一种多通道电极微芯片、其制备方法及应用.pdf

发明内容

本发明的一个目的是提供了一种微芯片，它由分离液进样口和微电极反应
池、检测液进样口、各进样口和反应池之间的通道引线和电极组成；分离液进样
口和微电极反应池一一对应，分别处于分离管道的两端，由分离管道相通；检测
液进样口通过进样管道与每一根分离管道相通；每个进样口分别与一个可外接电
压控制设备的电极相连；每个微电极反应池中都含有一个由对电极、工作电极和
参比电极组成的三电极系统。

本发明的另一个目的是提供了上述微芯片的制备方法，它包括以下步骤：

1.在一块基质上制作出各进样口和反应池口；

2.在另一块基质上制作出各进样口和反应池之间通道并嵌入引线和电极；

3. 合并两块基质。

本发明的再一个目的是提供了上述微芯片的的应用，将芯片与控制设备连
接，加入分离液和样品，通过控制电压完成样品的分离、分析和检测。

本发明提供了一种微芯片，它由分离液进样口和微电极反应池、检测液进样
口、各进样口和反应池之间的通道引线和电极组成；分离液进样口和微电极反应
池一一对应，分别处于分离管道的两端，由分离管道相通；检测液进样口通过进
样管道与每一根分离管道相通；每个进样口分别与一个可外接电压控制设备的电
极相连；每个微电极反应池中都含有一个由对电极、工作电极和参比电极组成的
三电极系统。

作为基质的材料可以是硅、普通玻璃、优质石英以及有机高聚物等。在本发
明的一个实施例中，采用玻璃作为基质。

该芯片的尺寸和分离液进样口、检测液进样口、分离通道、进样通道的数量
均可根据集成度和实际需要确定。

微芯片在进样口、检测池与外接控制设备之间通过引线和电极连接。该引线
和电极可采用各种金属材料制成。在本发明的一个实施例中采用了鉻金材料制作
了引线和电极。

本发明的微芯片可以由两块基质加工而成，一块含有进样口和测试池孔，称
为A片；另一块含有各进样口和反应池之间的通道以及与进样口相连的电极，称
为B片。

A片和B片的厚度可根据实际需要确定。经过我们的测试发现，就玻璃材料
而言，0.1～0.2mm厚是A片的首选，1～2mm厚是B片的首选。

A片表面结构包括分离液进样口(1)、待测液进样口(2)及检测池(3)。
其中：分离液进样口(1)为直径为1mm、高为A片厚度的圆孔；待测液进样口
(2)为直径为1mm、高为A片厚度的圆孔；检测池(3)为直径为3mm、高为
A片厚度的圆孔。

B片结构包含各种电极、引线、分离通道(4)和进样通道(5)。其中：从每
一分离液进样口(1)至对应的检测池(3)之间为直径约50～80μm的分离通道
(4)；与分离通道(4)交叉的连接检测液进样口(2)之间的直径约50～80μm
的进样通道(5)；用于分离液进样口(1)的电渗流加电压的电极(6)；用于待
测液进样口(2)的电渗流加电压的电极(7)；用于检测池电渗流加电压的电极
(8)；用于样品信号检测的三电极系统。每只电极的尺寸为长5mm，宽1mm。

用于样品信号检测的三电极系统的结构如图2所示。工作电极(11)直径为
0.5～0.8mm，金膜厚度200-400nm；对电极(12)直径0.7～1.1mm，金膜厚度
200～400nm；银参比电极(13)直径0.7～1.1mm，底层金膜厚度150～350nm，
加表面50nm银膜；对电极(12)引出线(14)，工作电极(11)引出线(9)，
参比电极(13)引出线(10)。三根引出线的尺寸均为：长2～3mm，宽0.2～
0.3mm，厚度200～400nm的金膜。

上述微芯片可通过以下步骤制备：

1.在一块基质上制作出各进样口和反应池口；

2.在另一块基质上制作出各进样口和反应池之间通道并嵌入引线和电极；

3.合并两块基质。

如前所述，作为基质的材料可以是硅、普通玻璃、优质石英以及有机高聚物
等。在本发明的一个实施例中，采用玻璃作为基质。

制作各进样池和通道的方法也有多种，在本发明的一个实施例中，采用紫外
蚀刻法。蚀刻A片和B片前，要先设计、制作相应掩膜。制作掩膜要考虑以下几
个因素：进样泳道和分离泳道的宽度、长度、管道的形状(包括弯道、弧度、不
规格形状等)、管道的距离等进行芯片图形设计，将设计好的图形制作成掩膜版。

1.A片的制作过程。A片制作包括分离液进样口(1)、待测液进样口(2)
及检测池(3)的制作。在用紫外光蚀刻方法蚀刻A片时，除了常规技术，我们
还在玻璃片底下垫一张黑色的吸光纸并降低曝光时间以降低漫反射。具体制作过
程为：

