域23与电极层12对应，导液孔31和流体通道22对应。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括：

检测基板，包括非纸基基底以及设置在所述基底上的电极层；

纸基芯片，叠设在所述电极层上，所述纸基芯片包括亲水性基片，还包括设置在所述亲水性基片上的流体通道以及与所述流体通道连通的反应区域，所述反应区域与所述电极层对应设置。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述检测基板还包括疏水层，所述疏水层在所述基底上的正投影位于所述电极层所围设区域在所述基底上的正投影的外围。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述电极层包括相互隔绝的工作电极、参比电极和对电极，所述参比电极和所述对电极分别设置在所述工作电极的两侧。

4.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述检测基板还包括设置在所述基底和所述疏水层之间的电极引线，所述电极引线包括与所述工作电极电连接的第一引线、与所述参比电极电连接的第二引线以及与所述对电极电连接的第三引线。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述纸基芯片还包括设置在所述流体通道和所述反应区域之外区域的疏水物质。

6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述疏水物质的材质包括光刻胶、聚二甲基硅氧烷、蜡、聚苯乙烯、烷基烯酮二聚体中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述亲水性基片为吸墨纸、滤纸、面巾纸、硝酸纤维素膜、棉布中的一种。

8.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括叠设在所述纸基芯片的背离所述检测基板一侧的盖板，所述盖板上设置有与所述流体通道对应的导液孔。

9.一种如权利要求1～8中任意一项所述微流控芯片的使用方法，其特征在于，包括：

将检测基板和纸基芯片堆叠键合，使得所述纸基芯片叠设在所述电极层上，所述反应区域与所述电极层对应；

向电极层施加第一电信号，并向流体通道注入相应试剂，在亲水性基片的作用下，试剂通过流体通道被引流至反应区域，并在反应区域发生反应；

检测电极层输出的第二电信号，根据第二电信号获得相应物质的浓度。

10.根据权利要求9所述的微流控芯片的使用方法，其特征在于，

在所述向流体通道滴入相应试剂之前，所述使用方法还包括：将盖板叠设在所述纸基芯片的背离所述检测基板的一侧，使得所述盖板上的导液孔与所述流体通道对应；

向流体通道滴入相应试剂，包括，通过导液孔向流体通道滴入相应试剂。