CN1212515C - 电化学检测－微流控芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种电化学检测-微流控芯片的制作方法。本发明以商品化的铬板玻璃为材料，通过光刻和湿法腐蚀工艺制作出玻璃硬模板，用于PDMS的模塑成型，制得组成微流控芯片所需的微沟道和用于制作电极的软模板。该玻璃硬模板在操作中可反复使用，制作的PMDS微沟道尺寸均一、形状重现性好。软模板覆盖在载玻片上，使用硅酸钠对其表面进行选择性粗化，进一步化学镀，形成与模板图案一致的金属镀层，以之为电化学检测的工作电极。将含微沟道的硅橡胶聚二甲基硅氧烷基片与载玻片上的电极条对齐，形成微流控通道，组成电化学检测-微流控芯片。该方法制作电化学检测-微流控芯片对设备要求少，操作条件温和，制作成功率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学检测-微流控芯片的制作方法。
背景技术
微流控芯片是一项新颖的分析技术，与常规分析仪器功能单一的情况不同，它将众多的分析流程诸如样品采集、预处理、分离、检测等集成于一块仅几厘米见方的芯片上，在很短的时间内即可完成从实际样品到取得分析结果的全过程，所需样品量、耗用试剂、产生废弃物远远少于常规分析，可以实现在多样条件下的实时、现场分析。因其突出的优点，得到众多研究者的关注。芯片制作材料很多，有石英、玻璃、有机高聚物等。早期工作多使用玻璃或石英材料，商品化的如加拿大Micralyne公司制作的玻璃芯片，经由光刻，湿法腐蚀，高温热键合等步骤制作而成(Anal Chem，2001，73，4079-4086)，工艺流程复杂，制作条件苛刻，成本高，价格昂贵。另一方面，检测器作为该系统的一个重要组成部分，也是研究的重点。电化学检测器因为结构简单、成本低、灵敏度高、容易集成等诸多优点而发展成为微流控芯片上的一种重要检测方法。目前，常用的电化学检测电极的制作采用的是电子工业中的真空镀膜-光刻-腐蚀的方法，如专利97197445.4公开了集成在显微制造的毛细管电泳芯片上的电化学测定器，在玻璃上蒸镀一层铂层，经光刻，光刻法得到铂电极的微图案，与另一片用光刻蚀方法制作的微通道的玻璃在高温下热键合，得到含有集成铂电极的电化学检测-微流控芯片。该方法制作整体流程复杂，对设备要求高，且需经高温热键合步骤，电极材料必须能耐受600摄氏度以上的高温，在该条件下还必须防止电极材料的氧化，对一些比较活泼的金属电极材料，则必须采用惰性气氛保护，进一步加大了设备和操作的费用，而且制作整体成功率不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种电化学检测-微流控芯片的制作方法；
本发明是这样实现上述目的：
高聚物材料因为其成本低廉、制作容易，得到越来越多的重视，其中以硅橡胶聚二甲基硅氧烷(PDMS)应用较广。本发明以商品化的铬板玻璃为材料，通过光刻和湿法腐蚀工艺制作出玻璃硬模板，用于PDMS的模塑成型，制得组成微流控芯片所需的微通道和用于制作电极的软模板。该玻璃硬模板在操作中可反复使用，制作的PMDS微沟道尺寸均一、形状重现性好。
在制作电极操作中本发明选取了需要活性催化颗粒诱导才能发生的化学镀反应。利用玻璃平坦表面对粒子结合力弱的特点，在绝大部分区域，无法负载足够的催化颗粒，化学镀无法进行；在局部区域，在含有微图案的PDMS软模板的帮助下，可对载玻片进行选择性的粗化处理，以提供足够的表面积结合活化的诱导颗粒，然后进行的化学镀，仅该部分负载有活化颗粒的化学镀反应得以顺利进行，由此沉积了作为电化学检测所需的电极镀层。
利用PDMS可与平坦表面可逆键合的特性，将制作有微沟道的PDMS与含制作了微电极的载玻片贴合到一起，形成微流控通道，由此组成微流控芯片。