(1)清洗：把玻璃片在鉻酸里浸泡12小时，取出后用去离子水冲洗干净。在红外
灯下烘干，然后放入温度为120℃的烘箱烘烤15分钟，全面去除表面水分，
使涂胶时不至于脱胶。

(2)涂胶。采用负胶，使用两次旋转涂胶方式，尽可能的保护玻璃片表面不被HF
侵蚀。

(3)前烘20分钟，75℃。

(4)曝光：一般来说，对于负胶，清洗之后不需要再打膜；但我们做实验的时候
发现负胶清洗后表面有一层薄膜致使玻璃腐蚀受到阻碍。该薄膜在被刮后肉
眼可见，表明其实并非是一般去胶后需要打膜的残留物。为此，我们在玻璃
片底下垫一张黑色的吸光纸并降低曝光时间。

(5)显影。显影时间为8分钟，然后在清洗液中清洗1-1.5分钟。

(6)坚膜。坚膜之前先让清洗完毕的玻璃片自然晾干。坚膜时间为30分钟。

(7)腐蚀：为了较好的保护玻璃片，我们选择在较高的温度，浓度较大的HF中腐
蚀。另外，在没有涂光刻胶的背面，我们用黑蜡或者黄蜡保护。

我们采用了以下两种腐蚀方法：

(1)蜡+生料带：用黑蜡涂布于玻璃片背面，趁其未干，包裹上生料带，并
且玻璃片边缘也用生料带保护好。玻璃片正面中心区域有光刻胶的地方也用黑蜡
做一下保护，使得针孔减少到最低限度。

(2)黄蜡：用黄蜡保护玻璃片背面，同时也保护玻璃片正面中心区域减少针孔。

玻璃在腐蚀完成后在其孔中充满着反应产物，应该马上将其取出来，冲洗后
将其放在另一平整的玻璃片(或者其他平整的面片上)，用刷子刷洗反应残留物，
防止其干后固化。然后将其放置在甲苯溶液中去除黄蜡或者黑蜡。对于有黄蜡保
护的光刻胶区域，不易去除光刻胶，可用H₂O₂∶H₂SO₄约为1∶4的混合液加热去
除，同时也起到清洗玻璃片表面的作用。

2.B片的制作方法和过程。B片结构包含各种电极、引线、分离通道(4)
和进样通道(5)，制作过程为：

B片共有4×8+8+6＝46个引出脚，采用200-400nm厚的鉻金材料。引出
脚分别为分离液进样口(1)对应的电渗流加电压的电极(6)，待测液进样口(2)
的电渗流加电压的电极(7)；用于检测池电渗流加电压的电极(8)和用于样品
信号检测的三电极系统。每只电极的尺寸为长5mm，宽1mm。

三电极系统的结构如图2所示。工作电极(11)直径为0.5～0.8mm，金
膜厚度200-400nm；对电极(12)直径0.7～1.1mm，金膜厚度200～400nm；银
参比电极(13)直径0.7～1.1mm，底层金膜厚度150～350nm，加表面50nm
银膜；还包括对电极引出线(14)，工作电极引出线(9)，参比电极引出线(10)。
三根引出线的尺寸均为：长2～3mm，宽0.2～0.3mm，厚度200～400nm的金
膜。多进样通道和多分离通道保证了本芯片的高通量性能。

电极制作的基本要求是电极和引线“镶嵌”在衬底中，使得在接下来的A、B
片粘合中不至于由于引线而使衬底和覆盖层接触不良。其主要制作步骤包括：刻
槽、刻引线凹陷和蒸金去胶成引线。

作为衬底的材料可以是硅、普通玻璃、优质石英以及有机高聚物等。在本发
明的一个实施例中，采用了玻璃和硅作为衬底，其中硅衬底又分为表面带氧化层
的硅以及未氧化的硅。

下面以制版玻璃片为例说明制作过程：

(1)清洗。因为制版片子表面有涂层，所以放置在浓硫酸中除去涂层。同样放
置在鉻酸中浸泡12小时，取出在去离子水中冲洗干净。放置在红外灯下照射干，
然后放进120℃烘箱去除表面吸附水份。

(2)涂负胶。前烘20分钟。

(3)曝光，显影，清洗，坚膜。此过程与制作A片相同。

(4)腐蚀：在40％浓HF中40℃下腐蚀速率约为100um/10min，该速率会随着
厚度增加而减小。此次腐蚀背面是用黑蜡来保护的，同时将玻璃衬底放置平整的
腐蚀方式，消除了因热产生的流体取向性造成的槽的边缘不平整性。

