CN110726767A - 一种微流控芯片非接触电导检测池及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种微流控芯片非接触电导检测池及制备方法，属于芯片微加工领域。该检测池的外壳为接地金属盒，检测池内包括微流控芯片、外接毛细管、导线、BNC接头和四根金属丝。一根金属丝作为激发电极，一根金属丝作为感应电极，两根处于相对位置的金属丝作为接地屏蔽电极以减少两电极耦合而产生的杂散电容。微流控芯片上的电极通道和检测通道可以采用一步化学湿法刻蚀技术制备，从而实现精确的检测池几何设计。微流控芯片经键合后，将金属丝的一端插入所需的电极通道中，利用环氧胶将其固定，另一端通过导线与BNC接头相连即完成检测池的制备。该方法实施简便、安全、检测池几何参数可控、重复性好，可用于构建微流控芯片非接触电导检测系统。

Description

一种微流控芯片非接触电导检测池及制备方法

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片非接触电导检测池及制备方法，属于芯片微加工领域。

背景技术

微型化和集成化是现代分析仪器发展的重要方向之一。自微流控芯片问世以来，集成微型检测器成为分析化学领域研究热点之一。目前用于微流控芯片的检测方法主要有：光学检测、质谱检测和电化学检测。光学检测器和质谱检测器都存在系统复杂,体积庞大,造价昂贵等问题,无法真正实现微型化和集成化。相对而言，电化学检测器成本低、系统结构简单、易于集成化和微型化，已经成为当前国内外学者研究的重点。

在微流控芯片分析系统中采用的电化学检测器主要有安培检测器、电位检测器和电导检测器。安培检测器灵敏度高,但只能检测具有电化学活性的物质；电位检测器虽然选择性强,但目前受到选择性电极少的限制；而电导检测则是一种通用型的检测方式,只要能改变溶液电导率的物质就可被检测。

电容耦合非接触电导检测因其固有的电极与溶液绝缘和免标记检测等优点，已被广泛应用到微流控芯片中。在微流控芯片上集成非接触电导检测电极的方式有两种，一种是将电极嵌入到芯片内，另一种是在芯片外表面附着电极。附着电极要求被附着芯片的厚度要尽可能薄(微米级厚度)，所以该方法适用于较薄的PMMA或者PDMS芯片。玻璃或者石英芯片一般选择集成嵌入式电极，然而传统的集成嵌入式金属电极的方法涉及光刻和溅射技术，这些技术往往需要复杂的制备工艺和专用设备，不能被实验室广泛利用。于是，替代技术的发展受到越来越多的关注。Lenehan课题组将熔融金属镓注入电极通道中，加入籽晶，熔融镓固化后作为检测电极，但镓的熔点略高于室温，限制了其在较大温度范围内的使用。Guijt课题组将熔融伍德合金注入电极通道中，降温使熔融合金固化作为检测电极，但由于伍德合金中含有铅和镉，该材料对人体和环境有害。注入熔融电极并固化，步骤还是相对费时和复杂。Coltro课题组将氯化钾等导电溶液注入电极通道中作为检测电极，但长时间使用溶液会蒸发，影响检测器的重复性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控芯片非接触电导检测池及制备方法。该方法具有实施简便、安全、检测池几何参数可控、重复性好的优点，可用于构建微流控芯片非接触电导检测系统，对待测样品进行电导检测。