电化学检测采用柱端检测模式，电化学检测电极距离微流控通道出口端20-60微米，既能有效减小电泳分离高压对电化学检测的影响，又避免了麻烦的制作高压隔离接地的过程。
该方法制得的微流控芯片-电化学检测系统对设备要求少，操作的关键步骤在室温下即可完成，成功率高，可以用于多种材料电极的制作，所得镀层附着力强，且在电极失活之后，可重新经化学镀而再生，使用周期长，适用面广。
具体操作如下
1)模塑法制作PDMS软模板用于制作微流控通道和软模板的硬模板通过光刻法制作，采用涂有光刻胶的铬版玻璃为原材料。绘制微流控芯片流路和电极图案并将其打印到软胶片上，微流控通道的宽度一般在20-100微米之间，电极工作部分宽度20-100微米，连接部分宽些，200-500微米，以使工作电极与电化学检测仪之间较好的连接。图案通过紫外灯曝光投影到光胶层上，再显影，以150-200克/升硝酸铈铵、30-50毫升/升醋酸或120-180克/升硝酸铈铵，10-20毫升/升硝酸溶液去除露出的铬层，以残留的光胶和铬层为掩护，使用12-30克/升氢氟酸、20-30克/升氟化铵或10-20克/升氢氟酸、10-20克/升硝酸溶液的对玻璃腐蚀15-25分钟，制作出微图案，得到硬模板。模塑过程中将PDMS单体与固化剂按10∶1的比例混合，经真空泵抽真空脱气，去除交联反应中产生的气体，再倾倒于玻璃硬模板上，在60-70摄氏度加热1.5-2小时，使其固化。完成后，将已交联的PDMS层从硬模板上剥离，即得到微流控芯片所需的微沟道和制作电极的软模板，通道末端用2-5毫米的打孔器打孔，作为储液池。
2)选择性粗化 取载玻片，经用铬酸洗液或体积比为3∶1的H2SO4/H2O2洗液清洗，再用去离子水洗净，并晾干。将制得的PDMS软模板与载玻片贴合，从而形成如电极图案的微通道，在通道末端储液池滴加少量2-4％的硅酸钠溶液，溶液在毛细作用下进入微通道，并将其充满，去除多余溶液。将基片连同PDMS室温静置6-8小时，让通道中溶液自然干燥。揭去PDMS模板，硅酸钠留在基片上，将基片置于加热炉内150-250摄氏度加热20-40分钟，使该部分硅酸钠固化成型，取出即得到如电极形状的粗化部分。
3)化学镀化学镀采用10-20克/升氯化亚锡，为敏化剂敏化2-5分钟，为防止亚锡离子的氧化，可添加少量盐酸和锡金属颗粒，1-3克/升硝酸银，滴加氨水至产生沉淀又消失配置银铵溶液为活化剂活化2-4分钟，以生成的银颗粒为催化中心，进行化学镀铜。在敏化/银铵活化/化学镀铜步骤之间，载玻片经去离子水超声洗涤10-20秒，以去除吸附在光滑表面的少量残留粒子。镀铜在含5-8克/升硫酸铜、2.5-3克/升氯化镍、28-35毫升/升福尔马林、6-12克/升氢氧化钠、20-35克/升酒石酸钾钠的溶液中，在不断搅动的情况下进行化学镀铜，30-45分钟，得到如软模板图案的铜膜，膜厚100-300纳米，该铜膜可作为电化学检测用的铜电极。
进一步的，可以制得的铜层为基础，使用由2.5-3.5克/升亚硫酸金钠，15-20克/升亚硫酸钠，40-60毫升/升福尔马林组成的镀金液，在不断搅动的情况下，以铜为催化剂，在其上继续进行化学镀金，20-40分钟可得到约厚150-300纳米的金膜，可作为电化学检测的金电极。
4)微流控芯片-电化学检测系统将含微沟道的PDMS基片在显微镜下与载玻片上的电极条对齐，形成可逆键合，组成微流控-电化学检测芯片，控制微流控通道出口与检测电极之间距离在20-60微米，电化学检测为柱端检测模式。
附图说明
图1为制作微流控通道的掩膜板图案，其中右侧为交叉处通道的放大示意图
图2为用于制作微电极的的软模版的图案，其中下部是中间突出部分的放大示意图
