專利名稱：非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片的微結(jié)構(gòu)及其工作原理，屬于微流控全分析技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流控是指在數(shù)十到數(shù)百微米的微通道內(nèi)操控流體的相關(guān)技術(shù)和科學(xué)。微全分析系統(tǒng)(Micro TotalAnalysis System, μ-TAS)是通過對(duì)多種全分析系統(tǒng)的小型化,將多個(gè) 分析步驟(進(jìn)樣、反應(yīng)、分離和檢測(cè))集成在單一的微流控芯片上，具有分析時(shí)間短、樣品試劑消耗小、現(xiàn)場(chǎng)操作和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用在(細(xì)胞)生物學(xué)、食品、藥學(xué)及化學(xué)合成、空間生命科學(xué)儀器等領(lǐng)域。μ -TAS裝置以平板玻璃或聚合物為基質(zhì)，用蓋板封閉微通道網(wǎng)絡(luò)，以微加工技術(shù)可將分離通道方便地集成為多個(gè)功能單元。μ -TAS可以使體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大功耗的實(shí)驗(yàn)室分析儀器縮微成為功能強(qiáng)大的、重量小、低功耗的便攜式分析儀器。用于微流控分析系統(tǒng)中的雙極電極(Bipolar electrode, ΒΡΕ),是指一個(gè)放置在微流通道中的導(dǎo)體，當(dāng)足夠高的電場(chǎng)施加在微流通道中的離子緩沖液時(shí)，這個(gè)導(dǎo)體一端發(fā)生氧化反應(yīng)，一端發(fā)生還原反應(yīng)，這個(gè)導(dǎo)體就稱為ΒΡΕ。即使沒有把BPE與外電源直接用導(dǎo)線相連，法拉第反應(yīng)也能在BPE末端發(fā)生，其兩端上的氧化-還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行以維持整個(gè)電極的電中性。微通道中的BPE是一個(gè)與離子液相接觸的微小電導(dǎo)體，用來保證高阻抗以減小電流通過。漂浮在溶液中BPE電勢(shì)決定于溶液的組成，而電極和溶液間的界面電勢(shì)促使發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移。在整個(gè)分析系統(tǒng)無外加電能供給時(shí)，采用壓力流(如通過手動(dòng)注射器產(chǎn)生壓力流)驅(qū)動(dòng)帶電荷的微通道內(nèi)壁的液流，產(chǎn)生伏特級(jí)的流動(dòng)勢(shì)能Γ8伏)，該流動(dòng)勢(shì)能使BPE末端發(fā)生法拉第電化學(xué)反應(yīng)。用一種時(shí)間穩(wěn)態(tài)(幾百秒)的電場(chǎng)梯度的動(dòng)態(tài)測(cè)定方法，發(fā)現(xiàn)在微通道中BPE周圍非均勻電場(chǎng)梯度對(duì)應(yīng)著富集痕量組分的區(qū)域，且該梯度可以通過壓力驅(qū)動(dòng)的液流來調(diào)節(jié)。通過觀察BPE陽極Ag溶解，說明BPE上的電化學(xué)反應(yīng)可以在缺乏外加電動(dòng)力的情況下進(jìn)行，故BPE這類電化學(xué)傳感器可以是自供電的，這就為在不需要外加電源條件下、特別是便攜或在戶外或無電地區(qū)開展電化學(xué)分析工作創(chuàng)造了條件，使BPE成為微流控芯片上集成電化學(xué)系統(tǒng)的新手段?？傊珺PE具有如下特點(diǎn)1).在無需直接外接電源的、漂浮在微流通道里BPE的末端可發(fā)生法拉第電化學(xué)反應(yīng)；2). BPE周圍產(chǎn)生的非均勻電場(chǎng)梯度，能有效地使帶電分子區(qū)帶實(shí)現(xiàn)分離和濃集；3). BPE易于集成在微流控芯片上，特別適合形成復(fù)雜的微陣列結(jié)構(gòu)，并可方便地實(shí)現(xiàn)電化學(xué)或光學(xué)檢測(cè)。