微流控芯片非接触电导检测池，其特征在于，该检测池的外壳为接地金属盒，检测池内包括微流控芯片、外接毛细管、导线、BNC接头和四根金属丝；微流控芯片设有贯通的待测液体的检测通道，检测通道的两端分别插入一根毛细管并伸出接地金属盒外，检测通道和毛细管为在一条直线A上，在直线A的两侧分别各设有一个直线型的接地屏蔽电极通道，两接地屏蔽电极通道在一条直线B上且不连通，且直线B垂直直线A，接地屏蔽电极通道靠近检测通道的一端距离检测通道的间隙为15-105μm(也称为厚度)，此间隙形成绝缘结构，接地屏蔽电极通道内各设置一根金属丝作为接地屏蔽电极；在检测通道两侧，且每个接地屏蔽电极通道的一侧各设有一与接地屏蔽电极通道平行的激发电极通道/或感应电极通道，即其中一个为激发电极通道，另一个则为感应电极通道，共两个电极通道；感应电极通道和激发电极通道不在一条直线上，感应电极通道和激发电极通道内分别设有抱一个金属丝作为对应的感应电极和激发电极；感应电极和激发电极伸出对应通道的一端分别连接一个BNC接头；BNC接头一端伸出接地金属盒；接地屏蔽电极通道、检测通道、激发电极通道、感应电极通道共平面。

本发明一根金属丝作为激发电极，一根金属丝作为感应电极，另外两根处于相对位置的金属丝作为接地屏蔽电极以减少两电极耦合而产生的杂散电容。微流控芯片上的电极通道和检测通道可以采用一步化学湿法刻蚀技术制备，从而实现精确的检测池几何设计。微流控芯片经键合后，将金属丝的一端插入所需的电极通道中，利用环氧胶将其固定，另一端通过导线与BNC接头相连即完成检测池的制备。

为了满足以上目的，本发明微流控芯片非接触电导检测池的制备方法，包括以下步骤：

(1)掩膜的设计：

所述的电极通道和检测通道设计在同一张掩膜上，从而实现精确的检测池几何设计；

(2)微通道的制备：

在两个微流控芯片基板上分别刻蚀对应的电极半圆通道和检测半圆通道，采用一步化学湿法刻蚀技术制备；两个微流控芯片基板一个称为基片，一个称为盖片；

(3)绝缘结构的制备：

基片和盖片上的电极通道与检测通道间的间隙材质作为绝缘结构，通过控制湿法刻蚀时间，精确控制绝缘结构的厚度；

(4)微流控芯片的封接：

步骤(3)中得到的基片和盖片在等离子体清洗器中清洗及活化后，将基片和盖片精确对准，高温键合(高温的温度为550℃)，得到圆形的对应的电极通道和检测通道；

(5)检测电极的集成：

金属丝电极一端插入步骤(4)中得到的电极通道中，利用环氧胶将其固定，同时该与BNC接头相连的进行连接；最后，将集成电极的微流控芯片放入接地良好的电磁屏蔽盒中。

微流控芯片非接触电导检测系统的构建：信号发生器作为信号源与所述检测的一个BNC接头端连接，输出信号经过微流控芯片非接触电导检测池被运算放大器拾起进行电流电压转化，经由求真有效值芯片进行交流直流转换，再经由仪表放大器进行信号的放大，最后与数据采集卡相连，Labview程序控制分析；运算放大器与另一BNC接头端连接；

微流控芯片非接触电导检测系统的测试：

采用本发明的微流控芯片非接触电导检测系统，对系列浓度的氯化钾溶液进行检测。

步骤(2)所述的微流控芯片的材质包括各种类型玻璃或石英，优选钠钙玻璃。

步骤(3)所述的绝缘层厚度为15-105μm。

步骤(4)所述的电极通道和检测通道的内径为60-140μm，电极通道长度为0.5-1mm，激发电极通道与感应电极通道间距离为0.2-1mm。

步骤(5)所述的金属丝的直径为50-127μm，长度为0.5-1mm，金属丝包括但不限于为铂丝、金丝、铜丝和铝丝等，优选铂丝。

所述的输出信号包括但不限于为正弦波信号、方波信号和三角波信号等，优选正弦波信号。

将本发明方法制备的微流控芯片非接触电导检测池用于构建微流控芯片非接触电导检测系统，对待测样品进行电导检测。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

(1)制备方法简便：简化了制备步骤，避免使用较多的仪器，操作人员容易掌握。

(2)安全：原材料不是有毒物质，且对环境无害。

(3)检测池几何参数可控：电极通道和检测通道设计在同一张掩膜上，从而实现精确的检测池几何设计，通过控制湿法刻蚀时间，精确控制电极通道和检测通道的内径以及绝缘层的厚度。

