專利名稱:微溝道電極及其微流控分析芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及微流控分析芯片中的微溝道電極和利用該電極做成的微流控分析芯片,屬于微機(jī)電加工技術(shù)領(lǐng)域;同時(shí),此電極提供的強(qiáng)電場(chǎng)可用于分離不同電性顆粒,以及進(jìn)行細(xì)胞穿孔實(shí)驗(yàn)等,故可作為生化分析的有力工具;此外,此電極具有均一大面積場(chǎng)強(qiáng),可用于物質(zhì)阻抗分析、電場(chǎng)模擬等。
背景技術(shù):
電極制作是微流控分析芯片中必備的技術(shù),是作為電信號(hào)探測(cè),蛋白質(zhì)分離,細(xì)胞穿孔,阻抗分析等技術(shù)不可缺少的集成部件。慣用的電極制作方法為利用傳統(tǒng)光刻工藝在基底上鍍膜,其缺點(diǎn)有(1)對(duì)掩膜精度要求高、需要極其龐大的鍍膜設(shè)備、復(fù)雜的光刻和鍍膜工藝;(2)電極制作好后嵌入到溝道中,需要極高的溝道對(duì)準(zhǔn)技術(shù),產(chǎn)品報(bào)廢率高;(3)鍍膜厚度一般遠(yuǎn)小于溝道高度,溝道內(nèi)流體往往不處在電場(chǎng)的有效區(qū)域或不能提供均一場(chǎng)強(qiáng)分布的電場(chǎng),在提高場(chǎng)強(qiáng)以及產(chǎn)生三維場(chǎng)強(qiáng)上效果不明顯。
微流控分析芯片需要有高強(qiáng)、大面積均一電場(chǎng),而其電極制作方法又要簡(jiǎn)便可靠。為此要對(duì)現(xiàn)有的微溝道電極及其微流控分析芯片進(jìn)行改進(jìn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種微溝道電極及其微流控分析芯片,適合于在溝道中提供高強(qiáng)度的均一電場(chǎng),為物質(zhì)顆粒分離提供偏壓,也可以在阻抗分析中提供高靈敏度的電極,方便可靠,易于集成,成本低廉,工藝簡(jiǎn)單易于普及。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種微溝道電極,它基底的溝道中有電極,其特征在于溝道中的電極由導(dǎo)電流體和導(dǎo)體孔針構(gòu)成,導(dǎo)體孔針插在導(dǎo)電流體中。
如上所述的微溝道電極,其特征在于所述的導(dǎo)電流體為以下之一種液體電解質(zhì)、液體金屬、混合有導(dǎo)電物質(zhì)的PDMS預(yù)聚物。
一種微流控分析芯片,芯片中有流體溝道,流體溝道旁是平行的兩個(gè)電極溝道,其特征在于溝道中的電極由導(dǎo)電流體和導(dǎo)體孔針構(gòu)成,導(dǎo)體孔針插在導(dǎo)電流體中。
如上所述的微流控分析芯片,其特征在于所述的導(dǎo)電流體為以下之一種液體電解質(zhì)、液體金屬、混合有導(dǎo)電物質(zhì)的PDMS預(yù)聚物以及磁流體。
如上所述的微流控分析芯片,其特征在于流體溝道的寬度為5~2000微米,電極溝道與流體溝道之間保持5~200微米。
本發(fā)明的微溝道電極和微流控分析芯片,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制作、成本低廉,而且具有高深寬比,均一強(qiáng)電場(chǎng)達(dá)100KV/cm以上,適合于制作需要大面積均一電場(chǎng)的微流控分析芯片。在基底的溝道中通入不同的導(dǎo)電液體形成各種精度、響應(yīng)速度不同的可集成于微溝道的電極。
圖1,是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其中,1層流觀測(cè)點(diǎn),2偏轉(zhuǎn)觀測(cè)點(diǎn),3分離觀測(cè)點(diǎn),4引出觀測(cè)點(diǎn),5油相入口,6海藻酸鈉入口,7染色油相入口,8電極材料入口,9層流出口。
圖2,是圖1中層流觀測(cè)點(diǎn)1處的層流示意圖。其中,10流聚焦形成液滴之處。
圖3,是圖1中偏轉(zhuǎn)觀測(cè)點(diǎn)2處的偏轉(zhuǎn)示意圖。
圖4,是圖1中分離觀測(cè)點(diǎn)3處的分離示意圖。