對(duì)微流通道中的BPE而言，盡管它能通過在無需直接外接電源的(非直接的)BPE兩端發(fā)生法拉第電化學(xué)反應(yīng)和分子區(qū)帶濃集，但對(duì)微流通道-BPE中的不同分析物區(qū)帶間的電泳分離裝置而言，還需要直接接觸式連接外加電源或直接接觸式連接的壓力流驅(qū)動(dòng)裝置。微流控芯片的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳統(tǒng)上是應(yīng)用外加電場(chǎng)和壓力驅(qū)動(dòng)做為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。而本發(fā)明的目的，是將光束照射到指定光電極上，并在微通道中的BPE兩端電解質(zhì)緩沖液中產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)一種非接觸式光驅(qū)動(dòng)微流通道BPE分離、濃集，并可以方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)陣列的微全分析基本結(jié)構(gòu)。這種完全非接觸式的光驅(qū)動(dòng)的微流通道-BPE裝置，還未見國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)明公布和文獻(xiàn)報(bào)道。本發(fā)明的目的是公布一種對(duì)微流通道-BPE裝置而言，一種完全非接觸式或非連接的光驅(qū)動(dòng)的微流通道-BPE型原理的裝置。該裝置由產(chǎn)生可控的光束單元、微光電極單元和微流通道-BPE單元組成。該發(fā)明的意義在于，實(shí)現(xiàn)一種非接觸式的光驅(qū)動(dòng)-微流通道-BPE型原理，為通過復(fù)雜的光開關(guān)控制光束來操控分子區(qū)帶的多維分離提供一種新方法，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光開關(guān)調(diào)制下的、時(shí)-空可變的非均勻電場(chǎng)和PH梯度下的多種不同分析物微區(qū)帶的同時(shí)濃集、分離、捕獲和超微檢測(cè)，奠定基本的原理和方法學(xué)基礎(chǔ)。該發(fā)明能夠有效地利用微流控通道中的微光電極單元所形成的光生電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)分子區(qū)帶的差速遷移(分離)和濃集，并可以進(jìn)行BPE上的法拉第反應(yīng)。這種微分離濃集結(jié)構(gòu)單元還可以進(jìn)一步串聯(lián)或形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜樣品在微流控芯片上的多維分離和無標(biāo)記的原位檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種非接觸光驅(qū)動(dòng)微流通道-雙極電極的微結(jié)構(gòu)，亦即一種 無線非接觸光驅(qū)動(dòng)微流通道-雙極電極的微結(jié)構(gòu)芯片。具體如下非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，包括基片、蓋片、微光電極、雙極電極；基片和蓋片形成微流直通道，微光電極、雙極電極沉積于基片表面，介于基片和蓋片之間；微光電極有兩個(gè)，分別位于雙極電極的兩側(cè)；蓋片上設(shè)置有兩個(gè)微孔，光線從微孔中穿過照射到兩個(gè)微光電極；微光電極作為微流直通道中電滲流和雙極電極電化學(xué)的光生伏特驅(qū)動(dòng)單元，雙極電極作為微流通道的電泳分離/濃集單元。進(jìn)一步，所述微光電極為楔形，其傾角為30-45°。進(jìn)一步，雙極電極為薄片型，置于通道中原位檢測(cè)的位置，其長(zhǎng)和寬均小于通道寬度。進(jìn)一步，所述的微光電極為半導(dǎo)體氧化物/金屬光電極。進(jìn)一步，所述的微光電極為Ti02/Au或Ti02/Pt光電極。進(jìn)一步，所述的薄片雙極電極材料為金(Au)或銀(Ag)。進(jìn)一步，所述基片和蓋片材料均為TOMS。進(jìn)一步，所述的微光電極由為真空鍍金膜和TiO2膜層疊構(gòu)成楔形結(jié)構(gòu)。