(4)重复性好：本方法所制的微流控芯片非接触电导检测池可用于构建微流控芯片非接触电导检测系统，对待测样品进行电导检测。连续三天进同一样品，峰高的相对标准偏差小于1％。

(5)检测性能良好：以超纯水作为测试背景，对钾离子的检出限可以达到3.9μmol/L，线性范围为10-1000μmol/L，线性相关系数达到0.9978。

附图说明

图1是本发明中钠钙玻璃基质上微通道的显微镜图。

图2是本发明中钠钙玻璃基质上绝缘层的扫描电镜图。

图3是本发明中钠钙玻璃芯片中微通道截面的扫描电镜图。

图4是本发明中制备的非接触电导检测池的结构示意图。

图5是本发明中制备的非接触电导检测系统的结构示意图。

图6是本发明中制备的非接触电导检测系统对不同浓度氯化钾溶液的响应信号图。

具体实施方式

下面结合说明书附图及具体实例对本发明进行详细说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

结构见图4。

(1)掩膜的设计：

利用Auto CAD软件绘制电极通道和检测通道的掩膜设计图，全部结构均为20μm宽，电极通道长为1mm，电极通道与检测通道间距离为155μm，激发电极通道与感应电极通道的水平距离为1mm，接地屏蔽电极通道与激发电极通道和感应电极通道的水平距离为500μm。

(2)微通道的制备：

将曝光、显影和去铬后的匀胶铬版放入由氟化氨、氢氟酸、硝酸和超纯水组成的刻蚀液中，设定摇床温度为40℃，以约1μm/min的速度进行刻蚀；70min后取出刻蚀的匀胶铬版，利用表面轮廓仪准确测量刻蚀深度，重复以上步骤直至通道深度满足70μm(附图1)。

(3)绝缘层的制备：

电极通道与检测通道间的玻璃壁作为绝缘层，通过控制湿法刻蚀时间，精确控制绝缘层的厚度。绝缘层的厚度(t)等于掩膜上电极通道与检测通道间的距离减去2倍刻蚀深度即t＝155-70×2＝15μm(附图2)。

(4)微流控芯片的封接：

步骤(3)中得到的基片和盖片在等离子体清洗器中清洗及活化后，将基片和盖片利用显微镜精确对准，在马弗炉中高温键合，得到内径为140μm的电极通道和检测通道(附图3)。

(5)检测电极的集成：

将长度为500μm，直径为100μm的铂丝电极一端插入步骤(4)中得到的电极通道中，利用环氧胶将其固定，另一端通过导线与BNC接头相连。最后，将集成电极的微流控芯片放入接地良好的电磁屏蔽盒中，完成微流控芯片非接触电导检测池的制备(附图4)。

(6)微流控芯片非接触电导检测系统的构建：

信号源是一个低成本的信号发生器，该信号发生器输出正弦波信号，输出电压为20V，输出频率为372kHz；正弦波信号经过检测池被OPA606拾起，并进行电流电压转化；从OPA606输出端输出的信号，经由AD536进行交流直流转换；从AD536输出的直流电压进入IN121正向输入端进行信号放大，IN121反向输入端和滑动变阻器相连，输出信号基线水平由滑动变阻器调节；IN121输出端与数据采集卡相连，Labview程序控制分析；OPA606的供电电压为±5V或者±12V，AD536的供电电压为±12V(附图5)。

(7)微流控芯片非接触电导检测系统的测试：

采用本发明的微流控芯片非接触电导检测系统，对系列浓度的氯化钾溶液进行检测。以372kHz，20V_p-p为信号源，连续三天进同一样品，峰高的相对标准偏差小于1％，说明该检测系统重复性较好。以超纯水作为测试背景，对钾离子的检出限可以达到3.9μmol/L，线性范围为10-1000μmol/L，线性相关系数达到0.9978，表现出良好的检测性能(附图6)。