图3为组成的微流控芯片的示意图，右侧为电极与通道出口部分的放大示意图。
具体实施方式
实施例1
1，制作PDMS微通道和软模板
用矢量绘图软件(CorelDraw)绘制微流路图和电极形状分别如图1和图2，由高清晰度激光照排机(3000dpi)输出至胶片，取胶片，覆盖在涂覆有光胶的铬版玻璃上，经紫外灯曝光，用0.6％氢氧化钠溶液显影后，180克/升硝酸铈铵、40毫升/升醋酸溶液去铬55秒，清洗净，置于1.7％氢氟酸、2.3％氟化铵缓冲液中，以0.7微米每分钟的速度对暴露的玻璃部分进行腐蚀，得到突起的微图案，微流控芯片通道所需玻璃模板腐蚀20分钟，用于制作电极软模板的腐蚀3分钟，腐蚀完毕，用2％氢氧化钠溶液去除多余的光胶，去铬液去除铬层。玻璃模板洗净，晾干。用于电泳分离的微通道深15微米，顶部最宽处为60微米，底部最窄处40微米，用于制作微电极的软模板微通道深2微米。
PDMS单体和交联剂以10∶1充分混合搅匀，在真空下脱气，至无气88体生成，将混合物倾倒于玻璃模板表面，并置于烘箱中，65摄氏度加热2小时。冷却至室温后，小心用刀片切割PDMS，并将其从玻璃模板上剥离，即得到PDMS微沟道和软模板。在通道末端用打孔器打上2.5mm直径的孔作为储液池。
2，制作集成的电化学检测铜电极
取一经铬酸洗液、去离子水洗净的载玻片，在其一末端覆盖步骤1制备的含电极微图案的PDMS软模板，PDMS与玻璃可逆键合，形成微通道，从打好的储液池加入2％硅酸钠溶液，溶液在毛细作用下自动充满整个通道。室温放置6小时晾干。揭去PDMS软模板，在玻璃表面得到如所需电极图案的硅酸钠涂层，将载玻片置于加热炉内170摄氏度加热30分钟。冷至室温后，去离子水清洗净，浸于15克/升氯化亚锡、10毫升/升浓盐酸，并添加少量锡粒组成的敏化溶液中3分钟，用去离子水充分洗净后，超声清洗10秒，置于由1.5克/升硝酸银，滴加氨水至产生沉淀又消失配置成的银氨溶液中再浸泡3分钟，可见到原先覆盖有硅酸钠的部分生成了棕褐色银颗粒，继续用去离子水洗净，超声清洗10秒，将载玻片置于刚混合的1∶1的含6.0克/升硫酸铜、3.0克/升氯化镍A溶液和含32毫升/升福尔马林、10克/升氢氧化钠、30克/升酒石酸钾钠的B溶液中，在不断搅动的情况下进行化学镀铜，45分钟，得到如软模板图案的铜膜，厚度在200纳米左右，该铜膜可作为电化学检测用的铜电极。
3，组成微流控-电化学检测芯片及实际应用
将PDMS微通道与含电化学检测电极的载玻片对齐，使电极位于微流控芯片的检测池中，距离分离通道出口40微米，如图3所示，两者贴合，PDMS与平坦的载玻片表面可逆键合，形成微流控通道，电化学检测为柱端检测模式。该芯片可在强碱性条件下，直接安培法用于糖类物质或氨基酸类物质的分离分析
实施例2
1，制作PDMS软模板和微通道铬板玻璃经使用掩膜板光刻后，用0.6％氢氧化钠溶液显影，160克/升硝酸铈铵、20毫升/升硝酸溶液去铬，清洗净，置于15克/升氢氟酸、15克/升硝酸溶液中，以0.8微米每分钟的速度对暴露的玻璃部分进行腐蚀，得到突起的微图案，微流控芯片通道所需玻璃模板腐蚀15分钟，用于制作电极软模板的腐蚀2分钟，腐蚀完毕，用20克/升氢氧化钠溶液去除多余的光胶，去铬液去除铬层。玻璃模板洗净，晾干。混合好的PDMS前体与固化剂经真空脱气，倾倒于模板上，70摄氏度下加热固化反应1.5小时。剥离PDMS层，用于电泳分离的微通道深12微米，顶部最宽处为60微米，底部最窄处45微米。用于制作微电极的软模板微通道深1.5微米