圖5,是圖1中引出觀測(cè)點(diǎn)4處的引出示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明實(shí)施例的微溝道電極,它基底的溝道中有電極,其特征在于溝道中的電極由導(dǎo)電流體和導(dǎo)體孔針構(gòu)成,導(dǎo)體孔針插在導(dǎo)電流體中;所述的導(dǎo)電流體為以下之一種液體電解質(zhì)、液體金屬、混合有導(dǎo)電物質(zhì)的PDMS預(yù)聚物以及磁流體。
本發(fā)明的微流控分析芯片,芯片中有流體溝道,流體溝道旁是平行的兩個(gè)電極溝道,其特征在于溝道中的電極由導(dǎo)電流體和導(dǎo)體孔針構(gòu)成,導(dǎo)體孔針插在導(dǎo)電流體中;液體電解質(zhì)、液體金屬、混合有導(dǎo)電物質(zhì)的PDMS預(yù)聚物以及磁流體;流體溝道的寬度為5~2000微米,電極溝道與流體溝道之間保持5~200微米。
本發(fā)明是可集成于微溝道中,簡(jiǎn)單有效的高深寬比的三維液體、固體電極制作方法,它可以提供均一強(qiáng)電場(chǎng)達(dá)100KV/cm以上,具有可集成,電場(chǎng)強(qiáng)度高,電場(chǎng)均一面積大,成本低,方便無毒,擊穿電壓高等特點(diǎn)。由其通入的導(dǎo)電介質(zhì)不同,可將其分為電解質(zhì)電極,金屬電極,PDMS電極等。
現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹一下本發(fā)明的微溝道電極及其微流控分析芯片制作的方法,和采用上述不種導(dǎo)電液體時(shí)它們的性能比較一、制作方法。
①5~2000微米寬度的流體溝道旁平行設(shè)計(jì)兩個(gè)電極溝道,電極溝道結(jié)構(gòu)與預(yù)先設(shè)計(jì)電極平面結(jié)構(gòu)相同,電極溝道與流體溝道之間保持在5~200微米左右以適應(yīng)光刻膠或材料的加工精度。
②用設(shè)計(jì)的掩膜膜板,借助光刻技術(shù),利用普通微加工技術(shù)或軟光刻技術(shù)制出微流芯片,打孔、鍵合后便成為帶有電極溝道的微流控芯片了。
③往電極溝道中通入導(dǎo)電液,盡量使溝道中充滿導(dǎo)電液,在其一端插上導(dǎo)體孔針,電極制作就完成了。
二、各類導(dǎo)電液體的性能比較。
此電極適用的導(dǎo)電液體,可有如下幾類,現(xiàn)對(duì)其某些方面做如下介紹1、在溝道中充滿液體電解質(zhì),如PBS溶液、硫酸銅溶液。此法方便可行,效果明顯,但對(duì)芯片加工特別是光刻和鍵合技術(shù)要求較高。但充放電時(shí)間較長,響應(yīng)時(shí)間慢。
2、用金屬導(dǎo)入微溝道,如液態(tài)汞,銀漿。此法上可以大幅度提高電極的各項(xiàng)性能,同時(shí)可使電極永久固化或封閉在溝道中。但是存在電極后期固化、封閉溝道的問題,增加電極芯片制作步驟。
3、在PDMS預(yù)聚物中混合碳粉等導(dǎo)電物質(zhì),使之導(dǎo)電,灌注到微溝道中。此法作為提高芯片集成度的一個(gè)方向,可以預(yù)先做成各種模塊,也可以像導(dǎo)電液一樣導(dǎo)入微溝道凝固。
三、實(shí)施例1.實(shí)驗(yàn)原理。
(1)如附圖1所示,利用流聚焦溝道設(shè)計(jì),質(zhì)量比2%的海藻酸鈉水溶液分散相被油連續(xù)相夾斷,形成直徑為20μm~200μm的海藻酸鈉液滴;(2)在帶有海藻酸鈉液滴的連續(xù)油相下游加入一路染色了的油相,染色油相和油相保持速率匹配,在直溝道中形成一路均等的兩色層流;(3)此實(shí)驗(yàn)的基本思路是利用本發(fā)明的電極制作技術(shù)在兩電極之間形成均一、大面積的電場(chǎng),由于海藻酸鈉液滴在油相中本身帶有一定的電性,故可以在兩電極間實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn),最終在層流出口達(dá)到分離的效果。
(4)本實(shí)驗(yàn)不需要為海藻酸鈉溶液帶上電荷增加另外的電路,而是利用物質(zhì)表面本身所帶的電荷實(shí)現(xiàn)分離,實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單有效,現(xiàn)象明顯,可重復(fù)性好。
2.實(shí)驗(yàn)步驟。