所述微流控芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步驟I)基片的制作采用光刻掩膜方法，先設(shè)計(jì)微流通道，將其打印在透明膠片上作為掩膜，在硅片上涂一層SU-8負(fù)光刻膠，硅片以及表面上的SU-8負(fù)光刻膠凸起用作制作基片的陽模，陽模表面用氟化的硅烷化試劑處理；在模具上傾倒已經(jīng)脫氣的基片材料，把一個(gè)表面平整的載玻片放在倒有基片材料的模具上，均勻施加壓力，擠出多余的基片材料；烘干固化，然后將固化的基片材料從陽模剝離，得到具有特定微流通道的基片；2)微光電極的制作以銅箔為掩膜，掩蓋具有微流通道的基片，在微通道銅箔掩膜的中間相應(yīng)位置，采用激光開方形小孔，真空鍍金作為BPE金膜；再以銅箔掩蓋基片，在相應(yīng)的掩膜兩側(cè)開縫，真空鍍金得到對(duì)稱的兩個(gè)楔形金膜；在楔形金膜上的銅箔掩膜激光開孔，真空鍍金屬氧化物薄膜，即得微光電極；3)雙極電極沉積于基片表面，置于兩個(gè)微光電極中間；4)蓋片的制作將基片材料與引發(fā)劑以10:1質(zhì)量比混合，脫氣后，置于載玻片上，保溫反應(yīng)；聚合反應(yīng)完畢后，冷至室溫，剝離，即得蓋片；5)開孔將蓋片與基片精確對(duì)齊，在蓋片的相應(yīng)位置用紫外激光開孔，通過調(diào)整激光強(qiáng)度與脈沖時(shí)間控制開孔深度；6)芯片封合

以無水乙醇清洗基片與蓋片，吹干，在低壓汞燈下照射放置，即得本發(fā)明PDMS微流控芯片。本發(fā)明的有益效果是I)實(shí)現(xiàn)了以光作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的BPE-微流控芯片；2)這種光驅(qū)動(dòng)的BPE-微流控芯片是采用非接觸式光控分離、濃集和多維分離復(fù)雜樣品的基礎(chǔ)。


圖I為一種非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片的結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布示意圖。圖2為微光電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為非接觸光驅(qū)動(dòng)微流通道雙極電極芯片加工示意圖。其中1. PDMS ；2.微光電極；3.雙極電極(BPE);4.光生電場(chǎng)方向；a.硅片上甩膠SU-8 ；b.光刻顯影；c.澆注PDMS ；d.脫模得PDMS基片；e.掩銅膜真空鍍金形成BPE及楔形金膜，它們是在圖3d微通道的放大剖面圖內(nèi)顯示的；f.真空鍍TiO2膜形成Ti02/Au光電極；g.封合芯片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。如圖I所示，(A)光驅(qū)動(dòng)-雙極電極芯片；(B)光驅(qū)動(dòng)-雙極電極沿微通道軸向的電場(chǎng)空間分布示意圖。本發(fā)明的芯片結(jié)構(gòu)為包括基片、蓋片、微光電極(2)、雙極電極(3);基片和蓋片形成微流通道，微光電極(2)、雙極電極(3)安裝于基片表面,介于兩個(gè)基片中間；微光電極
(2)有兩個(gè)，分別位于雙極電極(3)的兩側(cè)；蓋片上設(shè)置有兩個(gè)微孔，光線從中穿過照射到兩個(gè)微光電極(2);微光電極(2)作為微流通道中電滲流和雙極電極電化學(xué)的光生伏特驅(qū)動(dòng)單元，雙極電極(3)作為微流通道的電泳分離/濃集單元。微光電極(2)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中底層為真空鍍金膜(楔形)；上層為TiO2膜。微通道中BPE金膜的兩端有傾角為30-45° Ti02/Au光電極或Ti02/Pt光電極(2)，或其它半導(dǎo)體氧化物/金屬光電極，微流通道內(nèi)充滿電解質(zhì)緩沖液和待分離的分子帶。用控制的光束照射半導(dǎo)體氧化物/金屬光電極，由于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)而產(chǎn)生電勢(shì)，電解質(zhì)緩沖液和待分離的分子帶在這種光生伏特產(chǎn)生電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電滲流和電泳。