2，制作集成的金电极：取一载玻片，经体积比为3∶1的H2SO4/H2O2洗液、去离子水洗净，在其上覆盖PDMS软模板，经由前述的粗化、敏化、诱导、镀铜步骤，生成如电极形状的铜膜，但镀铜步骤仅进行25分钟，铜膜厚150纳米。将该载玻片置于由2.8克/升亚硫酸金钠，16克/升亚硫酸钠，50毫升/升福尔马林组成的镀金液中，在不断搅动的情况下，以铜为催化剂，在其上继续进行化学镀金，30分钟可得到约厚200纳米的金膜，可作为电化学检测的金电极。
3，组成微流控芯片电化学检测系统及其应用
含微流控通道的PDMS层与含制作了电极的载玻片帖紧，形成可逆键合，金电极与通道出口处的距离控制在50微米。该芯片可在中性条件下，直接安培法检测儿茶酚类物质，也可在偏碱性条件下，脉冲安培法用于分离和检测糖类和氨基酸。
Claims (5)
1、一种电化学检测-微流控芯片的制作方法，其主要步骤为：
a)制作硅橡胶聚二甲基硅氧烷软模板：用于制作微流控通道和软模板的硬模板通过光刻法制作，采用涂有光刻胶的铬版玻璃为原材料，绘制微流控芯片流路和电极图案并将其打印到软胶片上，以其为掩模板，曝光，显影，以含150-200克/升硝酸铈铵和30-50毫升/升醋酸或120-180克/升硝酸铈铵和10-20毫升/升硝酸的溶液去除露出的铬层，以残留的光胶和铬层为掩护，使用含12-30克/升氢氟酸和20-30克/升氟化铵或10-20克/升氢氟酸和10-20克/升硝酸的溶液对玻璃腐蚀15-25分钟，制作出微图案，得到硬模板；
将硅橡胶聚二甲基硅氧烷单体与固化剂按10∶1的比例混合，经真空泵抽真空脱气，去除交联反应中产生的气体，再倾倒于玻璃硬模板上，在60-70摄氏度加热1.5-2小时，使其固化；完成后，将已交联的硅橡胶聚二甲基硅氧烷层从硬模板上剥离，即得到微流控芯片所需的微沟道和制作电极的软模板，通道末端用2-5毫米的打孔器打孔，作为储液池；
b)选择性粗化：将步骤a制得的硅橡胶聚二甲基硅氧烷软模板与载玻片贴合，形成微流控通道，在通道末端储液池滴加少量2-4％的硅酸钠溶液，溶液在毛细作用下进入微流控通道，并将其充满，去除多余溶液；
将基片连同硅橡胶聚二甲基硅氧烷室温静置6-8小时，使通道中溶液自然干燥；揭去硅橡胶聚二甲基硅氧烷模板，硅酸钠留在基片上，将基片于加热炉内150-250摄氏度加热20-40分钟，使该部分硅酸钠固化成型；
c)化学镀：化学镀采用亚锡离子为敏化剂敏化2-5分钟，银铵溶液为活化剂活化2-4分钟，以生成的银颗粒为催化中心，进行化学镀铜；
镀铜在含5-8克/升硫酸铜、2.5-3克/升氯化镍、28-35毫升/升福尔马林、6-12克/升氢氧化钠、20-35克/升酒石酸钾钠的溶液中，搅动30-45分钟，得到如软模板图案的铜膜，膜厚100-300纳米，该铜膜为电化学检测用的铜电极；
d)微流控芯片-电化学检测系统：将含微沟道的硅橡胶聚二甲基硅氧烷基片与载玻片上的电极条对齐，形成可逆键合，组成电化学检测-微流控芯片。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述敏化剂为10-20克/升氯化亚锡。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述敏化剂为在氯化亚锡中添加盐酸和锡金属颗粒。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活化剂为1-3克/升硝酸银。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c所述的铜层为基础，使用由2.5-3.5克/升亚硫酸金钠，15-20克/升亚硫酸钠，40-60毫升/升福尔马林组成的镀金液，搅动20-40分钟，以铜为催化剂，得到厚150-300纳米的金膜，可作为电化学检测的金电极。
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