(5)腐蚀完成后，在去离子水的冲洗下用刷子刷掉腐蚀的反应产物，将玻璃片
冲洗干净，防止残余HF造成的额外腐蚀。

(6)蒸鉻金形成电极和引线。

首先，清洗已经刻好槽的玻璃片，重新用手工的方式在槽的区域涂布上一层
厚的光刻胶，从而消除了金在槽边缘的积累。烘干，涂正胶，前烘，曝光，显影，
清洗，坚膜。

其次，测量玻璃在H₂O∶HF＝20∶1中的腐蚀速率。我们测量得到是2970A/5min，
也就是说约为600A/min。而蒸的金的厚度一般也为500～600A左右。所以，我
们把坚膜好的玻璃衬底在20∶1的HF中漂了1分钟，清洗烘干后蒸鉻蒸金。

然后，在甲苯溶液中通过振动将光刻胶去除，从而把引线留下来了。

3.芯片接合。

该步骤是芯片制作的最后的一步，也是最关键的一步。对于玻璃与玻璃接合，
一般可用热接合，也可以使用阳极接合。我们在本发明的一个实施例中是采用
热接合。热接合一般可以分为两种：亲水表面接合和憎水表面接合。亲水表面是
表面带有OH^-，并且OH^-极化。所以对于双极性分子，如水分子，将会被吸引。而
憎水表面不存在极性微粒，所以水分子将不会被吸引。

对于亲水表面，主要是OH^-之间建立起的氢键促使接合形成；对于憎水表面，
主要是存在的H原子，它在几小时内阻止表面氧化物的生成；而H原子和H原子
之间的范德华力促使了接合的形成。

具体的制作步骤：

(1)洗涤。首先放在丙酮溶液中擦洗，这个主要是清洗有机物杂质。然
后可以用甲醇或者乙醇擦洗干净残留的丙酮。然后将盖玻片和玻璃衬底放置在
H₂SO₄∶H₂O₂约为4∶1的清洗液中加热清洗。由于对于玻璃和玻璃的接合，亲水
基OH^-并非必需，所以可以不进行表面的水解。当然，如前所述，为了有助于接
合，我们使用了NH₄OH加热作为表面水解，以使其产生亲水基OH^-。

(2)真空。少量的水份是有助于接合，但是过多的水分子会阻碍接合。
所以在加热接合之前，要在将接触的玻璃之间的水份尽可能的抽真空抽掉。一方
面是防止水的破坏作用，另一方面也是利用大气压将需要接合的两块玻璃紧紧的
合在一起，并且充分接触。

(3)热接合。尽可能的使玻璃产生一个较“软”的状态，也就是适当的
要把温度抬高一点，但是又不能使玻璃熔化。在本发明的一个实施例中，采用了
在615～620℃下退火半小时，自然冷却，同时在接合玻璃上面压上重物促进接
合。

从检测结果上来讲，按上述热接合方法的芯片总体接合效果很好，所有的通
道和电极均达到设计要求。本发明采用的检测系统为集成的微三电极系统，测定
的信号为特异性识别反应产生的电化学参数(如电流、电位、电导、电容或阻抗
等)的变化，在整个测定过程中无需加入标记化合物，因此，本发明是一种无标
记的直接检测方法，因而呈现了与目前方法的相比更高的灵敏度和选择性，  同
时这种集多路进样、分离和检测于一体的微芯片分析系统可以高效率、高通量地
分析多种样品。

本发明还提供了上述微芯片的应用，即将芯片与控制设备连接，加入分离液
和样品，控制电压完成样品的分离、分析和检测。其原理是，在电场的作用下，
利用样品中各成分在缓冲液中迁移率的不同而实现分离，分离后的样品中的待测
离子依次通过设在微芯片一端的检测池检出。多进样通道和多分离通道保证了本
芯片的高通量性能。

具体检测步骤如下：

1)将所有芯片上三电极的引出极(14、9、10)连接到电化学分析仪(如
C8-1040，上海辰华仪器公司)的相应的工作电极接线、对极接线和参比电极接
线端口。

2)将微流控芯片高压电源(如CDY-500L，山东省化工研究院仪器仪表研
究所)的加电压接线分别连接分离液进样口、待测液进样口及检测池的引出极(6、
7和8)。

3)将电化学分析仪的方法设置和参数设置按需要进行设定。

4)将微流控芯片高压电源的电压施加方式按需要在CDY-500L的控制程序
中进行设定。

5)取预先配置好的分离缓冲液用微蠕动泵注入分离液进样口1，开启
CDY-500L设定的分离电压运行程序，分离液以缓慢的速度进入分离通道d1-d8。
待分离液充满通道并进入检测池(3)后，用微量注射器将被分析样品注入待测
液进样口(2)，开启CDY-500L设定的进样电压运行程序，样品将缓慢进入进样通
道并与各检测通道交叉汇合，并被分离缓冲液带入检测池(3)。开启已设定完毕
的C8-1040的运行软件，对进入检测池的样品进行测定。

本发明可用于分离、分析和检测化工、生物、医药等行业的样品。本发明的
芯片使用后可以清洗管道以便重复使用。