(1)依據(jù)發(fā)明內(nèi)容中的制作方法,制作出帶有附圖所示溝道的微流控芯片。
(2)把銀漿用丙酮稀釋,通入電極材料入口,在電極材料入口處插上金屬孔針,再放入干燥烘箱中,以后就可以隨時(shí)使用了。
(3)取出芯片,在油相入口,海藻酸鈉入口和染色油相入口插上帶有軟管的注射器,注射器安放到注射泵上,采取推的進(jìn)液方式,調(diào)整各流速參數(shù),依次啟動(dòng)各泵工作。
(4)等待流聚焦溝道處周期性地出現(xiàn)水溶液滴分散在連續(xù)油相中,可以根據(jù)在倒置顯微鏡中看到的情形,適當(dāng)改變各泵的參數(shù)。
(5)等待流聚焦溝道下游的直溝道中形成油相和染色油相形成平分溝道的層流,可以根據(jù)層流的情況適當(dāng)調(diào)整染色油相的流速。
(6)在電極上加電壓,上面的電極加正壓,下面的電極加負(fù)壓,此銀漿電極在此溝道中加入150V便可達(dá)到分離的目的,電極溝道之間為500μm,電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到3KV/cm。
3.實(shí)驗(yàn)效果分析。
(1)如附圖1-5所示,選擇1、2、3、4四個(gè)觀測(cè)點(diǎn),每選一組電壓后進(jìn)行4次拍照,分別得到層流,偏轉(zhuǎn),分離,引出的效果。
(2)本實(shí)驗(yàn)用高深寬比電極分離效果較普通鍍膜電極要好很多,性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鍍膜形成的電極。
(3)現(xiàn)針對(duì)1、2、3、4四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)象,簡(jiǎn)要介紹了流聚焦形成水溶液小滴在溝道中的運(yùn)動(dòng)軌跡。示意圖如附圖2-5,分別模擬出層流,偏轉(zhuǎn),分離和引出的圖示,分離完全,反應(yīng)靈敏,操作簡(jiǎn)單,可重復(fù)性強(qiáng)。
(4)由于實(shí)驗(yàn)中沒有專門讓小液滴帶上電荷,而是用其自身所帶電荷,由于自身所帶電荷一般較小,更能體現(xiàn)此電極的三維立體場(chǎng)強(qiáng)較高,均一性較好。
權(quán)利要求
1.一種微溝道電極,它基底的溝道中有電極,其特征在于溝道中的電極由導(dǎo)電流體和導(dǎo)體孔針構(gòu)成,導(dǎo)體孔針插在導(dǎo)電流體中。
2.如權(quán)利要求1所述的微溝道電極,其特征在于所述的導(dǎo)電流體為以下之一種液體電解質(zhì)、液體金屬、混合有導(dǎo)電物質(zhì)的PDMS預(yù)聚物以及磁流體。
3.一種微流控分析芯片,芯片中有流體溝道,流體溝道旁是平行的兩個(gè)電極溝道,其特征在于溝道中的電極由導(dǎo)電流體和導(dǎo)體孔針構(gòu)成,導(dǎo)體孔針插在導(dǎo)電流體中。
4.如權(quán)利要求3所述的微流控分析芯片,其特征在于所述的導(dǎo)電流體為以下之一種液體電解質(zhì)、液體金屬、混合有導(dǎo)電物質(zhì)的PDMS預(yù)聚物。
5.如權(quán)利要求3或4所述的微流控分析芯片,其特征在于流體溝道的寬度為5~2000微米,電極溝道與流體溝道之間保持5~200微米。
全文摘要
一種微溝道電極,它基底的溝道中有電極,其特征在于溝道中的電極由導(dǎo)電流體和導(dǎo)體孔針構(gòu)成,導(dǎo)體孔針插在導(dǎo)電流體中。本發(fā)明的微溝道電極和微流控分析芯片,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制作、成本低廉,而且具有高深寬比,均一強(qiáng)電場(chǎng)達(dá)100KV/cm以上,適合于制作需要大面積均一電場(chǎng)的微流控分析芯片。在基底的溝道中通入不同的導(dǎo)電液體形成各種精度、響應(yīng)速度不同的可集成于微溝道的電極。
文檔編號(hào)G01N33/50GK1963483SQ20061012509
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
發(fā)明者趙興中, 劉侃, 丁會(huì)江 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)