在矩形BPE金膜的準(zhǔn)等勢(shì)體的兩端與沿微流通道軸向形成電勢(shì)降，形成BPE兩端的氧化還原電勢(shì)，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在分離通道中的BPE金膜周圍形成非均勻電場(chǎng)，對(duì)分子帶起高效的濃集作用。從而在微流直通道中，實(shí)現(xiàn)非接觸式光驅(qū)動(dòng)雙極電極分離、濃集。實(shí)施例I :A.基片的制作采用制作光掩膜的方法，通過CAD設(shè)計(jì)微流通道，將其打印在透明膠片上作為掩膜，在硅片(50 X 50 X 2mm)上涂一層SU-8負(fù)光刻膠，通過紫外光曝光，未曝光部分用顯影液溶解，硅片以及表面上的SU-8負(fù)光刻膠凸起用作制作PDMS基片的陽模，硅陽模表面用氟化的硅烷化試劑處理。在模具上輕輕傾倒已經(jīng)脫氣的PDMS預(yù)聚物，把一個(gè)表面平整的載玻片 放在傾倒有PDMS預(yù)聚物的模具上，均勻施加壓力，擠出多余的PDMS，再把它們轉(zhuǎn)移到80°C的烘箱中熱處理Ih固化，然后將固化的PDMS從陽模剝離，得到具有特定微流通道(長(zhǎng)4cm，寬60 μ m，深25 μ m)的PDMS基片。以銅箔為掩膜，掩蓋PDMS基片，在微通道銅箔掩膜的中間相應(yīng)位置激光開邊長(zhǎng)為50 μ m方形小孔，真空鍍金50nm厚，即得金雙極電極；再以銅箔掩蓋PDMS基片，在相應(yīng)的掩膜兩側(cè)開寬度為55 μ m縫，先得到對(duì)稱的兩個(gè)楔形金膜，其沿微通道的楔形金膜厚度為lOOnm。用激光開孔(長(zhǎng)ΙΟΟμπι寬55 μ m)的銅箔做為掩膜,在楔形金膜上進(jìn)一步真空鍍TiO2薄膜30nm厚，即得Ti02/Au微光電極。B.蓋片的制作將PDMS與引發(fā)劑以10:1質(zhì)量比混合，脫氣后，置于載玻片上，65°C下保溫90min。聚合反應(yīng)完畢后，冷至室溫，剝離，得無色透明PDMS蓋片。C.開孔將蓋片與基片精確對(duì)齊，在蓋片的相應(yīng)位置用紫外激光開孔(樣品池、廢液池、兩側(cè)Ti02/Au光電極)，通過調(diào)整激光強(qiáng)度與脈沖時(shí)間控制開孔深度。D.芯片封合以無水乙醇清洗PDMS基片與PDMS蓋片，吹干，在低壓汞燈(6W)下照射3小時(shí)，放置兩天，即得本發(fā)明的PDMS微流控芯片。最后，形成以Ti02/Au為微光電極、金為BPE的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片。實(shí)施例2 實(shí)施例2與實(shí)施例I操作步驟完全相同；其主要不同之處在于實(shí)施例2的楔形微光電極真空鍍的靶材為鉬(Pt)，形成的微光電極為Ti02/Pt。最后，形成以Ti02/Pt為微光電極、金為BPE的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片。實(shí)施例3 實(shí)施例3與實(shí)施例I和2的操作步驟完全相同；其主要不同之處在于實(shí)施例3的楔形微光電極真空鍍的靶材為金，形成的微光電極為Ti02/Au，但BPE真空鍍的靶材為銀(Ag)，形成的是銀ΒΡΕ。最后，形成以Ti02/Au為微光電極、銀為BPE的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片。
權(quán)利要求
1.非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，其特征在于包括基片、蓋片、微光電極(2)、雙極電極(3);基片和蓋片形成微流直通道，微光電極(2)、雙極電極(3)沉積于基片表面，介于基片和蓋片之間；微光電極(2)有兩個(gè)，分別位于雙極電極(3)的兩側(cè)；蓋片上設(shè)置有兩個(gè)微孔，光線從中穿過照射到兩個(gè)微光電極(2);微光電極(2)作為微流通道中電滲流和雙極電極電化學(xué)的光生伏特驅(qū)動(dòng)單元，雙極電極(3)作為微流通道的電泳分離/濃集單元。
2.如權(quán)利要求I所述的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，其特征在于所述微光電極(2)為楔形，其傾角為30-45°。