Claims (8)

1.微流控芯片非接触电导检测池，其特征在于，该检测池的外壳为接地金属盒，检测池内包括微流控芯片、外接毛细管、导线、BNC接头和四根金属丝；微流控芯片设有贯通的待测液体的检测通道，检测通道的两端分别插入一根毛细管并伸出接地金属盒外，检测通道和毛细管为在一条直线A上，在直线A的两侧分别各设有一个直线型的接地屏蔽电极通道，两接地屏蔽电极通道在一条直线B上且不连通，且直线B垂直直线A，接地屏蔽电极通道靠近检测通道的一端距离检测通道的间隙为15-105μm(也称为厚度)，此间隙形成绝缘结构，接地屏蔽电极通道内各设置一根金属丝作为接地屏蔽电极；在检测通道两侧，且每个接地屏蔽电极通道的一侧各设有一与接地屏蔽电极通道平行的激发电极通道/或感应电极通道，即其中一个为激发电极通道，另一个则为感应电极通道，共两个电极通道；感应电极通道和激发电极通道不在一条直线上，感应电极通道和激发电极通道内分别设有抱一个金属丝作为对应的感应电极和激发电极；感应电极和激发电极伸出对应通道的一端分别连接一个BNC接头；BNC接头一端伸出接地金属盒；接地屏蔽电极通道、检测通道、激发电极通道、感应电极通道共平面。

2.制备权利要求1所述的微流控芯片非接触电导检测池方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)掩膜的设计：

所述的电极通道和检测通道设计在同一张掩膜上，从而实现精确的检测池几何设计；

(2)微通道的制备：

在两个微流控芯片基板上分别刻蚀对应的电极半圆通道和检测半圆通道，采用一步化学湿法刻蚀技术制备；两个微流控芯片基板一个称为基片，一个称为盖片；

(3)绝缘结构的制备：

基片和盖片上的电极通道与检测通道间的间隙材质作为绝缘结构，通过控制湿法刻蚀时间，精确控制绝缘结构的厚度；

(4)微流控芯片的封接：

步骤(3)中得到的基片和盖片在等离子体清洗器中清洗及活化后，将基片和盖片精确对准，高温550℃键合，得到圆形的对应的电极通道和检测通道；

(5)检测电极的集成：

金属丝电极一端插入步骤(4)中得到的电极通道中，利用环氧胶将其固定，同时该与BNC接头相连的进行连接；最后，将集成电极的微流控芯片放入接地良好的电磁屏蔽盒中。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的微流控芯片的材质包括各种类型玻璃或石英，优选钠钙玻璃。

4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述的绝缘层厚度为15-105μm。

5.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的电极通道和检测通道的内径为60-140μm，电极通道长度为0.5-1mm，激发电极通道与感应电极通道间距离为0.2-1mm。

6.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述的金属丝的直径为50-127μm，长度为0.5-1mm，金属丝包括但不限于为铂丝、金丝、铜丝和铝丝等，优选铂丝。

7.采用权利要求1所述的检测池进行微流控芯片非接触电导检测系统的构建方法，其特征在于，信号发生器作为信号源与所述检测的一个BNC接头端连接，输出信号经过微流控芯片非接触电导检测池被运算放大器拾起进行电流电压转化，经由求真有效值芯片进行交流直流转换，再经由仪表放大器进行信号的放大，最后与数据采集卡相连，Labview程序控制分析；运算放大器与另一BNC接头端连接；

微流控芯片非接触电导检测系统的测试：

采用本发明的微流控芯片非接触电导检测系统，对系列浓度的氯化钾溶液进行检测。

8.采用权利要求1所述的检测池进行微流控芯片非接触电导检测系统的构建方法，其特征在于，所述的输出信号包括但不限于为正弦波信号、方波信号和三角波信号等，优选正弦波信号；

将本发明方法制备的微流控芯片非接触电导检测池用于构建微流控芯片非接触电导检测系统，对待测样品进行电导检测。

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