3.如權(quán)利要求I所述的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，其特征在于雙極電極(3)為薄片型，置于通道中原位檢測(cè)的位置，其長(zhǎng)和寬均小于通道寬度。
4.如權(quán)利要求I所述的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，其特征在于所述的微光電極(2)為半導(dǎo)體氧化物/金屬光電極。
5.如權(quán)利要求I所述的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，其特征在于所述的微光電極(2)為TiO2Au或Ti02/Pt光電極。
6.如權(quán)利要求3所述的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，其特征在于所述的薄片雙極電極(3)材料為金(Au)或銀(Ag)。
7.如權(quán)利要求I所述的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，其特征在于所述基片和蓋片材料均為PDMS。
8.如權(quán)利要求I所述的非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，其特征在于所述的微光電極(2)由為真空鍍金膜和TiO2膜層疊構(gòu)成楔形結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的微流控芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步驟 1)基片的制作 采用光刻掩膜方法，先設(shè)計(jì)微流通道，將其打印在透明膠片上作為掩膜，在硅片上涂一層SU-8負(fù)光刻膠，硅片以及表面上的SU-8負(fù)光刻膠凸起用作制作基片的陽模，陽模表面用氟化的娃燒化試劑處理；在模具上傾倒已經(jīng)脫氣的基片材料，把一個(gè)表面平整的載玻片放在倒有基片材料的模具上，均勻施加壓力，擠出多余的基片材料；烘干固化，然后將固化的基片材料從陽模剝離，得到具有特定微流通道的基片； 2)微光電極的制作 以銅箔為掩膜，掩蓋具有微流通道的基片，在微通道銅箔掩膜的中間相應(yīng)位置，采用激光開方形小孔，真空鍍金作為BPE金膜；再以銅箔掩蓋基片，在相應(yīng)的掩膜兩側(cè)開縫，真空鍍金得到對(duì)稱的兩個(gè)楔形金膜；在楔形金膜上的銅箔掩膜激光開孔，真空鍍金屬氧化物薄膜，即得微光電極； 3)雙極電極沉積于基片表面，置于兩個(gè)微光電極中間； 4)蓋片的制作 將基片材料與引發(fā)劑以10:1質(zhì)量比混合，脫氣后，置于載玻片上，保溫反應(yīng)；聚合反應(yīng)完畢后，冷至室溫，剝離，即得蓋片； 5)開孔 將蓋片與基片精確對(duì)齊，在蓋片的相應(yīng)位置用紫外激光開孔，通過調(diào)整激光強(qiáng)度與脈沖時(shí)間控制開孔深度；6)芯片封合以無水乙醇清洗基片與蓋片，吹干，在低壓汞燈下照射放置，即得本發(fā)明PDMS微流控
全文摘要
非接觸式光驅(qū)動(dòng)-雙極電極的微流控芯片，包括基片、微光電極、雙極電極、蓋片；由基片和蓋片形成微流通道，微光電極、雙極電極沉積于基片表面，微光電極有兩個(gè)，分別位于雙極電極的兩側(cè)；蓋片上設(shè)置有兩個(gè)微孔，光線從微孔穿過照射到兩個(gè)微光電極上；微光電極作為微流通道中電滲流和雙極電極電化學(xué)的光生伏特驅(qū)動(dòng)單元，雙極電極作為微流通道的電泳分離/濃集單元。實(shí)現(xiàn)了以光作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的BPE-微流控芯片；這種光驅(qū)動(dòng)的BPE-微流控芯片是采用非接觸式光控分離、濃集和多維分離復(fù)雜樣品的基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102764676SQ20121025544
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者梁恒, 歐陽良飛, 范軍, 馬國(guó)營(yíng) 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)